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1、目录摘要-2Abstract-2引言-3第1章 我国激光加工产业现状及市场展望 -31.1 激光加工产业蓬勃发展-31.2 激光热销产品-51.2.1 激光切割机产品的高速发展-51.2.2 激光打印机将继续前冲-61.2.3 25100 W 级激光加工机-71.2.4 用于再制造业的激光熔覆技术及装备-81.2.5 激光焊接技术与设备-91.3 市场展望-10第2章 激光技术-112.1 激光技术在一般工业上的应用-112.1.1 激光的特性-112.1.2 激光的精细加工-132.1.3 激光熔覆-132.1.4 激光技术的应用前景-14第3章 激光加工中闭环控制技术-153.1 激光加工
2、控制-153.2 闭环控制技术-16结束语-23鸣谢-24激光技术及其产品摘要：激光技术始于20世纪60年代，至今只有几十年的时间，却取得了迅猛的发展，广泛应用于多个技术领域，显示出强大的生命力。目前，我国已经形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光研发、开发、应用的广阔领域，在激光通信、激光医疗、激光加工、军用激光研究和应用、航天等方面都取得了很大的进展。本文对非金属材料的激光加工，从理论和实践上作了系统和广泛的分析研究。分析了激光辐射与非金属材料作用的机理以及影响加工结果的诸因属，得出根据不同的激光加工方式所选择激光参数的原则。因此本文对于推广激光加工的应用和提高激光加工的认识具有一定的参
3、考价值。关键字：激光加工，非金属材料，激光打孔，激光焊接，激光切割，激光技术。Nonmetallic material laser processing technologyAbstract: The laser technology beginning to the 20th century 60s, until now only some several dozens years, actually has obtained the swift and violent development, widely applies to many area of technology, and d
4、emonstrates the formidable vitality. At present, our country already formed the class completely, the level has been advanced, the application widespread laser research and development, the development, the application broad domain, in aspect and so on laser communication, laser medical service, las
5、er processing, military laser research and application, astronautics has all made the very big progress. This article to the nonmetallic material laser processing, has done systematic and the widespread analysis research from the theory and the practice. Has analyzed the laser radiation and the nonm
6、etallic material function mechanism as well as influence processing results various factors, obtains the basis different laser processing way to choose the laser parameter the principle. Therefore this article and enhances the laser processing regarding the promotion laser processing application the
