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激光材料加工-2007

激光材料加工-2007
激光材料加工-2007

激光材料加工

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2006-10-15

目录

第一章激光加工导论 (4)

1.1 激光产生的物理基础 (4)

1.1.1 能级上的粒子数分布 (4)

1.1.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射 (4)

1.2 激光产生的机理 (5)

1.3 激光器的基本构成 (5)

1.3.1 工作物质 (5)

1.3.2 泵浦源 (6)

1.3.3 光学谐振腔 (6)

1.4 激光的特点 (6)

1.5 激光加工中普遍涉及的激光输出参数 (7)

1.5.1 激光模式 (7)

1.5.2 激光输出功率 (7)

1.5.3 激光偏振特性 (7)

1.6 激光加工的特点 (7)

第2章激光切割 (8)

2.1 激光切割技术概述 (8)

2.1.1 激光切割技术的国内外现状 (8)

2.1.2 激光切割技术的优点 (8)

2.2 激光切割机理 (9)

2.2.1 激光切割时切口的形成 (9)

2.2.2 激光切割切口的形式 (9)

2.3 激光切割的工艺分析 (10)

2.4 激光切割的质量评价 (10)

2.4.1 激光切割零件的尺寸精度 (10)

2.4.2 激光切割的切口质量 (10)

2.5 影响激光切割质量的因素 (10)

2.6 常用工程材料的激光切割 (11)

2.6.1 金属材料的激光切割 (11)

2.6.2 非金属材料的激光切割 (12)

2.6.3 复合材料的切割 (12)

2.7 激光切割安全 (13)

2.7.1 激光对人体的危害 (13)

2.7.2 激光切割的安全防护 (13)

2.8 激光切割技术的发展 (13)

第三章激光焊接 (14)

3.1 激光焊接的发展 (14)

3.2 激光焊接的原理及过程 (15)

3.2.1 激光焊接的原理 (15)

3.2.2 激光焊接的特点 (16)

3.3 激光焊接的分类及其实现方式 (16)

3.4 激光焊接设备 (17)

3.4.1 激光焊接设备的组成 (17)

3.4.2 激光焊接设备现状 (18)

3.4.3 典型的激光加工设备 (18)

3.5 激光焊接工艺 (19)

3.5.1 脉冲激光焊工艺参数 (19)

3.5.2 连续激光焊工艺参数 (19)

3.6 激光焊接的影响因素及其焊接中常出现的问题 (20)

3.7 典型材料的激光焊接 (20)

3.7.1 材料激光焊接的焊接性 (20)

3.7.2材料的激光焊接 (21)

3.8 激光焊接在工业中的应用 (21)

第四章激光淬火 (23)

4.1 激光淬火的概述 (23)

4.1.1 激光淬火的原理 (23)

4.1.2 激光淬火的特点 (23)

4.1.3 激光淬火的应用和研究现状 (23)

4.2 激光淬火的理论基础 (24)

4.2.1 激光对金属材料的热作用 (24)

4.2.2 激光淬火的材料强化机理 (24)

4.3 激光淬火工艺 (25)

4.3.1 工件的预处理 (25)

4.3.2 激光淬火工艺参数的选择 (25)

4.3.3 激光淬火后组织性能 (25)

4.4 激光淬火设备(略) (26)

4.5 典型零件的激光淬火 (26)

4.6 激光淬火的应用和研究展望 (26)

第5章激光熔覆与激光合金化 (27)

5.1 激光熔覆 (27)

5.1.1 激光熔覆技术 (27)

5.1.2 激光熔覆材料 (27)

5.1.3 激光熔覆工艺方法 (29)

5.1.4 激光熔覆防开裂对策 (30)

5.1.5 激光熔覆技术的应用 (31)

5.2 激光合金化 (31)

5.2.1 激光合金化技术基础 (31)

5.2.2 激光合金化工艺 (33)

5.2.3 合金化层质量的控制 (34)

5.2.4 激光合金化技术防开裂对策(略) (34)

5.2.5 激光合金化技术的应用 (34)

第6章激光微细加工 (36)

6.1 激光微细加工概述 (36)

6.1.1 激光微细加工的方法及应用 (36)

6.1.2 激光微细加工的特点 (37)

第7章激光冲击强化 (38)

7.1 概述 (38)

7.2 激光冲击过程理论分析 (38)

7.3 激光冲击的两种模型 (39)

7.4 涂层和约束层技术 (39)

7.5 激光冲击设备 (41)

7.6典型材料激光冲击强化效果 (41)

7.7 激光冲击强化技术的应用与发展 (42)

第8章激光板料成形 (43)

8.1 概述 (43)

8.2 激光热应力成形 (43)

8.3 激光冲击成形 (44)

8.3.1 技术特点 (45)

8.3.2 应用与发展前景 (46)

第一章激光加工导论

1.1 激光产生的物理基础

1.1.1 能级上的粒子数分布

根据原子物理理论和量子理论可知,组成物质的粒子处于一系列的分立能级中,能量最低的状态为基态,其他比基态能量高的状态叫做激发态。在热平衡情况下,任意两个高低能级上粒子数分布服从玻尔兹曼统计规律:

式中,n l和n2为能级E1、E2的粒子数。由于E1<E2,所以n1>n2,即在热平衡时,在任意两个高低能级上,高能级粒子数恒小于低能级粒子数,如图1—l(a)所示。但是如果在外界能量(热能、光能、化学能等)的激励下,可以使得低能级上粒子吸收能量后跃迁到高能级,从而使得n2>n1,则该物质实现了高能级与低能级之间的粒子数反转,如图l—1(b)所示。处于粒子数反转状态的物质称为激活物质或工作物质。

1.1.2 自发辐射、受激吸收和受激辐射

激光是通过光与物质相互作用,尤其是作用过程中的受激辐射而产生的。受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年首先提出的。爱因斯坦从量子论的观点出发提出,在辐射与物质相互作用的过程中包含以下三个过程:粒子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁。

受激跃迁与自发跃迁是两种本质不同的物理过程。自发辐射跃迁概率A21只与物质本身的性质有关;而受激辐射跃迁概率W21和受激吸收跃迁概率W12不仅与物质的性质有关,还与辐射物质的辐射场有关,在高低能级的能级简并度相等时,W21=W12。另外,自发辐射产生的光是非相干光,其波长、相位、传播方向和偏振方向等都是随机无规律的;而通过受激辐射可以诱发与入射光子一模一样的光子,可以实现同态光子数放大,从而可得到光子简并度极高的相干光。激光器产生激光,正是利用受激辐射的上述特点,所以激光具有方向性好、单色好、相干性好和高亮度的特点。

1.2 激光产生的机理

辐射场作用于物质时,受激吸收、受激辐射和自发辐射并存。在热平衡情况下,受激吸收光子数n1W12恒大于受激辐射的光子数n2W21,因此物质总体表现为消耗人射光,此时见不到光放大现象。欲产生激光,必须使得n2>n1,即被辐射物质实现粒子数反转,此时n1W12<n2W21受激辐射占优势,可以实现对入射光的光放大。

因此,产生激光的首要条件是:必须要有实现粒子数反转的激活物质。一段激活物质为一个光放大器,有一束能量为E2-E1=hv的入射光子进入该激活物质,这时受激辐射产生的光子数将超过受激吸收消耗的光子数,而使受激辐射占主导地位。在这种情况下,光在激活物质内将越走越强,使该激光工作物质输出光的能量超过入射光的能量,这就是光的放大过程。光放大作用的大小通常用放大(或增益)系数G来描述,其物理意义为光通过单位长度激活物质后光强增长的百分数。光在增益介质内传播放大的同时,增益介质和光腔内也存在着各种各样光的损耗,引人损耗系数α,其物理意义为光通过单位长度激活物质后光强衰减的百分数。

1.3 激光器的基本构成

实际上激活物质不可能做得太长,一般采用在激活物质两端放置镀有高反射率的两块反射镜,形成光学谐振腔,这样,初始光强I o就会在反射线间往返传播,等效于增加激活介质的长度,最终可得到一个确定大小的光强I m。另外为了使普通物质转变成激活物质,还需要外界激励能源(或称泵浦源)。这样一个常规的激光器就应该包括三部分:工作物质、泵浦源和光学谐振腔。

1.3.1 工作物质

工作物质是产生激光的物质基础,是激光器的核心部分,是用来实现粒子数反转并产生受激辐射的物质体系。工作物质的分类方式通常有两种:—种是根据工作物质的存在形态分类,工作物质可以是气体、固体、液体及半导体等;另一种是根据速率方程理论分析产生激光的过程时所适用的能级结构,可以分为三能级系统(红宝石激光物质)、四能级系统等(CO2、Nd3+;Y AG、He-Ne等,略)。

CO2激光器是以CO2、N2和He等组成的混合气体为工作物质,激光跃迁发生在CO2分子的两个能级间,其他成分起促进CO2分子的两能级间形成粒子数反转或降低工作物质温度等作用。在固体激光器中,掺有少量过渡金属离子或稀土离子的晶体或玻璃为工作物质,掺杂离子为工作粒子,经外界能量泵浦产生粒子数反转后可产生受激辐射,晶体和玻璃为基质材料。

1.3.2 泵浦源

泵浦源(激励源)是为实现被子数反转提供能量的装置。根据激励时利用的能量形式,泵浦方式有放电激励、光激励、热能激励、化学能激励和核能激励等。

气体放电激励是气体激光器常用的一种激励方式,其激励机理是利用在高电压下,气体分子电离导电,与此同时气体分子(或原子、离子)与被电场加速的电子碰撞,吸收电子能量后跃迁到高能级,形成粒子数反转;除此以外,还可以利用电子枪产生的高速电子去泵浦工作物质,使之跃迁到高能级称为电子束激励。

光激励是利用光照射工作物质,工作物质吸收光能后产生粒子数反转。光激励的光源可采用高效率、高强度的发光灯、太阳能或激光。固体激光器和液体激光器常用光激励方式。激励源为发光灯时,工作物质只对光源光谱区内某些谱线或谱带有较强的吸收,因此为了提高泵浦效率,可利用与工作物质吸收谱对应的激光作为激励源。

1.3.3 光学谐振腔

1) 光学谐振腔的作用

光学谐振腔(简称光腔)是产生激光的外在条件,是激光器重要组成部分。最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当放置两个镀有高反射率的反射镜构成。激光之所以具有方向性、单色性、相干性和高亮度的特点,是与光学谐振腔密不可分的。光学谐振腔具有正反馈和选模的双重作用。所谓正反馈,即初始光强I0在反射镜间往返传播,等效于增加激活介质的长度,最终可保证得到一个确定大小的光强I m。所谓选模,即控制腔内振荡光束的特性,使腔内建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中,从而提高单个模式内的光子数,获得单色性好、方向性好的强相干光。

2) 光学谐振腔与输出激光模式的联系

激光模式分为纵模和横模。纵模为输出激光束在沿光束传播方向的能量空间分布,横模为输出激光束在垂直于光束传播方向的能量空间分布。即光束横截面内的能量空间分布。无论横模还是纵模,都与光学谐振腔息息相关。

