第五章激光加工LaserBeamMachining(LBM),20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一門新興科學(xué);1960年美國(guó)梅曼發(fā)明第1臺(tái)紅寶石激光器，隨后各種激光器不斷涌現(xiàn)；1961年家王之江在長(zhǎng)春光機(jī)所研究成功我國(guó)第一臺(tái)激光器；激光器被稱為20世紀(jì)四大發(fā)明(原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī))之一，為科研、生產(chǎn)提供了新的手段；20世紀(jì)80年后開始在工業(yè)領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用：打孔/切割/電子器件微調(diào)/焊接/熱處理/激光存儲(chǔ)等;重點(diǎn)掌握：激光加工的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用；Laser----Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation，輻射的受激發(fā)射光放大，譯音萊塞,20世紀(jì)由錢學(xué)森建議改為激光或激光器；11發(fā)光方式：自然界存在著自發(fā)輻射和受激輻射兩種不同的發(fā)光方式，前者發(fā)出的光是隨處可見的普通光，后者發(fā)出的光便是激光。1）普通太陽光：聚焦后可以點(diǎn)燃木材、紙張，但不能用于加工，原因是：地面上的太陽光的能量密度不高；太陽光不是單色光，聚焦后不在同一平面內(nèi)；2)激光（為什么激光可以用于加工？）：可控的單色光，強(qiáng)度高、能量密度大，經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量密度，依靠光熱效應(yīng)可以在空氣介質(zhì)中高速加工任何材料；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。25.1激光加工的原理和特點(diǎn)1)電磁學(xué)：光是在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波，波長(zhǎng)λ＝波速c/頻率f：

λ<0.4um為紫外光，λ＝0.4-0.76um可見光;

λ>0.76um為紅外光；2)量子學(xué)：光是一種具有一定能量、且以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流(光子)，其能量E=hf(

h為普朗克常數(shù))：光子數(shù)相同時(shí)，E紫外>E紅外；頻率相同時(shí)，含光子數(shù)多的光束能量多；電磁波波譜圖可見光波譜圖頻率f波長(zhǎng)λ/m波長(zhǎng)/um1光的物理概念：具有波動(dòng)性及微粒性-----波粒二象性.35.1激光加工的原理和特點(diǎn)2原子發(fā)光：1)原子能級(jí):電子在原子外層的不同分布使其具有不同的內(nèi)能，內(nèi)能最低的狀態(tài)稱為基態(tài)E1；基態(tài)原子吸收外界能量后被激發(fā)到能量較高的激發(fā)態(tài)或高能態(tài)(E2-E8);通常,原子基態(tài)時(shí)可長(zhǎng)時(shí)間存在，而激發(fā)態(tài)時(shí)停留時(shí)間很短；但，有些原子在某些能級(jí)上停留時(shí)間較長(zhǎng)，這些能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，其存在是形成激光的重要條件；由于被激發(fā)到高能態(tài)的原子通常很不穩(wěn)定，總試圖回到低能態(tài)，其從高能態(tài)回落到基態(tài)的過程稱為躍遷；原子的躍遷是以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生的光能為：hf=En-E1；圖5.2原子的能級(jí)受激躍遷43)受激輻射（是激光產(chǎn)生的基礎(chǔ)）：某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，受外來光子激發(fā)后，可使處于高能級(jí)(亞穩(wěn)態(tài)E2)原子數(shù)>低能級(jí)(E1)原子數(shù)，這種現(xiàn)象稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)下，如再受到能量fh

=E2-E1的一束光子照射，即可產(chǎn)生受激輻射，發(fā)出頻率f＝(E2-E1)/h、單色性較好、強(qiáng)度高的光－激光;5.1激光加工的原理和特點(diǎn)3原子發(fā)光方式：1)激發(fā)：基態(tài)原子吸收外界能量被激發(fā)到激發(fā)態(tài)(如E3);2)自發(fā)輻射：原子從高能態(tài)自發(fā)回落到低能態(tài)而發(fā)光的過程；如日光燈等的光，其頻率/波長(zhǎng)不一，單色/方向性差；圖5.3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的建立和激光形成hfhfhf=E2-E1