7、 understanding to have the certain reference value.Keys: laser processing, nonmetallic material, laser carving, laser welding, laser cuts, laser technology.引言激光是本世纪最大的、也是最实用的发明。是与热核技术、半导体、电子计算机和航天技术相媲美的一个举世瞩目的重大科技成就。从1960年5月人类获得第一束激光到现在，40年过去了，激光技术已逐渐渗透到科研、国防、工农业生产以及人们生活的各个方面。激光加工技术在材料加工领域，以其独特的优越性，
8、成为未来制造业的主要加工手段，被誉为“二十一世纪的加工技术。激光加工技术一直是国家重点支持和推动应用的一项高新技术，特别是政府强调要振兴制造业，这就给激光加工技术的应用带来了发展机遇。在国家制定中长远期发展规划时，又将激光加工列为关键支撑技术，它涉及国家安全、国防建设、高新技术产业化和科技前沿的发展，因此国家对激光加工技术给予了高度重视，这必将为激光产品的制造和产品升级带来巨大商机。第1章 我国激光加工产业现状及市场展望1.1 激光加工产业蓬勃发展中国光学光电子行业协会激光分会的逐年统计显示，我国激光加工设备的年销售额一直呈高速增长态势(见图1) 。2006 年，激光加工设备的销售额已超过20
9、亿元，这充分说明激光加工技术在我国已经走出了研究和实验探索的象牙塔，步入了实用化发展道路。激光产业化的发展现已形成规模，崛起了一批具有一定规模和实力的激光加工设备制造企业，它们生产出了成千上万台满足市场需求的激光加工机，其销售额年增长率保持在20%左右。通过对国内市场的各种宣传、展示、普及和为用户培训，使激光加工市场不断地拓大拓宽，从而给国内用户带来采用这种先进制造技术的信心和决心，促成了激光加工得以越来越广泛应用的外部环境，这便是人们常说的市场牵动。市场牵动又推动着激光加工机的热销,这种互动形成了连锁反应，使激光加工市场的规模逐年增加。我国现已拥有激光加工机生产企业200 余家，从业人员近2
10、 万，其中科技人员约占50%，具有中高级职称的员工约占30%，已形成一支具有相当实力的产业队伍。同时，也引起了全球许多激光加工设备制造商的关注和跟进，国内市场已经国际化。根据激光行业的统计和分析，本文主要介绍近几年的激光技术及其产品1.2 激光热销产品1.2.1 激光切割机产品的高速发展前几年，国内在销的激光切割机大部分为国外进口产品，国内产品所占份额甚小。随着用户对激光切割技术特点的逐步深入了解和示范性采用，带动了国内企业纷纷转向生产激光切割机。产量最大的生产企业为上海团结普瑞玛激光设备公司，年订货量已超过150余台，在全球激光切割机生产企业中产量排第5 位。此外，华工激光工程分公司、济南捷
11、迈、沈阳普瑞玛和江苏金方园等也是生产激光切割机的著名企业。近期，几家知名度较高的激光加工机生产企业也投入力量开始生产激光切割机,如武汉楚天激光和大族激光等。预计近期国内市场14 kW 激光切割机的销量达300350 台，国内供货将占200余台，来自德国、瑞士、日本、韩国和比利时等的国外供货量为100余台。目前，瑞士百超已开始在国内组装和销售激光切割机。这些激光切割机现已广泛用于电气制造、电梯业、运输机械、石油工业、纺织机械、粮食机械、医疗机械、灯具、装饰、包装业以及激光加工站和科研院所的科学研究等诸多领域。此外，在船舶、汽车、航空和钢铁工业的加工领域也开始得到应用。CO2 激光切割技术是激光加
12、工中应用最广泛的技术之一。据了解，欧洲已安装了激光切割机12000台，北美安装有11000 台，日本安装有10000台。中国台湾的安装量也已超过500台。中国大陆安装量约为800台，功率由2 kW 逐渐提升到了3 kW、4 kW。由此可见，CO2 激光切割机已成为国内主要热销产品。随着应用范围的扩大，高功率CO2 激光器国内产品的逐步过关，必将牵引我国激光产品销售市场的快速增长。1.2.2 激光打印机将继续前冲据全球对激光加工系统销售总量的统计显示，激光打印机的销量仅次于激光切割机，居第二位。近年来，激光切割机和激光打印机的销量各占销售总量的1/3 左右。而我国则相反，激光打印机的销售额一直占