1.4 激光的特点

激光是强相干光源,它所辐射的光是一种受激辐射相干光,是在一定条件下光电磁场和激光工作物质相互作用,以及光学谐振腔的选模作用的结果。激光束与普通光相比最突出的特性是它具有高度的方向性、单色性、相干性和高亮度。

(1) 单色性

光源的单色性是指光源谱线的宽窄程度,如果谱线较窄,则说明光源单色性好,反之则单色性差。

(2)方向性

激光束的方向性通常用光束发散角来衡量。激光的方向性比普通光源发出的光好得多。激光束之所以具有方向性强的特点是由于激光器受激辐射的机理和光学谐振腔对光束的方向限制所决定的。

(3) 相干性

光的相干性是指在不同时刻、不同空间点上两个光波场的相关程度。相干性又可分为空间(横向)相干性和时间(纵向)相干性。空间相干性用来描述垂直于光束传播方向上各点之间的相位关系,光束的空间相干性和它的方向性是紧密联系的;而时间相干性则用来描述沿光束传播方向上各点的相位关系,光束的时间相干性和它的单色性亦是紧密联系的。

(4) 高亮度

光源的单色亮度是表征光源定向发光能力强弱的一个重要参量。由于激光具有极好的方向性、单色性,因此单色亮度很高。一台高功率调Q固体激光器亮度比太阳表面高出几百万倍。

1.5 激光加工中普遍涉及的激光输出参数

自1960年激光出现以来,激光已被广泛应用于工业、农业、医学、信息及科学研究中,而激光加工技术则是激光应用中的一个十分重要而又最具活力的方面。激光加工根据不同的加工目的又可分为很多种类,典型的有激光切割、激光焊接、激光淬火、激光合金化、激光冲击强化、激光珩磨等。从实现上述各种加工方法和影响加工效果的角度看,这些加工方法都共同涉及到一些激光输出参数。下面介绍各激光输出参数对激光加工的影响。

1.5.1 激光模式

激光模式表征光波场振幅(或能量)的空间分布。激光横模代表了激光束光场的横向分布规律,激光纵模与激光在光腔内纵向分布规律对应,主要影响激光的频率,二者均会影响激光加工效果。

(1) 纵模

激光纵模决定了激光波长和激光频率。激光加工中所使用的激光波长的大小对激光加工有很强的影响。首先,材料的反射系数和所吸收的能量份额取决于激光波长,激光波长越短,则金属材料的反射系数越小,所吸收的光能就越多。.

(2) 横模

激光横模决定激光光波场在空间的展开程度,高阶模的展开比较宽,低阶模能量比较集中(可用于激光切割)。但是从空间内能量分布的均匀性上来讲,高阶模能量分布较为均匀(用于激光淬火)。

1.5.2 激光输出功率

1.5.3 激光偏振特性

它影响材料的吸收特性,进而影响激光加工时材料吸收能量的份额。在入射角小的情况下,材料表面对激光的反射特性和吸收特性受偏振特性的影响较小,但当入射角较大时,激光的偏振特性对材料的加工过程影响很大。可通过激光变换(变换方位、入射角或圆偏振光等)应加以控制。

1.6 激光加工的特点

1) 无接触加工,能量与扫描速度可调,可实现多种加工;

2) 材料加工范围广;3) 加工过程中无磨损;

4) 热影响区小,变形小;5) 比较灵活;

6) 生产效率高,加工质量稳定。

第2章激光切割

2.1 激光切割技术概述

激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割质量好、热影响区小、加工柔性大等优点在现代工业中得到了极为广泛的应用,激光切割技术也成为激光加工技术中最为成熟的技术之一。

2.1.1 激光切割技术的国内外现状

从工业应用领域来看,金属和非金属的激光切割是激光加工最主要的应用领域,最具代表性的应用是在汽车工业中,从轿车底板的激光拼焊、顶棚的激光焊接、车身覆盖件三维轮廓的激光切割到汽车转向器壳体的激光淬火等,都有大量的应用。据估计,约有60%的汽车零部件可以通过激光加工来提高质量。激光切割过程中无“刀具”的磨损,无“切削力”作用于工件,激光切割板材其切割效率可以提高8—20倍,节省材料15%-30%,可以大幅度降低生产成本,且加工精度高,产品质量可靠。美国、欧洲和日本等工业发达国家的激光加工已经形成了一个新兴的高技术产业,工业激光器和激光加工机的销售逐年递增,应用领域规模不断扩大。由于激光切割发展迅猛,在全球已生产、销售用于激光加工领域的工业激光器中有超过40 %的激光器是用作切割用途的。相对而言,日本在激光加工工艺方面的研究更是走在世界的前列,已经在车门制造过程中将钢板切割,焊接和压模成形一体化,并且取得了很大的进展。

在激光切割工艺研究方面,主要集中于对激光模式、激光输出功率、焦点位置以及喷嘴形状等问题的研究。早在20世纪70-80年代,美国、德国以及日本等国家已经在大量的激光切割工艺试验的基础上,总结激光切割工艺,建立工艺数据库,井着手研究高性能的激光切割系统,90年代初期国外就已经推出了一些高性能的激光切割系统就具有加工参数自动设定的功能。

我国在激光切割方面,目前基本上集中在于板切割,主要是用于覆盖件的下科和样板切割,而在激光三维切割方面的应用研究才开始起步。

2.1.2 激光切割技术的优点

聚焦透镜将激光聚焦至一个很小的光斑,光斑的直径一般为0.1-0.5 mm。焦斑位于待加工表面附近,用以熔化或汽化被切材料。

对不同的材料,切割的方法很多。大部分切割法在切割时都伴随有热过程,被称为热切割法。热切割法主要有三种:氧气切割、等离子弧切割和激光切割法。将三种方法比较,就可看出激光切割技术的优点。

①激光切割的功率密度较高,达106-109W/cm2。切缝宽度小,最小可至0.10 mm,一般也在0.13-0.38 mm范围内,材料的利用率高。并能精确切割形状复杂、有尖角的零件,尺寸精度可达土0.05 mm。

②因为激光作用时间短,所以工件变形少,周边热影响区很小,约为0.08–0.1mm是氧气切割的l/10,等离子弧切割的l/6。

③激光切割时只需定位而不需夹紧、划线、去油等准备工序,因而工件无机械应力及表面损伤。

④适用范围广,能切割易碎的脆性材料,以及极软、极硬的材料;

⑤切口平行度好,表面粗糙度小,切口有棱角,对做冲模有利。

⑥加工灵活性好,既能切割平面工件,又能切割立体工件。可从任何一点开始(先穿孔),切口可向

任何方向行进。

⑦切割速度快,为机械方法的20倍。

⑧激光切割的深宽比高,对于非金属可达100 :1以上,对于金属也可达20:1左右,还可切割不穿透的盲槽。

⑨无工具磨损,易于数控或计算机控制,并可多工位操作。

⑩噪声和振动小,对环境基本无污染。

2.2 激光切割机理

2.2.1 激光切割时切口的形成

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射处的材料迅即熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,同时借与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而实现割开工件的一种热切割方法。其切割过程示意图如图2-2所示

2.2.2 激光切割切口的形式

从切割过程不同的物理形式来看,激光切割大致可分为汽化切割、熔化切割、氧助熔化切割和控制断裂切割四类。

1) 汽化切割

当高功率密度的激光照射到工件表面时,材料在极短的时间内加热到汽化点,部分材料化作蒸气逸去,形成割缝,其功率密度一般为108W/cm2量级,是熔化切割机制所需能量的10倍,这是大部分有机材料和陶瓷所采用的切割方式。

2) 熔化切割

利用一定功率密度的激光加热工件使之熔化、同时依靠与光束同轴的非氧化性辅助气流把孔洞周围的熔融材料吹除、带走,形成割缝。其所需功率密度约为汽化切割的1/10。

3) 氧助熔化切割

利用激光将工件加热至其燃点,利用氧或其他活性气体使材料燃烧,由于热基质的点燃,除激光能量外的另一热源同时产生,同时作为切割热源。

4) 控制断裂切割

通过激光束加热,易受热破坏的脆性材料高速、可控地切断,称之为控制断裂切割。其切割机理可概括为:激光束加热脆性材料小块区域,引起热梯度和随之而来的严重机械变形,使材料形成裂缝。控制断裂切割速度快,只需很小激光功率,功率太高会造成工件表面熔化,并破坏切缝边缘。控制断裂切割主要可控参数是激光功率和光斑尺寸。

2.3 激光切割的工艺分析

激光切割是熔化与汽化相结合的过程,影响其切割质量的因素很多,除了机床、加工材料等硬件因素之外,其他软件因素也对其加工质量有很大的影响。根据实际切割中出现的问题,结合激光切割本身的特点,研究这些软件因素对加工质量的影响正是计算机辅助工艺设计的基本内容,具体包括以下几点:

①打孔点的选择,根据实际情况确定打孔点的位置;

②辅助切割路径的设置(图2-7);

③激光束半径补偿和空行程处理;

④通过板材优化排样来节省材料尽可能提高板材利用率;

⑤结合零件套排问题的路径选取;

⑥考虑热变形等加工因素影响后的路径。

2.4 激光切割的质量评价

2.4.1 激光切割零件的尺寸精度

在一般材料的激光切割过程中,由于切割速度较快,零件产生的热变形很小,切割零件的尺寸精度主要取决于切割设备的数控工作台的机械精度和控制精度。

在脉冲激光切割加工中,采用高精度的切割装置与控制技术,尺寸精度可达微米量级。在连续激光切割时,零件的尺寸精度通常在土0.2 mm,个别的达到士0.1mm。

2.4.2 激光切割的切口质量

目前国际上对激光切割的质量评价还没有一个统一的标准。

2.5 影响激光切割质量的因素

影响激光切割质量的因素很多,除了切割参数和工件本身特性的影响以外,还同照射功率密度、外光路系统、喷嘴直径和喷嘴与工件表面间距等影响因素有关。

综合国内外大量的理论研究和实验分析,影响激光切割质量的主要因素可以分为两类:

①加工系统性能和光的影响;

②加工材料因素和工艺参数的影响。

2.6 常用工程材料的激光切割

2.6.1 金属材料的激光切割

1) 碳钢

低碳钢板的激光切割是激光切割技术应用最广泛的领域。通常,厚度在l0mm以内碳钢钢板可良好地进行氧助激光切割。

2)不锈钢

与低碳钢相比,不锈钢切割需要的激光功率和氧气压力都较高,而且,不锈钢切割虽可达到较满意的切割效果,但却很难获得完全无粘渣的切缝。

3) 铝合金

由于铝合金对波长为10.6 um的CO2激光高的反射率和热导率,因此铝合金的起切十分困难,其激光切割需要比钢更高的激光束能量密度来克服阀值,形成初始空洞开始切割过程,一旦这种汽化空洞形成,它就像钢一样对激光有极大的吸收率。

4) 钛及合金

根据国内已有的切割经验,由于钛与氧化学反应激烈,切割过程喷氧易引起过烧,故宜采用喷压缩空气,以保证钛切割质量。激光切割Ti-6Al-4V钛合金构件,切割速度快,切边不需要抛光,底部切边有少许粘渣,也很容易清除。

