激光雕刻加工是激光系統(tǒng)最常用的應用。根據(jù)激光束與材料相互作用的機理,大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應來完成加工過程,包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光鐳射打標、激光鉆孔和微加工等;光化學反應加工是指激光束照射到物體,借助高密度激光高能光子引發(fā)或控制光化學反應的加工過程。包括光化學沉積、立體光刻、激光雕刻刻蝕等。
激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度,靠光熱效應來加工的。 激光加工不需要工具、加工速度快、表面變形小,可加工各種材料。用激光束對材料進行各種加工,如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。 某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級的物質(zhì),在外來光子的激發(fā)下會吸收光能,使處于高能級原子的數(shù)目大于低能級原子的數(shù)目——粒子數(shù)反轉(zhuǎn),若有一束光照射,光子的能量等于這兩個能相對應的差,這時就會產(chǎn)生受激輻射,輸出大量的光能。
激光加工與其他加工技術(shù)相比有其獨特的特點和優(yōu)勢,它的主要特點有:?
1、非接觸加工。激光屬于無接觸加工,切割不用刀具,切邊無機械應力,也無刀具磨損和替換、拆裝問題,為此可縮短加工時間;焊接無需電極和填充材料,再加上深熔焊接產(chǎn)生的純化效應,使得焊縫雜質(zhì)含量低、純度高。聚焦激光束具有106~1012W/cm2高功率密度,可以進行高速焊接和高速切割。利用光的無慣性,在高速焊接或切割中可急停和快速啟動。?
2、對加工材料熱影響區(qū)小。激光束照射到物體的表面是局部區(qū)域,雖然在加工部位的溫度較高,產(chǎn)生的熱量很大,但加工時的移動速度很快,其熱影響的區(qū)域很小,對非照射的部位幾乎沒有影響。在實際熱處理、切割、焊接過程中,加工工件基本沒有變形。正是激光加工的這一特點,它已被成功地應用于局部熱處理和顯像管焊接中。?
3、加工靈活。激光束易于聚焦、發(fā)散和導向,可以很方便地得到不同的光斑尺寸和功率大小,以適應不同的加工要求。并且通過調(diào)節(jié)外光路系統(tǒng)改變光束的方向,與數(shù)控機床、機器人進行連接,構(gòu)成各種加工系統(tǒng),可對復雜工件進行加工。激光加工不受電磁干擾,可以在大氣環(huán)境中進行加工。?
4、可以進行微區(qū)加工。激光束不僅可以聚焦,而且可以聚焦到波長級光斑,使用這樣小的高能量光斑可以進行微區(qū)加工。?
5、可以透過透明介質(zhì)對密封容器內(nèi)的工件進行加工。?
6、加工高硬度、高脆性、高熔點的金屬及非金屬材料。
焊接機器人激光加工的原理
激光加工技術(shù)
是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術(shù)。激光加工作為先進制造技術(shù)已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等工業(yè)領(lǐng)域,對提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到越來越重要的作用。
焊接機器人激光加工
焊接機器人激光加工是以聚焦的激光束作為熱源轟擊工件,對金屬或非金屬工件進行熔化形成小孔、切口、連接、熔覆等的加工方法。激光加工實質(zhì)上是激光與非透明物質(zhì)相互作用的過程,微觀上是一個量子過程,宏觀上則表現(xiàn)為反射、吸收、加熱、熔化、氣化等現(xiàn)象。
在不同功率密度的激光束照下,材料表面區(qū)域發(fā)生各種不同的變化,這些變化包括表面溫度升高、熔化、氣化、形成小孔以及產(chǎn)生光致等離子體等。
1激光功率密度小于數(shù)量級
當激光功率密度小于數(shù)量級時,金屬吸收激光能量只引起材料表層溫度升高,但維持固相不變,主要用于零件的表面熱處理、相變硬化處理或釬焊等。當激光功率密度在數(shù)量級范圍時,產(chǎn)生熱傳導型加熱,材料表層將發(fā)生熔化,主要用于金屬的表面重熔、合金化、熔覆和熱傳導型焊接(如薄板高速焊及精密點焊等)。
2激光功率密度達到數(shù)量級
當激光功率密度達到數(shù)量級時,材料表面在激光束的照射下,激光熱源中心加熱溫度達到金屬的沸點,形成等離子蒸汽而強烈氣化,在氣化膨脹壓力作用下,液態(tài)表面向下凹陷形成深熔小孔;與此同時,金屬蒸汽在激光束的作用下電離產(chǎn)生光致等離子體。這一階段主要用于激光束深熔焊接、切割和打孔等。
3激光束功率密度大于數(shù)量級
當激光束功率密度大于數(shù)量級時,光致等離子體將逆著激光束的入射方向傳播,形成等離子體云團,出現(xiàn)等離子體對激光的屏蔽現(xiàn)象,這一階段只適用于采用脈沖激光進行打孔、沖擊硬化等加工。
激光技工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化氣化而進行穿孔、切割和焊接等特種加工。早期的激光加工由于功率小,大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀70年代,隨著大功率二氧化碳激光器、高重復頻釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn),以及對激光加工機理和工藝的深入研究,激光加工技術(shù)有了很大進展,適用范圍隨之擴大。數(shù)千瓦的激光加工設備競相出現(xiàn),并與光電跟蹤、計算機數(shù)字控制、工業(yè)焊接機器人等技術(shù)相結(jié)合,大大提高了激光加工的自動化水平和使用功能。
激光加工裝備由四大部分組成,分別是激光器、光學系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、控制及檢測系統(tǒng)。從激光器輸出的高強度激光束經(jīng)過透鏡聚焦到工件上,其焦點處的功率密度可達溫度高達1萬攝氏度以上,任何材料都會瞬時熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應對材料進行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是YAG固體激光器和二氧化碳氣體激光器。由于二氧化碳激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率范圍大和能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點,可以廣泛用于材料的激光加工。
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