13、国内激光加工销售额的50%以上。占据了国内较大市场，并在工业领域拓展应用，与国外相比，其应用范围更加广泛。目前，激光打印机已应用于电子工业、汽车工业、工具量具、航空航天、仪器仪表、包装工业、医疗产品、家用电器、键盘、面板、广告印牌、证件卡片、日常用品和珠宝钻石等领域。印记的材料是各类金属和非金属，如不锈钢、铝合金、有机玻璃、塑料、陶瓷、合成材料、木材、橡胶、皮革制品、纸制品、印刷电路板、多种电子电器元件、香烟、钮扣、雷管、金属零件以及食品包装、药品包装，甚至螃蟹等。激光打印机的年销售台数约为4 0005 000台。它所采用的激光器有灯泵浦Nd YAG 激光器和玻璃管或金属腔的CO2 激光器。近
14、年来，光纤激光器和全固态激光器正批量进入打印机生产企业与之配套。打印机可对零件的固定位置打印，也可对流水线上的物品进行飞行打印。我国生产激光打印机较知名的企业有大族激光、华工激光、楚天激光、大恒激光、桂林星辰激光和志恒达激光等公司，还有众多生产激光打印机的中小企业，它们共同将我国的激光打印机市场做得越来越大，应用范围越来越广，目前产品已开始批量出口。特别值得一提的是，一些很有实力的企业自主开发和生产了七彩打印机，订购此种打印机的单位甚多，相信这种创新产品会获得更大发展。1.2.3 25100 W 级激光加工机这里主要指采用25100 W级CO2 激光器，以X- Y 工作台系统为主的激光加工机机
15、型，同时也有采用Nd YAG 激光器与振镜集成的加工机。它可以进行雕刻，包括内雕、裁剪、镂空、绣花和切割加工。这种激光加工机具有种类多、价位低、用途广、适合国情的特点，年产量在6 000台左右，可广泛用于印章、柔性板、礼品、广告、印牌、工艺品以及工业用非金属制品，并可对牛角、玻璃、塑料、橡胶制品、竹木制品、合成材料、布料、皮革等材料进行激光加工。由于这种加工机具有电脑排版、自控、非接触加工、速度快( 比手工或其他加工方式快得多) 、智能化程度高、操作方便等独特优点，因此占据了国内广大市场，并且销往中东、东南亚、南美、东欧和非洲等地，颇受用户欢迎。生产X- Y工作台机型知名度较高的企业有浙江博业
16、激光、广东粤铭激光和武汉金运激光等公司，它们的迅速崛起形成了此类型激光加工机的生产格局。目前博业激光已建成35000m2 的厂房，金运激光建成了10 000 m2 厂房，粤铭激光不仅进一步扩大了原产地生产能力，还在上海建立了分厂。这种机型除雕刻柔性橡胶、竹简外，还可进行激光剪裁服装、皮革、绣花等加工，使这些企业产品升级，促进了市场发展。这些企业现已将送料、收料、原料负压吸附、自动摄像定位、双头裁剪等技术逐步加以应用，使激光加工设备可以融入服装生产的自动化流水线作业中，使产品智能化升级。值得一提的是，激光内雕机也是迅速发展的产品之一，它是通过激光诱导在玻璃体内形成炸裂点的光散射构成白色立体内雕图
17、像，近期这项技术又取得进一步发展。国内某单位现已开发出彩色内雕技术、可在玻璃体内相继打出红、橙、黄、蓝、紫等色彩的图案，不久产品将投放市场，它必将为内雕制品增添光彩。1.2.4 用于再制造业的激光熔覆技术及装备再制造工程是以产品全寿命周期理论为指导的工程实践。装备的论证、设计、制造、使用、维修和回收的全部费用被称为全寿命周期费用，传统上只重视装备的“前半生”，( 这个周期仅占20%40%的费用) ，而往往忽略了“后半生”，即使用、维修和报废阶段的费用。设备的再制造工程是一门以设备的“后半生”为对象，以提高利用率、节约资源、环境保护、坚持可持续发展的工程技术。再制造技术的发展必须融入高新技术，使
18、陈旧部件和设备重新获得高品质,成为高附加值的产品，因此再制造技术是实现跨越式发展的完全符合国家政策的一项重要技术，美国的再制造业产值高达530亿美元，从业人员达48万人，他们称“再制造业是潜在的巨人”。我国现已开始启动这项工程。激光加工技术在再制造业中的应用与其在其他制造业中的应用一样，有着其他加工技术不可替代的优点。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面改性技术成为再制造的一项重要手段。它主要采用510 kWCO2 高功率激光器系统，年销量约为100台。该领域较突出的制造商是大陆激光成套设备有限公司,该公司在实