54激光的特性：1）具有普通光的共性：反射、折射、繞射及干涉等；2）激光是受激輻射，發(fā)光物質(zhì)有組織、相互關(guān)聯(lián)地產(chǎn)生的光發(fā)射，發(fā)出的光波具有相同的頻率、方向、偏振狀態(tài)和嚴(yán)格的相位；與普通光的差別在于：強(qiáng)度、亮度高：比太陽表面亮度高20多億倍;單色性好：波長(zhǎng)基本為一固定值，即譜線寬度

窄，僅為10-8nm;相干性好：相干性是指光源先后發(fā)出的兩束光能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的最大時(shí)間間隔或所走過的最大光程；激光的相干長(zhǎng)度L可達(dá)數(shù)十千米，故可用于長(zhǎng)距離的精密測(cè)量；方向性好:用發(fā)散角衡量，可小于1x10-4sr(立體弧度)5.1激光加工的原理和特點(diǎn)65激光加工的原理：通過透鏡將激光束聚焦成極小光斑(直徑幾－十幾u(yù)m)，其功率密度極高(108-1010W/cm2);

光能被工件吸收后便迅速轉(zhuǎn)化為熱能(光斑區(qū)溫度可達(dá)1萬℃以上)，并致使材料熔化甚至氣化，這種加工方法即為激光加工。激光加工原理圖5.1激光加工的原理和特點(diǎn)76激光加工的特點(diǎn):幾乎可加工(熔化、氣化)所有金屬和非金屬；激光束(光斑)可聚焦到微米級(jí)，進(jìn)行精密微細(xì)加工；屬非接觸加工，工件不受機(jī)械切削力，無彈性變形；不存在工具磨損、振動(dòng)和機(jī)械噪聲；在大氣中無能量損失，設(shè)備簡(jiǎn)單，無需真空室；加工作用時(shí)間短，除加工部位外，幾乎不受熱影響、不產(chǎn)生熱變形；；加工效率高，可實(shí)現(xiàn)高速、自動(dòng)化切割和打孔；可通過空氣、惰性氣體或者光學(xué)透明介質(zhì)，可對(duì)隔離室或真空室內(nèi)工件進(jìn)行加工；屬熱加工，影響因素多、精度及Ra不易保證；材料表面光澤、透明時(shí)需色化或打毛處理(便于吸光)產(chǎn)生金屬氣體、火星等飛濺物，操作者需戴防護(hù)眼鏡。5.1激光加工的原理和特點(diǎn)85.2激光加工的基本設(shè)備1激光加工機(jī)的組成：激光器：重要設(shè)備，其功能是將電能變?yōu)楣饽埽óa(chǎn)生激光束）；激光器電源：提供激光器所需能量及控制功能；光學(xué)系統(tǒng)：聚焦和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(用于觀察、調(diào)整聚焦點(diǎn)位置)機(jī)械系統(tǒng)：包括床身、三坐標(biāo)工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)2常用的激光器：按工作介質(zhì)分為：固體激光器（紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石）氣體激光器（二氧化碳激光器、亞離子激光器）；按工作方式分為：連續(xù)、脈沖激光器；95.2激光加工的基本設(shè)備3固體激光器：工作物質(zhì)：紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石；光泵：為工作介質(zhì)提供光能，常用氙燈、氪燈；聚光器：將光泵發(fā)出的光聚集到工作介質(zhì)上；諧振腔：一組反射鏡構(gòu)成，使激光沿軸向反射共振，以便加強(qiáng)和改善輸出；玻璃套管及濾光液：濾除有害的紫外線，提高效率;固體激光器105.2激光加工的基本設(shè)備固體激光器類型：按工作介質(zhì)，有三種：紅寶石激光器：可見紅光，3能級(jí)激光器；易于獲得相干性單模輸出，穩(wěn)定性好；一般為脈沖輸出、頻率小于1次/秒；已逐漸淘汰。釹玻璃：紅外激光，四能級(jí)系統(tǒng)（因有過渡能級(jí)，易于實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）；效率2－3％，激光發(fā)射角小、適用于精細(xì)加工；熱導(dǎo)性差、需冷卻；脈沖輸出、頻率小于幾次/秒；打孔、焊接、切割等；摻釹釔鋁石榴石激光器：紅外激光，四級(jí)系統(tǒng)，效率3％，脈沖頻率10－100次/秒，連續(xù)輸出功率幾百瓦，性能優(yōu)越；打孔、焊接、切割、微調(diào)等；115.2激光加工的基本設(shè)備4氣體激光器：1）二氧化碳激光器：以二氧化碳?xì)怏w為介質(zhì)的分子激光器，加入氮、氦、氙、水蒸氣以提高功率，是目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器,功率可達(dá)萬瓦，效率20%；發(fā)出紅外光，用于功率與能量較大的場(chǎng)合；2）亞離子激光器：是惰性氣體氬（Ar）通過氣體放電，使氬原子電離并激發(fā)，實(shí)現(xiàn)離子束反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光的離子激光器；普線很多(最強(qiáng)為波長(zhǎng)0.5145微米的綠光和0.488的藍(lán)光），能量效率僅0.05%；波長(zhǎng)短、發(fā)散角小，能聚焦成更小的光斑，故適用于精密微細(xì)加工（如存儲(chǔ)光盤等）。125.3激光加工工藝及應(yīng)用打孔切割激光打標(biāo)（小功率激光束）激光雕刻（圖形、圖案）激光銑削激光熱處理（激光淬火、表面重熔）激光焊接（熔融+冷卻）激光快速成形技術(shù)（光敏樹脂固化）表面加工135.3激光加工工藝及應(yīng)用1激光打孔：1）加工能力：材料：幾乎可以在任何材料上打微型小孔；孔徑：可小于0.01mm；深徑比：可達(dá)50:1；速度：上萬個(gè)/分鐘；2）成功應(yīng)用領(lǐng)域：鐘表或儀表的寶石軸承；鉆石拉絲模具；化纖噴絲頭；火箭或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴等；143）激光打孔性能的影響因素（7方面）：輸出功率和打孔時(shí)間：工件獲得能量隨功率及時(shí)間增加而增加；時(shí)間一般為幾分之一到幾毫秒;焦距和發(fā)散角：減小焦距和發(fā)散角→光斑尺寸及孔錐度↓