5) 铜合金与镍基合金

铜与铝相似,对CO2激光具有高反射率并具有高的热导率,纯铜由于具有很高的反射率,用CO2激光切割的速度很慢。黄铜(铜合金)切割时要采用较高的激光功率,辅助气体采用空气或氧。

对镍基合金也可以进行激光切割,随合金成分的不同,切割速度大约为切割同等厚度不锈钢的切

割速度的0.5—1.0倍。

2.6.2 非金属材料的激光切割

非金属材料是10.6 μm波长CO2激光束的良好吸收体,由于其热导率小,热量的传导损失很小,几乎能吸收全部入射光束能量,并很快使材料蒸发,在光斑照射处形成起始孔洞,进入切割过程的良性循环。

1) 有机材料(1) 木材切割(2) 塑料切割

2) 无机材料(1) 石英切割(2) 陶瓷切割

导热性差和几乎没有塑性的陶瓷材料,一般的冷、热加工都很因难。激光切割陶瓷与氧助切割金属材料的机制迥然不同,它属于可控导向断裂。当激光束顺着预定的切割方向加热时,在光点周围很小区域引起定向的加热梯度和随之生成的高机械应力。这种高应力使陶瓷这类脆性材料形成小裂缝。只要工艺参数选择并控制恰当,裂缝将严格沿着光束移动方向不断形成,从而把材料切断。如微电子装置用的刚玉材料,用250W功率的激光束就能精确地在指定部位切出要求尺寸,切割后无质点撕裂,也不需要后续处理。

图2-42表示切割l mm厚的A12O3陶瓷片时激光工艺参数关系。陶瓷切割采用较小激光输出功率进行。在不同功率控制下,切割速度可在较宽范围选择。试验表明,在连续CO2激光束条件下,切勿采用高功率,否则,将导致材料无规则龟裂而使切割失败。

用于涡轮发动机上的硬脆陶瓷(如氮化硅),其激光切割速度要比砂轮切割高10倍,它既无刀具损耗,且可切出任何形状。

(3)有机玻璃切割

透明有机玻璃由纯聚甲基丙烯酸制成,在激光切割时,汽化为甲基丙烯酸甲脂。如果吹走汽化物的空气流的压力足够低(10kPa),则切口可以很清澈。如果气流压力较高,将在熔融材料中形成涡流,使熔融材料固化在切口上。在这种情况下,沿着切口上部1mm左右可以看到白色不透明的带。

2.6.3 复合材料的切割

复合材料有不同类型,即有不同的组合。对性质相同的两种或多种材料组合,一般激光切割并不困难。对两种切割性能完全不同的材料组合,总的原则是先切割具有较好切割性能的材料的那一面,这样比较容易获得好的切割质量。

在电线电缆工业中,为了连接电缆或从废电线上回收缆心,需要除去电缆外包塑料层。利用铜心对激光高的反射率和它本身的高热导串,在激光束照射下,铜缆的外包绝缘层可很方便地切去,而铜心本身围不能被切割而保存下来。

2.7 激光切割安全

激光具有很高的能量密度和功率,激光装置中存在数万伏的高压,因此激光切割时必须注意安全,避免发生各种人身伤害事故。

2.7.1 激光对人体的危害

(1) 对人体眼睛的伤害

(2) 对皮肤的伤害

(3) 有害气体

2.7.2 激光切割的安全防护

(1) 激光切割设备的安全防护

激光器设备可靠接地,维修门应有连锁装置,电容器组有放电措施。在激光加工设备上应设有明显得危险警告标志和信号灯。由于CO2激光人眼看不见,激光的光路系统应尽可能全部封闭,且设置于较高的位置,特别是外光路系统应用金属管封闭传递,以防止对人体的直接照射。

(2) 对人身的保护

现场工作人员必须佩戴对激光不透明的防护眼镜,其滤光镜要根据不同的激光波长选用。对于波长为10.6um的CO2激光,可佩戴侧面有防护的普通眼镜或太阳镜。激光加工区工作人员应尽量穿白色的工作服,以减少激光漫反射的影响。

2.8 激光切割技术的发展

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术,由于具有诸多特点,已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门。近年来,激光切割技术发展很快,国际上每年都以20%-30%的速度增长。我国自1985年以来,更以每年25%以上的速度增长。由于我国激光工业基础较差,激光加工技术的应用尚不普通,激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。

①伴随着激光器向大功率发展以及采用高性能的CNC及伺服系统,使用高功率的激光切割可获得高的加工速度,同时减小热影响区和热畸变;所能够切割的材料板厚也将进一步地提高。高功率激光可以通过使用Q开关或加载脉冲波,从而使低功率激光器产生出高功率激光。

②根据激光切割工艺参数的影响情况,改进加工工艺。

③激光切割将向高度自动化、智能化方向发展。

④根据加工速度自适应地控制激光功率和激光模式或建立工艺数据库和专家自适应控制系统使得激光切割整机性能普遍提高。

⑤向多功能的激光加工中心发展,将激光切割、激光焊接以及热处理等各道工序后的质量反馈集成在一起,充分发挥激光加工的整体优势。

⑥三维高精度大型数控激光切割机及其切割工艺技术,为了满足汽车和航空等工业的立体工件切割的需要,三维激光切割机正向南效率、高精度、多功能和高适应性方向发展,激光切割机器人的应用范围将会愈来愈大。

第三章激光焊接

3.1 激光焊接的发展

目前,常用的激光加工技术和其对应的能量范围如图3-1所示。

激光焊接技术经历由脉冲波向连续波的发展,有效功率薄板焊接向大功率厚件焊接发展,由单工作台单工件加工向多工作台多工件同时焊接发展,以及由简单焊缝形状向可控的复杂焊缝形状发展,激光收集物质也包含了多种气体和固体晶体。激光焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而发展,目前,激光焊接技术己在航空航天、武器制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。很多学者将激光加工连同电子束加工和离子束加工并称为21世纪最具发展前景及最有效的加工技术。

早期的激光焊接研究试验大多数是利用红宝石脉冲激光器,当时虽然能够获得较高的脉冲能量,但是这些激光器的平均输出功率却相当低,这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性所决定的。目前,激光焊接主要使用CO2激光器和Nd:Y AG激光器。Nd:YAG激光器由于具有较高的平均功率,在它出现之后就成为激光点焊和激光缝焊的优选设备。

随着千瓦级连续CO2激光器焊接试验的成功,激光焊接技术在20世纪70年代初取得突破性进展。在大厚度不锈钢试件上进行CO2激光焊接,形成了穿透熔深的焊缝,从而清楚地表明了小孔的形成,而且激光焊接产生的深熔焊封与电子束焊接相似。

Nd:Y AG激光器比CO2激光器更适合焊接高反射率的材料(如黄铜合金和铝合金等),这是由于Nd:YAG激光比CO2激光具有更短的波长,从而可获得较高的功率密度。值得注意的是,对于相同的平均功率,脉冲Nd;YAG激光比连续Nd:Y AG可获得更大的熔深。

在航空工业以及其他许多应用中,激光焊接能够实现很多类型材料的连接,而且激光焊接通常具有许多其他熔焊工艺所无法比拟的优越性,尤其是激光焊接能够连接航空与汽车工业中比较难焊的薄板合金材料,如铝合金等,并且构件的变形小,接头质量高,重现性好。

激光加工的另一项具有吸引力的应用方面是利用了激光能够实现局部小范围加热的特性,激光所具有的这种特点使其非常适合于印刷电路板一类的电子器件的焊接,激光能在电子器件上非常小的区域内产生很高的平均温度,而接头以外的区域则基本不受影响。

3.2 激光焊接的原理及过程

3.2.1 激光焊接的原理

按激光束的输出方式的不同,可以把激光焊分为脉冲激光焊和连续激光焊。若根据激光焊时焊缝的形成特点,又可以把激光焊分为热导焊和深熔焊。前者使用激光功率低,熔池形成时间长,且熔深浅,多用于小型零件的焊接;后者使用的激光功率密度高,激光辐射区金属熔化速度快,在金属熔化的同时伴随着强烈的汽化,能获得熔深较大的焊缝,焊缝的深宽比较大,可达12:1。图3—4表明了熔化过程的演变。

激光焊接时,激光通过光斑向材料“注入”热量(激光光斑直径小于l mm),材料的升温速度很快,表面以下较深处的材料能在极短的时间内达到很高的温度。焊件的穿透深度可以通过激光的功率密度来控制。

穿透深度可以通过激光的功率密度来控制。经验表明,合理聚焦的1 kW的激光束,以l m/min的速度焊接钢件时可以获得熔深1.5 mm的焊缝。激光焊输入的热量明显低于电弧焊和气焊,可以获得近似垂直的深而窄的焊缝、且热影响区窄,焊件变形小。对钢板的焊接,当功率密度为l04W/mm2时焊接速度可以达到每分钟数十米。由于功率密度高可以是多层薄钢板一次实现焊接。激光束斑的直径较小,可以准确地对准焊件上的焊点,由于激光焊的焊接接头没有严重的应力集中,表现出良好的抗疲劳性能和高的抗拉强度。

(1) 传热焊

采用的激光光斑功率密度小于105W/cm2时,激光将金属表面加热到熔点和沸点之间。焊接时,金属材料表面将所吸收的激光能转变为热能,使金属表面温度升高而熔化,然后通过热传导方式把热能传向金属内部,使熔化区逐渐扩大,凝固后形成焊点或焊缝,其熔深轮廓近似为半球形,这种焊接机理称为传热焊。其特点是:激光光斑的功率密度小,很大一部分光被金属表面所反射,光的吸收率较低,焊接熔深浅,焊接速度慢。主要用于薄(厚度<1 mm)、小工件的焊接加工。

(2) 深熔焊

当激光光斑上的功率密度足够大时(>106W/cm2),金属在激光的照射下被迅速加热,其表面温度在极短的时间内升高到沸点,使金属熔化或汽化,产生的金属蒸气以一定速度离开熔池,选出的蒸气对熔化液态金属产生一个附加压力,使熔池金属表面向下凹陷,在激光光斑下产生一个小凹坑。当光束在小孔底部继续加热时,所产生的金属蒸气一方面压迫坑底的液态金属使小坑进一步加深,另一方面,向坑

外飞出的蒸气将熔化的金属挤向熔池四周,此过程连续进行下去,便在液态金属中形成一个细长的孔洞。当光束能量所产生的金属蒸气的反冲压力与液态金属的表面张力和重力平衡后,小孔不再继续加深,形成一个深度稳定的孔而进行焊接,因此称之为激光深熔焊。

如果激光功率足够大而材料相对较薄,激光焊形成的小孔贯穿整个板厚且背面可以接受到部分激光,这种方法也可称之为薄板激光小孔效应焊。从机理上看,这两种焊接方法的前提都是焊接时存在小孔,两者没有本质的区别,小孔周围为熔池金属所包围,熔化金属的重力及表面张力有使小孔弥合的趋势,而连续产生的金属蒸气则力图维持小孔的存在。随光束的运动,小孔将随着光束运动但其形状和尺寸却是稳定的。