19、践中应用了激光显微仿形熔覆技术，广泛用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域,修复了涡轮动力转动装置的重要零部件和机组，如烟气轮机、离心式压缩机、螺杆压缩机、大型汽轮机、发电机、蒸汽轮机等近千台，同时还生产激光器及机组，现已成为该项技术的国内领头企业。此外还有金石凯激光、华工激光、团结激光等企业。国内以激光加工站形式出现，从事这方面业务的有中科院金属所和北京、天津、杭州等地高校激光工程中心，它们都为激光加工应用于再制造业发挥了较大作用。预计用于再制造的其他激光加工技术将逐步出现。1.2.5 激光焊接技术与设备激光焊接技术在国内的应用正迅速扩大，激光焊接机的销售额仅次于激光打印机和激光切割机。
20、该技术主要用于电池、电器、仪表、五金工具及钢铁、航空航天、汽车等工业。其应用分3 大类: ( 1)用于移动通讯，如手机电池的焊接，还有电容、电器、仪器仪表元器件的焊接。这些焊接设备主要采用Nd YAG激光器，焊接工作台有的是多工位。武汉楚天激光、华中激光、大族激光和天津力能激光等企业都是这类设备制造商中产量较大且知名度较高的企业。手机电池最大的制造商比亚迪公司现也能自主开发激光焊接设备，自装自用。( 2) 用于金刚石锯片的激光焊接。目前欧洲已禁止使用热阻焊的金刚石锯片，而大量采用CO2 激光器将金刚石刀头焊接到锯片基体上，这种工艺符合安全要求。据报道，基建业使用的金刚石刃具中，消耗最大的为激光
21、焊接金刚石锯片，需求量约合30 亿美元。这也带动了国内企业对这项激光焊接工艺及设备的研发和生产。我国年出口值约为3 000 万美元，年出口增长率增高的原因之一是我国人造金刚石刀头的粉末冶金较好，设备出口量增加。此外，随着国内各类基建工程、空调安装、石材工业的拓展，对金刚石锯片的年需求量也高达约10 亿人民币，高档石材加工也部分要用激光焊接金刚石锯片。国内生产激光焊接金刚石锯片的较大企业有华工激光、武汉团结激光、北京安泰、丹阳华昌、石家庄博深和杭州高发等企业。生产激光焊接锯片系统的有华工激光、武汉团结激光、济南捷迈、上海团结普瑞玛等企业,这些企业生产的产品多为多工位焊接系统。( 3) 激光焊接钢
22、板。这种钢板多用于钢铁工业( 如钢板在线拼焊、带钢拼焊等) 、汽车板拼焊( 在钢铁厂或汽车厂) 以及各种壳体类零件焊接，其激光焊接系统不是定型产品，多为“量身定做”。预计这方面市场会越来越大，值得重视，生产这类系统的国内企业有华工激光、上海团结普瑞玛、武汉楚天等企业。综上所述，这3 大类激光焊接系统目前市场容量为600800台套。1.3 市场展望与国外激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的2%左右。主要表现为: 高档激光加工系统很少，甚至没有； 主力激光器不过关；微细激光加工设备缺口较大；国内应用市场有很大发展空间。目前我国的生产企业正在积蓄力量稳步进入。因此，作者预测
23、，在今后23年内，我国激光加工设备的销额将会由2004 年的15亿元人民币翻一倍，也就是达到30 亿元人民币的产值。其原因如下:( 1) 国家重视，各级政府部门都在积极关注、规划、立项，多方面资金正在注入。特别是国家强调立项主体由大专院校、科研部门转到以企业为主,这就会促进企业产品的自主创新和技术升级。( 2) 国内各类制造业接受了激光加工技术，意识到这项技术可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，可达到“敏捷制造”，满足市场对“个性化”产品的要求。( 3) 国内已逐步形成了产业群体,激光零部件配套企业逐渐齐全，各类具有特色的激光加工系统制造商纷纷建立，国内已形成四个激光加工设备制造的产