、功率密度和孔深度↑;焦點(diǎn)位置：應(yīng)位于工件表面、或略低；5.3激光加工工藝及應(yīng)用15光斑內(nèi)能量分布：光束聚焦后光斑內(nèi)部各部分光強(qiáng)不同，導(dǎo)致孔的形狀不同；當(dāng)激光束為基模輸出時(shí)，能量分布對(duì)稱，孔也對(duì)稱；5.3激光加工工藝及應(yīng)用16激光照射次數(shù)的影響：一次照射：加工深度約為孔徑5倍、錐角大;多次照射：孔深↑、錐度↓、孔徑不變(光管效應(yīng));存在飽和區(qū)：當(dāng)照射次數(shù)到達(dá)一定程度后，孔深不隨照射次數(shù)的增加而增加；可通過提高單脈沖能量增加孔深5.3激光加工工藝及應(yīng)用后續(xù)照射的聚焦光在孔內(nèi)發(fā)散，并在孔壁上向孔內(nèi)深處反射，故孔徑不變、深度增加。17工件材料：激光加工中，部分光能因反射／透射而損失，吸收率取決于工件材料所能吸收的激光光譜和波長(zhǎng)；故反射／透射率高的工件應(yīng)作打毛／黑化處理，以增加光能吸收律；工件表面粗糙度：表面粗糙度值越小光能吸收效率越低（光被反射掉），打孔深度越淺。5.3激光加工工藝及應(yīng)用182激光切割：原理：與打孔相同，但需工件作相對(duì)移動(dòng)；可加工材料：金屬、非金屬；切割金屬時(shí)采用同軸吹氧工藝可提高切割速度及表面質(zhì)量；切割非金屬時(shí)吹CO2保護(hù)氣體；CO2激光器切割系統(tǒng)5.3激光加工工藝及應(yīng)用特點(diǎn)及應(yīng)用:無機(jī)械沖擊和壓力、切縫小；常用于玻璃、陶瓷、及芯片、集成電路等精密零件加工；切割速度的主要影響因素：激光功率、吹氣壓力、材料厚度等。19激光二維精細(xì)切割1mm厚不銹鋼鋁合金0.8mm厚，小孔直徑0.7mm0.7mm厚單晶硅4mm厚不銹鋼20激光焊接盒體鋁合金厚3mm鍋爐用鋼管，厚7mm汽車齒輪（16MnCr5）不銹鋼紙漿過濾器21激光熔覆與熱處理航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片修復(fù)熔覆層寬2mm，厚1mm曲軸花鍵槽修