3.2.2 激光焊接的特点

激光焊接的显著特征是大熔深、窄焊道、小热影响区以及高功率密度。

①聚焦后的激光具有很高的功率密度(105-107W/cm2或更高),焊接以深熔方式进行;由于激光加热范围小(<1mm),在同等功率和焊接厚度条件下,焊接速度高,热输入小,热影响区小,焊接应力和变形小。

②激光能发射、透射,能在空间传播相当距离而衰减很小,可以进行远距离或一些难以接近的部位的焊接,激光可通过光导纤维、棱镜等光学方法弯曲传输、偏转、聚焦,特别适合于微型零件及可达性很差部位的焊接。

③一台激光器可供多个工作台进行不同的工作,既可用于焊接,又可用于切割和热处理,一机多用。

④激光在大气中损耗不大,可以穿过玻璃等透明物体,适用于在玻璃制成的密封容器里焊接铍合金等剧毒材料;激光不受电磁场影响,不存在X射线防护,也不需要真空保护。

⑤可以焊一般焊接方法难以焊接的材料,如高熔点金属等,甚至可用于非金属材料的焊接,如陶瓷、有机玻璃;焊后无需热处理,适合于某些对热输入敏感的材料的焊接。

⑥属于非接触焊接,接近焊区的距离比电弧焊的要求低,焊区材料的疲劳强度比电子束高。与电子束焊相比,不需要真空设备,而且不产生x射线,也不受磁场干扰。

⑦目前影响大功率激光焊扩大应用的主要障碍是:激光特别是高功率连续激光器,价格昂贵;对焊件加工、组装、定位要求很高;激光器的电光转换及整体效率很低。

3.3 激光焊接的分类及其实现方式

根据激光对工件的作用方式或激光束输出方式的不同,可以把激光焊接分为脉冲激光焊接和连续激光焊接。前者形成一个个圆形焊点,后者形成一条连续的焊缝。脉冲焊接时,输入到工件上的能量是断续的、脉冲的。脉冲激光焊中大量使用的脉冲激光器主要是YAG激光器。

根据实际作用在工件上的功率密度或激光焊接时焊缝的形成特点,又可以把激光焊接分为热传导焊接和深熔焊接(小孔激光焊接)两类。热传导激光焊,激光功率密度较低,一般小于106W/cm2,而深熔焊接功率密度较大,一般大于或等于106W/cm2。

一.脉冲激光焊

脉冲激光焊类似于点焊,每个激光脉冲在金属上形成一个焊点,主要应用于微型、精密元件和微电子元件的焊接。脉冲激光焊工艺和参数如下。

二.热传导焊接

热传导型激光焊接,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于激光焊接加热速度快、焊点小、焊缝窄、热影响区小,因而焊接变形小,精度高,焊接质量也很好,目前在汽车、飞机等有代表性的工业制造部门中,已经大量采用了这种方法。激光焊接时,由于不与被焊材料接触,所以

能焊接难于接近的部位,而且还可以通过透明材料的壁甚至水下进行焊接。它能把绝缘材料和导体材料直接焊接,能焊有色金属,也能焊异种金属。一般情况下,激光材料焊接时无需其他复杂的辅助设备和环境。

三.激光深熔焊

激光深熔焊一般采用连续激光束的连接过程,其冶金物理过程与电子束焊极为相似,即能量转换机制是通过小孔结构来完成。在足够高的功率密度光束照射下,材料产生蒸发产生小孔。这个充满蒸气的小孔犹如一个黑体,几乎全部吸收入射光束能量,孔腔内平衡温度达到25000℃左右,热量从这个高温孔腔外壁传递出来,使包围着这个孔腔四周的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸气,小孔四壁包围着熔融金属,液态金属四周包围着固体材料(面在大多数常规焊接过程和激光传导焊中,能量首先沉积于工件部表面,然后靠传导输送到内部)。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸气压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔,小孔外材料在连续流动,随着光束移动,小孔始终处于流动的稳定状态。就是说,小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动,熔融金属填充着掀开移开后留下的空隙并随之冷凝,焊缝于是形成。上述过程的所有这一切发生得如此快,使焊接速度很容易达到每分钟数米。

3.4 激光焊接设备

3.4.1 激光焊接设备的组成

目前,进行工业加工的激光器,主要是固体激光器和气体激光器两大类,按输出方式可分为脉冲激光器和连续激光器。不管采用哪种焊接设备,它们的组成大都相似,图3—6是激光焊接设备组成框图。

(1) 激光器;

(2) 光学系统;

(3) 激光加工机;

(4) 辐射参数传感器;

(5) 工艺介质输送系统;

(6) 工艺参数传感器;

(7) 控制系统;

(8) 准直用He—Ne激光器。

不同CO2激光器的性能特征见表3—2。

①激光器CO2激光器按照气冷方式分为低速轴流型、高速轴流型、横流型及早期的封闭型。

②光束传输和聚焦系统又称为外部光学系统,用来把激光束传输并聚焦在工件上,其端部安装提供保护或辅助气流的焊炬或割炬。

③气源目前的CO2激光器采用He、N2、CO2混合气体作为工作介质。

④电源为保证激光器稳定运行,均采用快响应、恒稳性高的固态电子控制电源。

⑤工作台伺服电机驱动的工作台可供安放工件实现焊接或切割。

⑥控制系统多采用数控系统。

3.4.2 激光焊接设备现状

用于焊接的激光器主要包括CO2激光器,Y AG激光器及二极管泵浦激光器等。表3—3所示为激光作为热源的焊接设备的种类与特征。近来大功率激光设备的开发备受关注。

3.4.3 典型的激光加工设备

1) 激光器

选择激光器主要考虑的因素如下:

①较高的额定输出功率;②宽阔的功率调节范围;

③功率渐升、渐降(衰减)功能,以保证焊缝起始和结束处的质量;

④激光横模(TEM),横模直接影响聚焦光斑直径和功率密度,基模焦点处的功率密度要比多模光束高两个数量级。对于厚件的焊接,通常选用5 kW以上的多模激光器。

2) 导光的聚焦系统

聚焦是激光加工中最常见的一种光学处理,聚焦系统可能只有一个镜片,也可能是由多个镜片组成。

抛物镜聚焦系统: 一般用金刚石车床加工,其轮廓精度优于0.4μm,对CO2激光的反射率可以达到99 %抛物镜聚焦效果较好,平面镜—透镜聚焦系统激光经过一块平面反射镜折射后由透镜聚焦其聚焦效果优于抛物镜聚焦,是高精密度激光焊接的光路。经常用于大功率激光焊接。

球面反射镜聚焦系统行三种主要形式。它由环形平面镜和球面反射镜组成,通常用于环形光斑的聚焦。其工作原理是,由激光器射出的环形激光经环形平面镜45℃反射到达球面镜,由球面镜聚焦的光束经环形平面镜的中心孔到达工作,实现加工。该聚焦系统适合于焊接环形焊缝。

3)光束光纤传输系统(图3-10)

4)加工机

加工机的光束与工件的相对运动形式主要有以下两种。

①激光束不动,工件运动对大重量的工件,其运动惯性大,不宜采用

这种运动方式。

②激光束运动,工件因定不动光束的运动是通过反射镜、透射镜或聚

焦镜等光学部件的运动来实现的。该运动方式适合于较重工件的加工。

功能良好的加工机运动维数一般在五维以上,可以加工复杂零件。

3.5 激光焊接工艺

3.5.1 脉冲激光焊工艺参数

①选择适合焊接的激光模式。激光模式是指输出的激光束断面上能量分布情况,模数越低,能量分布越集中,越适合焊接。TEM00称为基模,能量最集中,是激光点焊最常用的模式。

②脉冲激光点焊用于薄膜板的连续密封焊缝时,焊接速度为:

3.5.2 连续激光焊工艺参数

连续激光焊工艺参数

机械工程材料及热加工工艺试题及答案

一、名词解释: 1、固溶强化:固溶体溶入溶质后强度、硬度提高,塑性韧性下降现象。 2、加工硬化:金属塑性变形后,强度硬度提高的现象。 2、合金强化:在钢液中有选择地加入合金元素,提高材料强度和硬度 4、热处理:钢在固态下通过加热、保温、冷却改变钢的组织结构从而获得所需性能的一种工艺。5、细晶强化:晶粒尺寸通过细化处理,使得金属强度提高的方法。 二、选择适宜材料并说明常用的热处理方法 三、(20分)车床主轴要求轴颈部位硬度为HRC54—58,其余地方为HRC20—25,其加工路线为:

下料锻造正火机加工调质机加工(精) 轴颈表面淬火低温回火磨加工 指出:1、主轴应用的材料:45钢 2、正火的目的和大致热处理工艺细化晶粒,消除应力;加热到Ac3+50℃保温一段时间空冷 3、调质目的和大致热处理工艺强度硬度塑性韧性达到良好配合淬火+高温回火 4、表面淬火目的提高轴颈表面硬度 5.低温回火目的和轴颈表面和心部组织。去除表面淬火热应力,表面M+A’心部S回 四、选择填空(20分) 1.合金元素对奥氏体晶粒长大的影响是(d) (a)均强烈阻止奥氏体晶粒长大(b)均强烈促进奥氏体晶粒长大 (c)无影响(d)上述说法都不全面 2.适合制造渗碳零件的钢有(c)。 (a)16Mn、15、20Cr、1Cr13、12Cr2Ni4A (b)45、40Cr、65Mn、T12 (c)15、20Cr、18Cr2Ni4WA、20CrMnTi 3.要制造直径16mm的螺栓,要求整个截面上具有良好的综合机械性能,应选用(c )(a)45钢经正火处理(b)60Si2Mn经淬火和中温回火(c)40Cr钢经调质处理 4.制造手用锯条应当选用(a ) (a)T12钢经淬火和低温回火(b)Cr12Mo钢经淬火和低温回火(c)65钢淬火后中温回火 5.高速钢的红硬性取决于(b ) (a)马氏体的多少(b)淬火加热时溶入奥氏体中的合金元素的量(c)钢中的碳含量6.汽车、拖拉机的齿轮要求表面高耐磨性,中心有良好的强韧性,应选用(c )(a)60钢渗碳淬火后低温回火(b)40Cr淬火后高温回火(c)20CrMnTi渗碳淬火后低温回火 7.65、65Mn、50CrV等属于哪类钢,其热处理特点是(c ) (a)工具钢,淬火+低温回火(b)轴承钢,渗碳+淬火+低温回火(c)弹簧钢,淬火+中温回火 8. 二次硬化属于(d) (a)固溶强化(b)细晶强化(c)位错强化(d)第二相强化 9. 1Cr18Ni9Ti奥氏体型不锈钢,进行固溶处理的目的是(b) (a)获得单一的马氏体组织,提高硬度和耐磨性