24、业带， 它们主要分布在华中、珠江三角洲、长江三角洲和京津环渤海经济发达地区。( 4) 国际知名的激光加工制造商有的在华投资建厂，有的与国内合资生产，总趋势是纷纷进入，形成国际竞争国内化。( 5) 国内在主力激光器方面逐步过关，现已进入市场应用。如大功率轴流CO2 激光器、中小功率金属腔射频CO2 激光器、半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器及倍频DPL、大功率二极管模块等正蓄势待发，已步入产品化的初期阶级，并投放市场。为国产激光加工的升值开拓新应用创造条件。激光加工是一门发展极快的高新技术，国内现已形成了生产激光加工设备的产业群体，在这种大好形势下，本文作者殷切期望业内各企业努力开发具有自主创新
25、的产品，尽力避免低价位、低利润率的竞争，为国产设备开拓出越来越兴旺的发展局面。第2章 激光技术2.1 激光技术在一般工业上的应用2.1.1 激光的特性激光束具有高能量密度性、高方向性和高相干性，在工业上的应用主要是其极高的能量密度。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近(微米甚至亚微米)的小斑点上，加上本身的高强度，可以使其焦点处的功率密度达到1071012 W/cm2,温度可达10000以上。如此高的温度能使任何固体材料在瞬间熔化，甚至蒸发。从理论上讲，激光可用来加工任何种类的固体材料。经过不断的研究开发，激光已经广泛应用于切削加工、焊接、表面工程技术、非金属材料和
26、硬质合金加工等方面。(1)激光切削加工激光切削加工原理如图1所示。聚焦后的激光束沿着垂直于工件运动方向射向工件表面，以速度。对工件材料逐层熔化和气化。激光束的强度决定熔化和气化的厚度。激光束横向移动形成加工处理后的表面。激光切削加工可分为粗加工和精加工。粗加工时材料去除率高达100mm3/min，精加工可实现微米级的加工精度，达到非常高的表面质量。激光切削可用于淬硬钢模具复杂表面成形加工，并能够在模具表面形成各种精细网纹(如仿真皮网纹)，用于生产装饰装演类的塑料零件。激光二维切割可取代冲压，切割速度达到10 m/min，切割精度0.1 m 。三维切割是小汽车复杂三维车身件的必需设备，是其他加工
27、方法所无法完成和取代的。图1 激光切削加工原理图激光加工精密小孔，直径可小至几微米，孔的深径比可达50100，用时只需0.001。，高度方向上各横截面圆度和几何精度远远超过普通加工方法的精度。激光切削加工不需要用刀具，属于非接触加工，无机械变形，可用于金刚石拉丝模、钟表宝石轴承、陶瓷、玻璃、非金属材料和硬质合金、不锈钢等难加工金属材料。(2)激光焊接 激光焊接可以是同种金属材料或者金属材料与不锈钢、镍基合金、镀锌钢板的焊接，或者是异种非金属材料的焊接，焊接厚度可以从0.516mm在汽车工业中，不同厚度的激光拼接板可用于减小车身质量、降低成本、减少零件数量、提高产品安全可靠性。世界各大汽车公司大
28、量使用激光拼焊板。我国一汽集团的汽车变速器齿轮激光焊接、内燃机汽缸与缸套的焊接等，焊缝质量匀称致密，热影响区小，工件基本无变形。(3)激光在表面工程技术上的应用 激光表面工程技术就是利用激光束能量高度集中、方向高度集中的特性，对材料进行表面改性强化或合金化，是最近十几年发展起来的材料处理新技术，一般包括激光相变淬火、激光熔凝、激光熔覆、激光合金化和激光表面复合处理技术等，广泛应用于冶金、机械、模具、刀具、汽车、石油化工、电力、材料、印刷包装业、纺织、电器、电子、轻工等行业。2.1.2 激光的精细加工激光技术可在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层，强化
29、层的硬度较常规热处理高出巧15%20%，提高了表面层的耐磨性和抗接触疲劳能力。表面层与基体结合牢固，热影响区小，工件热变形可由加工工艺控制到极小的程度。激光齿轮强化工艺，其有效硬化层深度达到0.61.0mm，且避免了常规热处理的变形过大及噪声、污染等问题，淬火后无需进行磨齿，可直接装机使用，生产成本降低40%80%。2.1.3 激光熔覆激光熔覆是利用激光束将熔橙材料粉末熔化后附着在基体材料上，形成新的复合材料层。当激光功率密度在104106W/C时量级范围内时，材料表层将发生熔化，这是熔覆所需的功率密度。典型的熔覆材料有Ag、Ni、Cu、不锈钢、镍基合金和钻基合金，甚至还有氮化物和碳化物、陶瓷
30、材料等。武钢公司初轧厂280 t/m扭力矩的大型人字齿轮，采用激光熔覆技术进行修复，成本只有原值的50%，使用寿命提高l一5倍，修复后运行状况良好210激光表面合金化既改变表面层的结构，又改变表层的成分，大幅度地提高材料的耐磨、耐腐蚀性能和硬度。研究发现3，将SiC、WC、TiC粉末喷注到钢的激光熔池中，形成的覆层硬度分别达到HV 1 700、HV 1 100和HV 1 800。在工具钢基体上，经激光合金化TiB2和B4C层，使钢的耐磨损能力比未经处理的钢提高了10倍。2.1.4 激光技术的应用前景 激光是一种清洁的绿色能源，生产效率高、成本低，加工质量稳定可靠，具有良好的经济效益和社会效益。
31、世界各国尤其是工业发达国家，都在大力推广应用激光加工技术。据统计，1998年全球的激光技术产业营业额高达647亿美元，我国的激光产业约1亿美元。在激光产业规模上我国远远落后于世界同行业水平，这也与我国的研究水平很不相称，主要问题是实际应用，特别是制造水平上存在差距。激光器的光束质量是决定激光技术应用的关键，我国生产的激光器对光束质量还没有明确印定。另外，激光技术是多学科、多专业的交叉，还有与之相关的技术配合、衔接等问题，也影响到其应用。重视光束质量，提高激光器的制造水平，深人进行应用研究，才能赢得市场，才能促进激光技术的应用和发展。随着我国机械制造、汽车制造业的大批量、高效率、高质量的生产线建
32、设要求与发展，人员素质水平的不断提高，利用激光技术提高性价比，降低生产成本，定会使激光技术的应用像计算机一样普遍。第3章 激光加工中闭环控制技术3.1激光加工控制激光加工的目标就是获得最优的工艺参数,如材料去除率,表面质量及尺寸精度,从而更经济地生产出高质量零件。可用烧蚀面的生成与扩展这两个参数来表示激光加工,如图1 所示,烧蚀面的尺寸和传播速度决定了材料去除率,烧蚀面的几何形状决定了表面质量和尺寸精度。激光加工的典型状态变量钻孔时为孔深度,切割时为切口深度,雕刻时为锥度1 ,4 ,5 。目前,大部分激光加工还依赖费时的“试错法”来获得仅适合于某一特殊用途的工艺参数。这种方法不能获得加工中的动
33、态变化,也不能获得最佳的工艺参数。为了克服上述缺点,在激光加工中引进了闭环控制技术2 ,3 ,实时用传感器检测出某些参数(如电流或电压) 的变化,并转换成实际加工变量,如切削的深度或锥度,与印准给定值比较,利用其差值作为控制量,进而自动调节激光器的工作参数,如谐振电流或光束扫描/ 工件运动速度,以保证加工精度,并做到工艺参数的最佳。图1 激光加工中的烧蚀面63.2 闭环控制技术3.2.1 激光束空间分布的闭环控制在所有的工艺参数中,影响最大的是激光功率及其在空间与时间域上的分布。一些学者对激光功率及光束空间分布的实时诊断与控制进行研究2 ,3 ,7 ,8 。通过扫描横穿光路的金属丝或转动反射镜
34、,用激光束分析仪(LBA) 就能测量出激光强度。LBA 将金属丝或反射镜扫描信息转换成电压信号,分析后就可得到激光束空间分布图,从而构造出激光束的三维图及获得非焦点区的光束强度。光束分布图可用辅助诊断激光谐振腔的调整3 ,即调整谐振腔中的光学镜位置,就可补偿被测光束分布图与印准图之间的误差,如图2所示。图2 激光束功率控制示意图3通过分析会聚、聚焦和发射光束的图像,就能评估出聚焦透镜及光束传递系统的性能。所测量的参数包括聚焦功率密度、焦点直径、工作距离和光束发散角。具有闭环控制的LBA 能使激光功率波动最小,通过调整激光腔的电流就可对误差进行补偿3 。激光束分析提供了检测和控制光束波动的快速测
35、量方法,但LBA 没有直接考虑烧蚀面或热影响区的实际状况,对加工干扰不敏感,如材料杂质,等离子体形成、熔化层形成、气流波动及速度。在加工控制环中,监控光束强度并保持其稳定,但并不能确保加工过程一定稳定。待添加的隐藏文字内容33.2.2 光二极管阵列的图像控制使用光二极管阵列,可获得烧蚀面的图像。一旦产生图像,就可确定烧蚀面几何形状的某些特征值。如图3 所示，GaAs 波动窗将烧蚀面的图像反射至CCD 摄像仪。根据图像形状及亮度的不同,可将激光切割特征分成三类:自然、好质量及非穿透。这种自适应闭环控制可用于监控并调整激光切割的工艺参数,如激光工件运动、激光头及辅助气体压力2 。图3 同轴观察烧蚀