激光陶瓷

激光陶瓷 引言 激光透明陶瓷是在近年来蓬勃发展起来的新型激光材料,目前,市场上激光材料以Nd:YAG(钕钇铝石榴石)单晶和钕玻璃为主。透明陶瓷作为激光材料,和单晶比:具有掺杂浓度高、掺杂均匀性好、烧结温度低、周期短、成本低、质量可控性强、尺寸大、形状自由度大、可以实现多层、多功能激光器;和玻璃比:单色性好、结构组成更为理想、热导率高、可承受的辐射功率高。作为激光工作物质的陶瓷材料。如掺钕的透明氧化钇陶瓷。在Y2O3(三氧化二钇)中加入少量ThO2(二氧化钍)和微量Nb2O5(五氧化二铌)。它比激光玻璃材料导热性能好,比单晶激光材料容易制造,便于制成大尺寸。有可能做成中等增益的高平均脉冲功率的激光物质中国、美国和欧洲很多国家的科研工作者都投身到激光陶瓷的研究中去,大家关注的不仅是激光陶瓷的制备技术,还包括未来固体激光技术的发展。中科院上海硅酸盐研究所经过6年数百次实验,终于研制出国内第一块“透明陶瓷之王”——激光陶瓷,使我国成为世界上继日本之后第二个掌握激光陶瓷材料制备专利技术的国家。 通常,陶瓷都不是透明的,这是因为普通陶瓷中充满着无数微气孔。这些气孔会对光线产生极强的折射和散射,致使几乎所有光线都无法通过陶瓷。如果能把这些气孔赶走,陶瓷就能变得如玻璃般晶莹剔透这块“上海制造”的透明陶瓷采用高纯纳米原料,经过球磨混合、煅烧干燥等工艺,在1650?-1780?真空条件下保温10小时以上烧结而成,尺寸仅为3×3×3立方毫米。从外观上看,这块黄豆大小的陶瓷完全可与玻璃以假乱真。而它的不寻常之处更在于,能在短时间内射出一道炫目激光。

据上海硅酸盐研究所研究员潘裕柏介绍,在一般应用中,由透明陶瓷的微结构所带来的轻微折射,并不影响其透光率,但当方向性极强的激光穿过透明陶瓷时,任何微小的折射都会使光线急转弯,造成致命误差。因此,激光陶瓷从最基本的单元“晶胞”开始,就 与众不同,而这正是新材料领域比拼国家科研实力的“试金石”。除了高透光性,透明陶瓷还具有高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温等性能,其“综合素质”远超一般光学材料。比如,用透明陶瓷制成的高压钠灯,其平均寿命比普通白炽灯长10倍,是目前使用寿命最长的灯用作飞行器、装甲车或汽车的陶瓷风挡,其防弹效果是传统胶合玻璃的2倍,重量却只有防弹玻璃的1/2。据悉,这块国产激光陶瓷现已申请专利3项,其中1项获授权,而尺寸更大、输出功率更强的“升级版”也在研发之中。 陶瓷激光材料:从日本科学家A.Ikesue博士首次报道Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)透明陶瓷实现连续激光输出至今已经有14个年头了,期间激光陶瓷领域也得到了迅猛的发展,但目前代表激光陶瓷最高水平的仍然是A.Ikesue博士的Word Lab公司和日本神岛化学公司(Konoshima)。2008年,A.Ikesue博士在Nature Photonics上发表了题为“Ceramics laser materials”的综述性文章(Nature Photonics/ VOL 2/ DECEMBER 2008),让我们随着他的思路来回顾一下激光陶瓷的发展历程,分享激光陶瓷领域的重大结果,并且展望一下激光陶瓷的前景。 固体激光器已经被广泛应用在金属加工、医疗设备、激光打印、环境检测和光学器件上,同时它也是下一代激光核聚变的点火装置。单晶和玻璃是传统意义上的固体激光增益介质,早在1960年,梅曼(Maiman)制成了世界上第一台激光器——红宝石激光。自从1964年Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)单晶在室温下实现连续激光输出后,使用单晶作为激光增益介质的固体激光不断向前发展,然而传统的单晶激光增益介质在技术和生产成本上仍有很多问题有待解决。最近,陶瓷激光技术由于具

工程材料的激光加工

激光加工技术 1)CO2和Nd:YAG激光器。 激光器 1.Nd:YAG激光器 N d:Y A G激光器的激光工作物质为固态的N d:Y A G棒,其激光波长为1.06μm。由于该种激光器的激光转换效率较低,同时受到Y A G棒体积和导热率的限制,其激光输出平均功率不高。但由于N d:Y A G激光器可以通过开关压缩激光输出的脉冲宽度,在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率(108W),适用于需要高峰值功率的激光加工应用;N d:Y A G 激光器另一大优点是可以通过光纤传输,避免了复杂传输光路的设计制作。 2.CO2激光器 C O2激光器的激光工作物质为C O2混合气体,其主要应用的激光波长为10.6μm。由于该种激光器的激光转换效率较高,同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外,其激光输出平均功率可以做到很高的水平,满足大功率激光加工的要求。国外用于激光加工的大功率C O2激光器,主要是横流、轴流激光器。横流激光器的光束质量不太好,为多模输出,主要用于热处理和焊接;轴流激光器的光束质量较好,为基模或准基模输出,主要用于激光切割和焊接。 由于CO2和Nd:YAG激光器具有巨大的功率输出,能够通过热积累效应使得大量热能沉积在辐照区域导致材料熔融、蒸发、去除。用这种激光作用到加工材料上时,由于光波产生的电磁场与材料要相互作用,光能可以转化为热能并进一步转化为化学热、机械能,因此材料的被加工区域通常会发生升温、熔化、汽化、等离子化等多种物理或化学变化,所以可以被广泛用于切割、打孔、焊接、淬火和切削加工等机械制造领域。 激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,已成为企业实行适时生产的关键技术,为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括:激光切割技术、激光焊接技术、激光热处理和表面处理技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光打标技术、、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术等。 激光切割 激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑照射工件,材料吸收光能,温度急剧升高,将材料快速加热至熔化或气化温度,再用喷射气体吹化,以此分割材料。在这一过程中,当激光照射工件表面时,一部分光被工件吸收,另一部分光被工件反射。吸收部分转化为热能,使工件表面温度急剧升高,材料熔化或气化,同时,产生黑洞效应,使材料对光的吸收率提高,迅速加热熔化或气化切割区材料。此时吹氧可以助燃,并提供大量的热能,使切割速度提高等。切割宜用连续输出激光器。特点:激光可切割特硬、特脆及特软材料、高熔点的难加工材料;切缝宽度很窄; 切割表面光洁; 切割表面热影响层浅,表面应力小; 切割速度快,热影响区小; 无机械变

激光切割加工工艺与传统加工工艺的区别

激光切割加工工艺与传统加工工艺的区别 随着钣金加工工艺的飞速发展,加工工艺也是日新月异,给钣金加工带来了许多革命性的理念。作为传统的钣金切割设备,主要有: 1、数控剪床 2、冲床 3、火焰切割 4、等离子切割 5、高压水切割 这些设备在市场上占有相当大的市场份额,一则他们熟为人知,二则价格便宜,虽然他们相对于激光切割等现代工艺来说劣势非常 明显,但他们也各自有自己独特的优势。 数控剪床由于其主要是直线裁剪,虽然能一刀剪长达4米的板材,但它只能用在只需要直线切割的钣金加工上。一般用在板材开平后 裁剪等仅仅需要直线切割的行业中。 冲床在曲线加工上有了更多的灵活性,一台冲床中可以有一套或多套方、圆或其他特殊要求的冲头,可以一次加工出一些特定的钣 金工件,最常见的就是机箱机柜行业,他们要求的加工工艺主要是 直线、方孔、圆孔之类的切割,图案相对简单固定。他们主要面对 的是2mm以下的碳钢板,幅面一般在2.5m×1.25m。厚度在1.5mm 以上的不锈钢由于材质粘度太大比较费模具,一般是不使用冲床的。其优点是对简单图形和薄板加工速度快,缺点是冲厚钢板时能力有限,即使能冲也是工件表面有塌陷,费模具,模具开发周期长,费 用高,柔性化程度不够高。国外超过2mm以上的钢板切割加工一般 都使用更现代的激光切割,而不使用冲床,一则厚钢板冲剪时表面 质量不高,二则冲厚钢板需要更大吨位的冲床,浪费资源,三则冲 厚钢板时噪音太大,不利于环保。

火焰切割作为最初的传统的切割方式由于其投资低,过去对加工质量要求不高,要求太高时再加一道机加工的工序可以解决,市场保有量非常大。现在它主要用来切割超过40mm的厚钢板。它的缺点是切割时热变形太大,割缝太宽,浪费材料,再者加工速度太慢,只适合粗加工。 等离子切割和精细等离子切割跟火焰切割类似,热影响区太大,精度却比火焰切割大许多,速度也有数量级的飞跃,成为了中板加工的主力军。国内顶级的数控精细等离子切割机的实际切割精度的上线已经达到了激光切割的下限,在切割22mm碳钢板时达到了2米多每分钟的速度,且切割端面光滑平整,斜度最好的可控制在1.5度之内,缺点是在切割薄钢板时热变形太大,斜度也较大,在精度要求高时无能为力,消耗品较为昂贵。 高压水切割是利用高速水射流中掺杂金刚砂实行对钣金的切割,它对材质几乎没有限制,切割的厚度也几乎可达100mm以上,对陶瓷、玻璃等用热切割时容易爆裂的材质也可以切割,铜、铝等对激光高反射材料水刀是可以切割的,而激光切割却有较大的障碍。水切割的缺点是加工速度太慢,太脏,不环保,消耗品也较高。 激光切割是钣金加工的一次工艺革命,是钣金加工中的“加工中心”。激光切割柔性化程度高,切割速度快,生产效率高,产品生产周期短,为客户赢得了广泛的市场。激光切割无切削力,加工无变形;无刀具磨损,材料适应性好;不管是简单还是复杂零件,都可以用激光一次精密快速成形切割;其切缝窄,切割质量好、自动化程度高,操作简便,劳动强度低,没有污染;可实现切割自动排样、套料,提高了材料利用率,生产成本低,经济效益好。该技术的有效生命期长,目前在国外超构2毫米的板材大都采用激光切割,许多国外的专家一致认为今后30-40年是激光加工技术发展的黄金时期(是钣金加工发展的方向)。 切割精度是判断数控激光切割机质量好坏的第一要素。影响数控激光切割机的切割精度的四大因素: 1.激光发生器的激光凝聚的大小。聚集之后如果光斑非常小,则切割精度非常高,要是切割之后的缝隙也非常小。则说明激光切割

激光加热Al2O3陶瓷温度场特性研究

西安建筑科技大学硕士学位论文 目录 1.绪论 (1) 1.1陶瓷的分类、性能及应用 (1) 1.1.1陶瓷的分类 (1) 1.1.2工程陶瓷材料性能及应用 (2) 1.1.3Al2O3陶瓷材料简介 (3) 1.2工程陶瓷材料的加工技术 (4) 1.2.1机械加工 (5) 1.2.2特种加工 (5) 1.2.3复合加工 (7) 1.3激光加工技术 (7) 1.3.1激光加工技术简介 (7) 1.3.2国内外研究现状 (9) 1.4本文研究的内容和目标 (11) 1.5论文的主要工作及创新点 (11) 2.激光加热Al2O3陶瓷热传导模型的建立 (13) 2.1热传导模型简介 (13) 2.1.1热传递的基本方式 (13) 2.1.2热传导方程 (15) 2.1.3边界条件与初始条件 (16) 2.2激光加热Al2O3陶瓷温度场模型的建立 (18) 2.2.1激光光源的特征 (18) 2.2.2计算传热模型的基本假设 (19) 2.2.3Al2O3陶瓷的主要热物理性能参数 (20) 2.3本章小结 (22) 3.连续激光加热Al2O3陶瓷的温度场分布 (23) 3.1连续激光加热Al2O3陶瓷的温度场 (23) 3.1.1连续激光加热长方体Al2O3陶瓷温度场的计算 (23) I 万方数据

西安建筑科技大学硕士学位论文 II 3.1.2连续激光加热圆棒Al2O3陶瓷温度场的计算 (30) 3.2温度场特性分析 (39) 3.2.1长方体Al2O3陶瓷温度场分布 (39) 3.2.2圆棒Al2O3陶瓷温度场分布 (42) 3.3不同因素对Al2O3陶瓷温度场的影响 (43) 3.3.1不同因素对长方体Al2O3陶瓷温度场的影响 (43) 3.3.2不同因素对圆棒Al2O3陶瓷温度场的影响 (45) 3.4本章小结 (46) 4.脉冲激光加热Al2O3陶瓷的温度场分布 (47) 4.1脉冲激光加热Al2O3陶瓷的温度计算 (47) 4.1.1脉冲激光加热长方体Al2O3陶瓷温度的计算 (47) 4.1.2脉冲激光加热圆棒Al2O3陶瓷温度的计算 (51) 4.2温度场特性分析 (55) 4.2.1长方体Al2O3陶瓷温度场分布 (55) 4.2.2圆棒Al2O3陶瓷温度场分布 (56) 4.3不同因素对温度场的影响 (57) 4.3.1不同因素对长方体Al2O3陶瓷温度场的影响 (57) 4.3.2不同因素对圆棒Al2O3陶瓷温度场的影响 (59) 4.4本章小结 (60) 5.总结与展望 (61) 致谢 (63) 参考文献 (64) 附录研究生学习阶段发表论文及获奖情况 (68) 万方数据

激光在材料加工中的应用

激光技术在材料制备与加工中的应用 激光技术发展概述 激光最大的应用领域之一就是材料加工,,主要是1kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理及微加工等,激光器已成为一种不可缺少的工业工具,CO2、Nd:YAG和准分子激光器是当前用于材料加工的三种主要激光器。半导体激光技术的迅速发展使得二极管激光器、二极管泵浦全固态激光器、光纤激光器和超短脉冲激光器在工业应用中有了光明的前景。除了材料加工外,医用激光器是国外第二大应用。激材料加工用激光器常采用气体激光器和固体激光器两类,如表1所示。 表 1用于材料加工的激光光束的基本特征 类别激光名称波长光子能量能量范围激活介质工作方式 气体激光器CO2激光器10.6μm0.117ev 1~105W CO2连续、脉冲XeCl激光器308μm 4.03ev 1~102W XeCl 脉冲XeF激光器351μm 3.53ev 1~102W XeF 脉冲ArF激光器193μm 6.42ev 1~102W ArF 脉冲KrF激光器248μm 5.00ev 1~102W KrF 脉冲 固体激光器YAG激光器 1.06μm 1.17ev 1~103W Nd3+连续、脉冲激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光发散角小和单色性好,理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑,在焦点处达到很高的能量密度(焦点处的功率密度可达107~1011w/cm2),其光热效应产生极高的高温,在此温度下任何坚硬或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化,并产生强烈的冲击波,使熔化的物质爆炸式地喷射出去。激光加工是将激光束照射到工件的表面,利用激光束与物质相互作用的特性,以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能,实现对材料的切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一系列的加工,是一门涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的综合技术。与传统加工方法相比,采用激光加工具有如下特点: (1)激光加工为无接触加工,且激光束的能量高及移动速度可调,工艺集成性好,同一台机床可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加工; (2)适应性强,激光可对多种金属、非金属材料进行加工,特别是高硬度、高熔点、高强度及脆性材料; (3)激光加工过程中激光头与工件表面不接触,不存在加工工具磨损问题,工件不受应力,所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音,还可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工; (4)激光束易于导向、聚焦实现各方向的变换,极易与数控系统配合对复杂工件进行加工,实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度,是一种极为灵活的加工方法;(5)激光束的发散角可小于1毫弧,光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级,因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工。 (6)加工效率高,加工质量好、精度高,经济效益好,可降低材料的加工费用。

工程材料及热加工复习重点

第一章材料的性能及应用意义 1.使用性能、工艺性能(P.6) 2.力学性能(P.7)3.强度、屈服强度、抗拉强度(P.7)4.刚度,影响因素(P.9)5.塑性(P.11) 6.硬度:概念、优缺点。为什么一般工程图样上常标注材料的硬度,作为零件检验和验收的主要依据?(P.11) 7.硬度测试方法有哪几种?布氏、洛氏、维氏硬度的具体选择方法。(P.11)硬度测试有压入法和刻划法两大类。 8.冲击韧性(P.13)9.疲劳(P.15)10.磨损(P.17)11.工艺性能(P.21) 第二章材料的结构 1.晶体、非晶体(P.26)2.各向异性(P.27)3.典型晶体结构(P.28)4.晶体缺陷:点、线、面(P.30)

第三章材料的凝固与结晶组织 1.凝固、结晶(P.35)2.过冷、过冷度、过冷度与结晶速度的关系(P.36)3.结晶过程:形核与长大(P.37)4.变质处理、原因、机理(P.39)5.同素异构转变(P.40)6.合金、相(P.40)7.合金相结构(P.40)8.固溶体、固溶强化:原因(P.41)9.金属化合物:与固溶体相比有哪些性能特点(P.42)10.匀晶相图、匀晶转变(P.45)11.共晶转变、杠杆定律(P.47)12.共析转变(P.50) 第四章材料的变形断裂与强化机制 1.塑性转变、滑移(P.55)2.细晶强化:原因(P.58)3.冷塑性变形时的组织变化(P.58)4.加工硬化:原因(P.60)5.回复:现象、结果、性能变化(P.61)6.再结晶:现象、结果、性能变化(P.62)7.再结晶温度(P.62)

8.热加工、冷加工:区别(P.64)9.金属强化机制:四种(P.68) 第五章铁碳合金相图及应用 1.铁素体、奥氏体、渗碳体:特性(P.72)2.铁碳合金相图:关键点、线的温度与成分(P.73)3.铁碳合金分类(P.75)4.共析钢、亚共析钢、过共析钢的碳含量和室温组织(P.77)5.力学性能变化(P.82) 第六章钢的热处理 1.热处理工艺、三个阶段(P.85)2.相变点、A1、A3、A cm(P.85)3.共析钢奥氏体化过程(P.86)4.影响奥氏体形成的因素(P.87)5.晶粒度、起始晶粒度、实际晶粒度、(P.88)6.连续冷却、等温冷却(P.90)7.过冷奥氏体、过冷奥氏体等温转变曲线(P.90)8.过冷奥氏体等温转变的组织与性能:三大类(P.91)9.珠光体转变:产物、影响因素、片层间距对性能的影响(P.91)10.贝氏体:半扩散型、上下贝氏体形貌特征、性能特点、原因(P.92) 11.马氏体:两类马氏体形貌特征、性能特点、强化原因(为什么成分不变而强度提高)、亚结构、转变特点、残余奥氏体、冷处理(P.93) 12.影响奥氏体等温转变的因素(P.96)

激光加工陶瓷裂纹行为的理论分析及实验验证

万方数据

万方数据

9期同胤洲等:激光加工陶瓷裂纹行为的理论分析及实验验证国=吉丽≤‰宇× 厂(3d2—9b2),3+(7b2d一5d3),.2+ (3b4+19b2d2—8b3d)r+3b4d一5b2d3—8b3d2], (6) 对应的应力趋势图如图2所示(为了简化计算,设 ≠生一T。=1,6=o.1mm,d=10mm来观察应力 1一卢 趋势)。 图2热应力分布图 Fig.2Thermal—stressfieldplot 分别讨论式(6)中与激光加工参数有关的三个系数,ilp孑L径边缘温度Tm。,孔半径6和热影响区半径d。 Tm。对热应力的影响,如图3所示(为了简化计F 算,设等丁。=1,b=o.1mm,d=10mm来观察1一卢 应力趋势)。随着孔径边缘温度的提高,切向和径向的拉应力都有显著提高,将增加裂纹产生的可能。因此要尽量降低孔径边缘温度接近熔化温度以减少材料中的拉应力,抑制裂纹的产生。 孔径大小b和热影响区大小d对应力分布的影响如图4所示。当热影响区的大小减少时,两个方向的应力都有变小的趋势(如图4(a),(b),(c)所示);从图4(d)和(e)中可以看到,增大孔径也可以降低两个方向的拉应力;特别地,当热影响区的大小(d一6)不变,仅是增大孔径时也可以有效地降低打孑L的拉应力(如图4(f)和(g)所示)。由(3)式可知在这种情况下温度场分布只是存在平移并不发生变化,即只要将温度场分布向外平移就可以降低热应力。因此减少热影响区大小、增大打孔孔径或向外平移温度分布都可以抑制裂纹的产生。 切割的热应力分析由于切缝的存在而变得复杂,对于这种非轴对称的温度应力场的计算一般很难得到解析解,因此需要将切割过程的温度场以及应力分布在近似范围内进行合理简化。切割过程 图3温度对径向应力(a)和切向应力(b)的影响 Fig.3Effectoftemperatureonthermal-stressof (a)radialand(b)tangentdirection 中,冷却气体对切缝的强冷却效果会导致切缝边缘具有温度较低的重凝层,因此可以将不在光斑覆盖范围内的切缝边缘看成是刚性的且一般切缝宽度很窄(o.1mm左右),又因为激光切割陶瓷一般采用脉冲方式,因此可以将脉冲激光切割近似为一系列打孔过程。上述打孔热应力分析即可适用于脉冲激光切割,不同之处在于脉冲激光切割过程中脉冲间隔很近,会有热积累效应,即前一个脉冲作用的温度场会与后一个脉冲作用的温度场相叠加,导致加工处温度不断升高。从图3中可知温度的升高会导致两个方向拉应力的显著提高,而增加裂纹的产生。因此对脉冲切割的参数优化强度要高于打孔的参数优化,但基本思想还是:降低切缝边缘温度、减少热影响区以及增大切缝宽度。 2.2激光加工过程的裂纹行为预测 从图2中可以看到,加工区域附近产生了很大的切向拉应力,这种应力的作用使得材料加工边缘的薄弱点成为裂纹的起点产生张开型裂纹,开裂的方向为径向,如图5中沿径向的裂纹处所示。而图2中所示径向应力则在一定半径内迅速提高到拉应力的最大值,产生环行裂纹或是改变已扩展裂纹的传播方向。图2所示应力较大的位置集中在距离加工处很近的一个环形区域,裂纹也将会在此区域出现,如图5中沿切向的裂纹处所示。由于模型并没 有针对某种特定的材料,所以无论对于何种材料,在 万方数据