36、面的实验装置23.2.3 焦平面阵列摄像仪控制系统肖特基二极管矩阵的焦平面阵列摄像仪可对激光雕刻加工中的烧蚀面进行红外成像5 。如图4 所示,摄像仪与激光之间成30角,即非同轴放置。图4 激光雕刻过程中的红外成像装置5每个二极管检测到的光子流转变成温度值(用Planck 定律) 。所有二极管温度累积就形成烧蚀面的温度场。沿雕刻中心线温度场的测量结果表明,烧蚀面温度场可分为三个区:温度急剧上升区,高温稳定区和温度下降区。在已知工件材料特性时,如熔化/ 气化温度、导温率、辐射率和吸收率,就可根据图像计算出雕刻深度5 。3.2.4 声辐射监测技术 图6 测量声辐射的实验装置4 图5 监测反射镜振动的
37、装置3如图5 所示,压电传感器紧贴在铜镜背面,从烧蚀面反射的激光束冲击镜面而产生振动6 。随着光束焦点位置移至光学元件工作距离之外时,振幅也随之增加。通过检测镜面的振动,就可探出激光钻孔的孔形状。图7 激光加工中频率与深度的关系4a 激光雕刻b 激光切割c 激光钻孔在激光加工过程中,喷射在烧蚀面上的同轴气流产生声辐射4 。气体在限定区域产生的压力波形成频率5kHz20kHz 的声辐射。通过分析频率特性,就可确定烧蚀面的几何形状。用麦克风接受声辐射信号,并将之转换成时间域上的频谱(用快速傅里叶变换) ,如图6 所示。频谱分析显示,在不同的加工条件下,总能检测到幅值是其它频率两倍的谐振频率。随着孔
38、加深或切口加长,谐振频率逐渐衰减,如图7 。通过分析,用波动方程就可建立谐振频率与孔/ 切割/ 雕刻深度间的关系4 。3.2.5 基于火花簇射观察的间接监控系统图8 基于火花簇射观察的控制系统(激光切割) 9如图8 所示,将摄像机安装在金属工件的下方,观察火花簇射和熔化金属流2 ,9 。切口壁表面粗糙度和束流的变化会影响火花流及熔化材料流。在这种间接方法中,火花簇射可分成两个区域:密集的圆锥体区和发散的圆锥体区9 。测量结果和逻辑操作指令输入由评估器与规则基组成的决策系统。决策系统的输出结果传入能设置适当命令的接口,从而调整工艺参数、如激光功率、相对速度和气流。3.2.6基于温度估算的自适应控
39、制技术根据普朗克定律,用光二极管测得的热辐射能转换成烧蚀面温度值。图9 所示的实验装置中,将二极管与激光束呈30角安装。二极管所得的温度值与切口质量相比较,推导出经验关系式,并作为自适应控制模型,以保持获得切口形状所需的温度常数。为了补偿印准与实际温度之间的误差,必须不断地改变相对运动速度。但烧蚀面发出的火花可能导致温度测量值失真,从而难以控制。虽然光二极管采样频率达215kHz ,但由于将信号转换成温度所需计算次数、自适应控制逻辑,及计算机硬件的限制,整个系统将是增益非常低的稳定的响应慢的控制系统。3.2.7 分析与讨论以上介绍的六种主要方法比较如表1 所示。如下因素影响着传感技术的效益:响
40、应时间、分辨率、传感器模型的有效性和强度。响应时间在很大程度上决定了传感器的采样速率。由单个光二极管或压电晶体组成的传感器,其响应时间通常小于1ms。由于图像处理需要大量的计算,光二极管阵列传感器扫描整个阵列产生图像需30ms 左右。传感器的分辨率对测量精度有很大的影响,单个光二极管或压电晶体构成的传感器仅能对烧蚀面状况信息进行累积,焦平面阵列或CCD 摄像仪能提供烧蚀面形状及温度分布的详细信息,但需要较长的响应时间。所以,在选择传感器时必须综合考虑分辩率和响应时间两因素。传感器模型也是传感测量技术的一个重要方面。超出规定的测量范围,经验关系式就不能获得精确的测量结果。而且,经验关系式模型仅能
41、提供定性结果,如“好”或“坏”。为了改善覆盖激光系统整个工作范围内的精度,必须用定量模型来描述入射光子或声辐射与烧蚀面几何形状间的关系。例如,文献4采用波动方程模型分析声辐射,文献5采用热传导模型分析激光雕刻时的温度场。强度决定了传感器抗外界干扰的能力,由于烧蚀面区域内其它物质的辐射,造成干扰,所以热辐射测量结果易于出错。光二极管不能区别由高温表面发出的辐射与其它源所发生的具有相同波长的辐射。测量声辐射的传感器则易受如下因素影响:气流颤动、气体温度、以及材料蒸汽或等离子体与气流的混合。结束语： 通过对激光技术及其产品的研究，了解了激光的基本知识、激光的发展，激光的一些产品。使我们进一步对激光技术有了更感性的认识。从激光的发现到其产品的研制及在工业上的应用的深究，使我们从本质上搞清楚了激光技术产品的工作原理及应用。