激光与材料的相互作用

激光与材料的相互作用 发布日期:2007-10-04 我也要投稿!作者:网络阅读: [ 字体选择:大中小] 680 作为能量源的激光束可以聚焦成很小的一个光斑,无需直接接触,即可与材料发生相互作用。激光的性能不断提高,现在的激光具有各种不同的波长、功率和脉冲宽度,这些参数的不同组合适用于各种不同的加工需要。为了更好地了解激光的潜能,工程师们必须熟悉这种技术以及其中的细微差别。在决定使用何种激光前,工程师应该了解激光工作原理、激光与材料的相互作用、激光参数以及何时可利用激光进行医疗材料加工。了解这些知识后,工程师设计医疗器械时就能做出正确的决定。 激光在器械加工中的应用机会 激光可用于器械制造的许多加工环节中。例如,激光切割便是一种常见用途,常用于制造支架等小型器械。激光还可用于加工通沟或盲孔。该技术可用于加工医疗诊断设备的微流体通道以及给药用微量注射器的小孔。目前,人们正利用激光加工技术研制用于芯片实验室上的微型传感器和传动器上的硅制微型机械。激光焊接和打标常用于植入器械和手术器械的制造中。此外,激光还常用于表面纹理加工中,例如:可用于矫形外科植入物的表面处理上,提高表面的粘附性。 激光工作原理 激光的工作原理较为简单。通过一个光子激发其他光子,使大量光子以光束的形式一起发射出去。肉眼可能无法看见的光束由激光腔中发射出去,然后被传导至材料加工工作站中。根据激光波长的不同,光束可通过光纤传播或者经光学元件直接传播。 目前使用的激光大都早在20世纪60年代就已经问世,包括Nd:Y AG激光、二氧化碳激光和半导体激光。激光器集成到工业用机械中经过了数年的时间,尽管技术已经成熟,但激光器仍在不断改进,例如:人们研制出能产生很短脉冲宽度的如皮秒和飞秒激光器。此外,激光材料在光纤激光器、光碟激光器和焊接用绿光激光器内的独特排列进一步丰富了材料加工的方法。 表I. 材料加工中常用的激光波长。(点击放大) 材料加工所用激光波长从紫外线一直到红外线,包括了可见光谱。常用激光类型及其波长列于表I中。除激光类型外,选择激光时还要考虑其他许多方面,例如:激光腔的设计、光学传送元件和激光与材料相互作用。最为关键的是,医疗器械设计人员必须了解激光束如何与不同器械材料发生相互作用以及如何用于材料加工中。 激光与材料的相互作用

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工程材料及热处理 一、名词解释(20分)8个名词解释 1.过冷度:金属实际结晶温度T和理论结晶温度、Tm之差称为过冷度△T,△T=Tm-T。 2.固溶体:溶质原子溶入金属溶剂中形成的合金相称为固溶体。 3.固溶强化:固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加,而塑、韧性稍有下降,这种现象称为固溶强化。 4.匀晶转变:从液相中结晶出单相的固溶体的结晶过程称匀晶转变。 5.共晶转变:从一个液相中同时结晶出两种不同的固相 6.包晶转变:由一种液相和固相相互作用生成另一种固相的转变过程,称为包晶转变。 7.高温铁素体:碳溶于δ-Fe的间隙固溶体,体心立方晶格,用符号δ表示。 铁素体:碳溶于α-Fe的间隙固溶体,体心立方晶格,用符号α或F表示。 奥氏体:碳溶于γ-Fe的间隙固溶体,面心立方晶格,用符号γ或 F表示。 8.热脆(红脆):含有硫化物共晶的钢材进行热压力加工,分布在晶界处的共晶体处于熔融状态,一经轧制或锻打,钢材就会沿晶界开裂。这种现象称为钢的热脆。 冷脆:较高的含磷量,使钢显著提高强度、硬度的同时,剧烈地降低钢的塑、韧性并且还提高了钢的脆性转化温度,使得低温工作的零

件冲击韧性很低,脆性很大,这种现象称为冷脆。 氢脆:氢在钢中含量尽管很少,但溶解于固态钢中时,剧烈地降低钢的塑韧性增大钢的脆性,这种现象称为氢脆。 9.再结晶:将变形金属继续加热到足够高的温度,就会在金属中发生新晶粒的形核和长大,最终无应变的新等轴晶粒全部取代了旧的变形晶粒,这个过程就称为再结晶。 10.马氏体:马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却,来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变,转变产物称为马氏体。 含碳量低于0.2%,板条状马氏体;含碳量高于1.0%,针片状马氏体;含碳量介于0.2%-1.0%之间,马氏体为板条状和针片状的混合组织。 11.退火:钢加热到适当的温度,经过一定时间保温后缓慢冷却,以达到改善组织提高加工性能的一种热处理工艺。 12.正火:将钢加热到3c A或ccm A以上30-50℃,保温一定时间,然后在空气中冷却以获得珠光体类组织的一种热处理工艺。 13.淬火:将钢加热到3c A或1c A以上的一定温度,保温后快速冷却,以获得马氏体组织的一种热处理工艺。 14.回火:将淬火钢加热到临界点1c A以下的某一温度,保温后以适当方式冷却到室温的一种热处理工艺。(低温回火-回火马氏体;中温回火-回火托氏体;高温回火-回火索氏体) 15.回火脆性:淬火钢回火时,其冲击韧性并非随着回火温度的升高而单调地提高,在250-400℃和450-650℃两个温度区间内出现明显下降,这种脆化现象称为钢的回火脆性。

陶瓷激光加工技术

陶瓷激光加工技术 伴随着材料技术的发展,在科研应用和工业应用领域中,陶瓷材料因为其优越的物理化学性能得到了越来越多的应用。无论是精密的微电子,或者是航空船舶等重工业,亦或是老百姓的日常生活用品,几乎所有领域都有陶瓷材料的身影。 然而,陶瓷材料结构致密,并且具有一定的脆性,普通机械方式尽管可以加工,但是在加工过程中存在应力,尤其针对一些厚度很薄的陶瓷片,极易产生碎裂。这使得陶瓷的加工成为了广泛应用的难点。 激光作为一种柔性加工方法,在陶瓷件加工工艺上展示出了非凡的能力。以下,以微电子应用陶瓷电路基板的切割和钻孔为例做详细说明。 微电子行业中,传统工艺均使用PCB作为电路基底。但是,随着行业的发展,越来越多的客户要求其微电子产品具备更加稳定的性能,包括机械结构的稳定性,电路的绝缘性能等等。因此陶瓷材料收到了越来越多的应用。目前主流的陶瓷材料是氧化铝和氮化铝,材料的主流厚度小于2mm。 为了实现更加复杂的电路设计,客户普遍要求双面设计电路,并且通过导通孔灌注银浆或溅镀金属后形成上下面的导通。同时,为了满足外部封装的需求,电路元器件的外形也有各种变化,包括一些圆角或者其他异性。对于这样的产品设计,机械加工的方法非常困难。哪怕能够加工,其良品率也是非常之低。而广泛引用的金属加工的化学蚀刻方法或者电火花加工方法,也因为陶瓷优越的物理化学性能而无法得到应用。对此,激光的无接触式加工能够大大提高陶瓷激光加工的可行性及加工的良率。 以上便是使用江阴德力激光设备有限公司推出的陶瓷激光精细切割设备,针对0.635mm厚氧化铝以及0.8mm厚氮化铝异型切割的样品。可以看到的是不仅切割边缘光滑没有崩边,切割边缘的热影响更能够得到有效的控制,哪怕陶瓷已经做

工程材料及热处理复习资料

一.名词解释题 间隙固溶体:溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶体。 再结晶:金属发生重新形核和长大而不改变其晶格类型的结晶过程。 淬透性:钢淬火时获得马氏体的能力。 枝晶偏析:金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象。 时效强化:固溶处理后铝合金的强度和硬度随时间变化而发生显著提高的现象。 同素异构性:同一金属在不同温度下具有不同晶格类型的现象。临界冷却速度:钢淬火时获得完全马氏体的最低冷却速度。 热硬性:指金属材料在高温下保持高硬度的能力。 二次硬化:淬火钢在回火时硬度提高的现象。 共晶转变:指具有一定成分的液态合金,在一定温度下,同时结晶出两种不同的固相的转变。 比重偏析:因初晶相与剩余液相比重不同而造成的成分偏析。 置换固溶体:溶质原子溶入溶质晶格并占据溶质晶格位置所形成的固溶体。 变质处理:在金属浇注前添加变质剂来改变晶粒的形状或大小的处理方法。 晶体的各向异性:晶体在不同方向具有不同性能的现象。 固溶强化:因溶质原子溶入而使固溶体的强度和硬度升高的现象。 形变强化:随着塑性变形程度的增加,金属的强度、硬度提高,而塑性、韧性下降的现象。 残余奥氏体:指淬火后尚未转变,被迫保留下来的奥氏体。 调质处理:指淬火及高温回火的热处理工艺。 淬硬性:钢淬火时的硬化能力。 过冷奥氏体:将钢奥氏体化后冷却至A1温度之下尚未分解的奥氏体。 本质晶粒度:指奥氏体晶粒的长大倾向。 C曲线:过冷奥氏体的等温冷却转变曲线。 CCT曲线:过冷奥氏体的连续冷却转变曲线。 马氏体:含碳过饱和的α固溶体。 热塑性塑料:加热时软化融融,冷却又变硬,并可反复进行的塑料。 热固性塑料:首次加热时软化并发生交连反应形成网状结构,再加热时不软化的塑料。 回火稳定性:钢在回火时抵抗硬度下降的能力。 可逆回火脆性:又称第二类回火脆性,发生的温度在400~650℃,当重新加热脆性消失后,应迅速冷却,不能在400~650℃区间长时间停留或缓冷,否则会再次发生催化现象。 过冷度:金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。 二.判断正误并加以改正 1、细化晶粒虽能提高金属的强度,但增大了金属的脆性。(╳)改正:细化晶粒不但能提高金属的强度,也降低了金属的脆性。 2、结构钢的淬透性,随钢中碳含量的增大而增大。(╳) 改正:结构钢的淬硬性,随钢中碳含量的增大而增大。 3、普通低合金结构钢不能通过热化处理进行强化。(√) 4、置换固溶体必是无限固溶体。(╳) 改正:置换固溶体有可能是无限固溶体。 5、单晶体必有各向异性。(√) 6、普通钢和优质钢是按其强度等级来区分的。(╳) 改正:普通钢和优质钢是按钢中有害杂质硫、磷的含量来划分的。 7、过热钢经再结晶退火后能显著细化晶粒。(╳) 改正:过热钢经正火后能显著细化晶粒。 8、奥氏体耐热钢也就是奥氏体不锈钢。(╳) 改正:奥氏体耐热钢不是奥氏体不锈钢。 9、马氏体的晶体结构和铁素体的相同。(√) 10、面心立方金属的塑性比体心立方金属的好。(√) 11、铁素体是置换固溶体。(╳) 改正:铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体体。 12、晶界是金属晶体的常见缺陷。(√) 13、渗碳体是钢中常见的固溶体相。(╳) 改正:渗碳体是钢中常见的金属化合物相。 14、金属的塑性变形主要通过位错的滑移进行。(√) 15、金属在进行热加工时,不会产生加工硬化现象。(√) 16、比重偏析不能通过热处理来消除。 17、上贝氏体的韧性比下贝氏体好。(╳) 改正:上贝氏体的韧性比下贝氏体差。 18、对过共析钢工件进行完全退火可消除渗碳体网。(╳) 改正:对过共析钢工件进行正火可消除渗碳体网。 19、对低碳低合金钢进行正火处理可提高其硬度。(√) 20、淬火获得马氏体的必要条件之一是其淬火冷却速度必须小于Vk。(╳) 改正:淬火获得马氏体的必要条件之一是其淬火冷却速度必须大于Vk。 21、氮化件的变形远比渗碳件的小。(√) 22、工件渗碳后直接淬火其开裂倾向比一次淬火的要小。(√) 23、高锰钢在各种条件下均能表现出良好的耐磨性。(╳) 改正:高锰钢只有在受到强烈的冲击和压力的条件下才能表现出良好的耐磨性。 24、无限固溶体必是置换固溶体。(√) 25、金属的晶粒越细小,其强度越高,但韧性变差。(╳) 改正:一般地说,在室温下,金属的晶粒越细小,其强度和韧性越高。 26、所谓临界冷却速度就是指钢能获得完全马氏体组织的最小冷却速度。(√) 27、钢进行分级淬火的目的是为了得到下贝氏体组织。(╳)改正:钢进行分级淬火的目的是为了减小淬火应力,防止工件变形和开裂。 28、对奥氏体不锈钢进行固溶处理的目的是为了提高其强度。

陶瓷激光器及其工作原理

陶瓷激光器及其工作原理 新型激光陶瓷是继单晶和玻璃之后又一种优秀的激光介质,它不仅具备良好的材料和光学特性,而且具有强大的制备优势,伴随激光透明陶瓷先进制造技术的不断发展,光学级、高掺杂、大尺寸、多功能透明陶瓷越来越多的被应用在固体激光器设计和制造中,凭借优异光电功能的特性,激光透明陶瓷的研发和应用不仅延伸至传统固体激光器的各个领域,并表现出比传统激光晶体更加优异的性能,而且不断突破现有固体激光技术的局限,有力的推动了新型固体激光器的发展。 按工作物质形状来分类,透明陶瓷激光器可以分为棒状激光器、板条激光器, 碟片激光器和光纤激光器等4类。 1、高效陶瓷棒状激光器 采用与传统Nd:YAG固体激光器相同的谐振腔结构,可分为侧面泵浦(见图1)和端面泵浦(见图2)两种类型。由于将高掺杂浓度的透明陶瓷圆棒作为激光介质,从而使光-光转换效率有显著提高。 图1 侧面泵浦激光器结构

图3 高效率Nd:YAG透明陶瓷激光器 对于侧面泵浦结构,泵浦源可以是灯泵浦,也可以采用激光二极管。图3所示为中科院上海光学精密机械研究所采用超均匀侧面泵浦技术在1 at.% Nd:YAG陶瓷棒中获得输出功率236 W,斜率效率62% 的连续激光输出。图中(a)为侧面泵浦Nd:YAG陶瓷棒激光器的实验装置原理,图(b)为Nd:YAG陶瓷激光器的截面示意图,采用超均匀侧面激光二极管阵列泵浦。 2、陶器板条激光器 普通固体激光器激光工作物质的几何形状为圆棒状,温度梯度的方向与光传播方向垂直,在热负荷条件下运转时,将产生严重的热透镜效应和热光畸变效应,使得光束质量降低,并限制了激光功率的进一步提高。板条激光器(见图4、5)的工作物质为板条形状,该激光器从结构上克服了激光棒的热变形(热透镜效应),故有功率大(达2kW以上)、光束发散角小(接近衍射极限),可获得高质量激光输出,从而提高了加工能力,可进行超深加工,如钻孔深达76mm,切割厚度达40mm。

激光加工技术要求

激光加工技术要求 1.加工件所用材料应严格按照我方要求采购,不应有以次充好等现 象发生。 2.应提供每个批次加工件所用材料的材质单。 3.每个批次加工件所用材料的表面不得有锈蚀点、氧化皮等缺陷。 4.每个批次加工件的平面度不应大于0.05%。 5.每个批次加工件所用材料的规格应满足图纸要求(尤其是厚度不 应小于图纸、要求厚度0.3mm)。 6.加工件的轮廓尺寸误差不得大于0.5mm。 7.加工件的穿孔直径误差不得大于0.2mm。 8.加工件的穿孔孔距误差不得大于0.4mm。 9.加工件的切口表面粗糙度应控制在Ra12.5—25μm(切缝一般不需 要再加工即可焊接等)。 10.加工件的切口表面垂直度应控制在2%。 11.加工件所有螺纹处要求激光划线“十”字标记;直径小于板厚的 光孔处要求激光划线“十”字标记;特殊要求标记处要求激光划线按图纸要求标记。 12.加工件所有划线标记处要清晰,但不要划线太深。 13.加工件划线标记处数量、穿孔处数量、特殊标记处数量应准确, 不应多做标记和漏划标记处。 14.每次交付加工件时要求有贵公司的质量检验报告单。

报价要求 1.每次报价应把该批次加工件的详细排版图使用电子邮件形式发至 我公司。 2.首次加工的加工件加工详细情况,贵公司应与我公司按图纸要求 共同协商加工。例如:图纸上哪些孔是按穿孔计算价格,哪些孔是按切割延米计算价格。 3.报价单应注明加工件的图号;板厚及外形尺寸;加工数量;净重; 切割长度;穿孔数量;标记出数量;材料损耗;加工每一项的单价、合计;材料单价、合计;总计价格等。 报价补充 1.如果报价按照每次加工数量排版的实际使用材料数量报价,那么 每个批次的加工件排版的余料、损耗等由贵公司按照当时的市场价格自行处理,并适当减少加工部分费用。 2.如果报价按照每件的材料价格和单件加工费用总和报价,那么每 个批次加工后的余料、损耗等由贵公司自行处理,并适当减少加工部分费用。 3.部分加工件中切割后剩余的材料还很整齐,还可以充分利用切割 其它零件,不应按废钢计算。只有切割后完全不能再利用的材料才能按废钢计算。

工程材料及热处理期末A

班级(学生填写) : 姓名: 学号: 命题: 审题: 审批: ----------------------------------------------- 密 ---------------------------- 封 --------------------------- 线 ------------------------------------------------------- (答题不能超出密封线)

班级(学生填写): 姓名: 学号: ------------------------------------------------ 密 ---------------------------- 封 --------------------------- 线 ------------------------------------------------ (答题不能超出密封线) 9. 碳钢的塑性和强度都随着含碳量的增加而降低。 ( ) 10. 感应加热表面淬火一般只改变钢件表面层的组织,而不改变心部组织。( ) 三、选择题:(每题1分,共10分) 1. 钢中加入除Co 之外的其它合金元素一般均能使其C 曲线右移,从而( ) A 、增大VK B 、增加淬透性 C 、减小其淬透性 D 、增大其淬硬性 2. 高碳钢淬火后回火时,随回火温度升高其( ) A 、强度硬度下降,塑性韧性提高 B 、强度硬度提高,塑性韧性下降 C 、强度韧性提高,塑性韧性下降 D 、强度韧性下降,塑性硬度提高 3. 常见的齿轮材料20CrMnTi 的最终热处理工艺应该是( ) A 、调质 B 、淬火+低温回火 C 、渗碳 D 、渗碳后淬火+低温回火 4. 某工件采用单相黄铜制造,其强化工艺应该是( ) A 、时效强化 B 、固溶强化 C 、形变强化 D 、热处理强化 5. 下列钢经完全退火后,哪种钢可能会析出网状渗碳体( ) A 、Q235 B 、45 C 、60Si2Mn D 、T12 6. 下列合金中,哪种合金被称为巴氏合金( ) A 、铝基轴承合金 B 、铅基轴承合金 C 、铜基轴承合金 D 、锌基轴承合金 7. 下列钢经淬火后硬度最低的是( ) A 、Q235 B 、40Cr C 、GCr15 D 、45钢 8. 高速钢淬火后进行多次回火的主要目的是( ) A 、消除残余奥氏体,使碳化物入基体 B 、消除残余奥氏体,使碳化物先分析出 C 、使马氏体分解,提高其韧性 D 、消除应力,减少工件变形 9. 过共析钢因过热而析出网状渗碳体组织时,可用下列哪种工艺消除( ) A 、完全退火 B 、等温退火 C 、球化退火 D 、正火 10. 钢的淬透性主要决定于其( )

机械工程材料与热加工工艺-(1)

机械工程材料与热加工工艺 -⑴ 第一章金属材料的力学性能 1.什么是应力?什么是应变? 2.缩颈现象在力一拉伸图上哪一点?如果没有出现缩颈现象,是否表示该试样 没发生塑性变形? 3.将钟表发条拉直是弹性变形还是塑性变形?怎样判断它的变形性质? 4.布氏和洛氏硬度各有什么优缺点?下列情况采用哪种硬度法来检查其硬度: 库存钢材,硬质合金刀头,锻件,台虎钳钳口。 5.下列符号所代表的力学性能指标的名称和含义是什么: E, 6,6,6.2,二」,、,'一,:k,HRC, HBS,HBW ,HV . 洛氏硬度的测试规范 标尺压头 总载荷 / N 适用测 试材料 有效值 HRA 1200金刚石 圆锥体 600 硬质合 金,表面 淬火钢 70-85

HRB?1.588mm 淬火 钢球1000 退火钢, 非铁合金25-100 HRC 120°金刚石 圆锥体 1500 般淬 火钢件 20-67第二章金属及合金的结构与结晶 1.名词解释:金属键,晶体,晶格,配位数,致密度,单晶体,多晶体,晶体 缺陷,相,固溶体,金属化合物,相图。 2.简述金属的结晶过程。 3.金属的晶粒粗细对其力学性能有什么影响。 4.典型金属铸锭组织有哪几部分组成?影响金属铸锭组织的因素有哪些?

第三章铁碳合金相图 1.什么是同素异构转变?室温和110C°C时纯铁晶格有什么不同? 填表: 3■试绘简化的铁碳合金状态图中钢的部分,标出各特性点的符号,填写各区相和组织名称。 4.分析在缓慢冷却条件下,45钢和T10钢的结晶过程和室温组织。 5.含碳量对碳钢组织与性能有哪些影响? 第四章钢的热处理 1.什么叫热处理?常用热处理的方法大致分为哪几类? 2.简述钢在加热时奥氏体的形成过程,影响奥氏体晶粒长大的因素有哪些? 3.简述过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能?影响过冷奥氏体转变的因素 有哪些? 4.在连续冷却转变中如何应用过冷奥氏体等温转变? 5.什么叫退火?什么叫正火?两者的特点和用途有什么不同? 6.亚共析钢的淬火为何是A c「(30 -50 C) ?过高或过低有什么弊端? 7.什么叫钢的淬透性和淬硬性?影响钢的淬透性的因素有哪些? &碳钢在油中淬火的后果如何?为什么合金钢可以在油中淬火? 9.钢在淬火后为什么要回火?三种类型回火的用途有什么不同?汽车发动机

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