第五章激光加工

LaserBeamMachining第一節(jié)激光加工的原理和特點(diǎn)

第二節(jié)激光加工的基本設(shè)備

第三節(jié)激光加工工藝及應(yīng)用激光加工技術(shù)

激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一門新興科學(xué)，在材料加工方面，已逐步形成一種嶄新的加工方法—激光加工（LasserBeamMachining簡稱LBM）。激光加工可以用于打孔、切割、電子器件的微調(diào)、焊接、熱處理、以及激光存貯等各個領(lǐng)域。由于激光加工不需要加工工具，而目加工速度快、表面變形小，可以加工各種材料。激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點(diǎn)上達(dá)到很高的能量密度靠光熱效應(yīng)來加工各種材料的。第一節(jié)激光加工的原理與特點(diǎn)

（一）光的物理概念及原子的發(fā)光過程

1．光的物理概念光具有波粒二象性。根據(jù)光的電磁學(xué)說，可以認(rèn)為光實(shí)質(zhì)上是在一定波長范圍內(nèi)的電磁波。

人們能夠看見的光稱為可見光，它的波長為0.4～0.76μm?？梢姽飧鶕?jù)波長不同分為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、青、紫等七種光，波長大于0.76的稱紅外光或紅外線，小于0.4的稱紫外光或紫外線。

根據(jù)光的量子學(xué)說，又可以認(rèn)為光是一種具有一定能量的以光速運(yùn)動的粒子流，這種具有一定能量的粒子就稱為光子。不同頻率的光對應(yīng)于不同能量的光子，光子的能量與光的頻率成正比，即式中：E—光子能量；

—光的頻率；h—普朗克常數(shù)。一束光的強(qiáng)弱與這束光所含的光子多少有關(guān)，對同一頻率的光來說，所含的光子數(shù)多，即表現(xiàn)為強(qiáng)；反之，表現(xiàn)為弱。2．原子的發(fā)光原子由原子核和繞原子核轉(zhuǎn)動的電子組成。原子的內(nèi)能就是電子繞原子核轉(zhuǎn)動的動能和電子被原子核吸引的位能之和。如果由于外界的作用，使電子與原子核的距離增大或縮小，則原子的內(nèi)能也隨之增大或縮小?；鶓B(tài)：只有電子在最靠近原子核的軌道上運(yùn)動才是最穩(wěn)定的，人們把這時原子所處的能級狀態(tài)稱為基態(tài)。

激發(fā)態(tài)：當(dāng)外界傳給原子一定的能量時（例如用光照射原子），原子的內(nèi)能增加，外層電子的軌道半徑擴(kuò)大，被激發(fā)到高能級，稱為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。下圖是氫原子的能級，圖中最低的能級E1稱為基態(tài)，其余E2、E3等都稱為高能態(tài)。

躍遷：被激發(fā)到高能級的原子一般是很不穩(wěn)定的，它總是力圖回到能量較低的能級去，原子從高能級回落到低能級的過程稱為“躍遷”。亞穩(wěn)態(tài)能級：有些原子或離子的高能級或次高能級有較長的壽命，這種壽命較長的較高能級稱為亞穩(wěn)態(tài)能級。能級激光器中的氦原子、二氧化碳分子以及固體激光材料中的鉻或釹離子等都具有亞穩(wěn)態(tài)能級，這些亞穩(wěn)態(tài)能級的存在是形成激光的重要條件。

當(dāng)原子從高能級躍遷回到低能級或基態(tài)時，常常會以光子的形式輻射出光能量，所放出光的頻率與高能態(tài)En和低能態(tài)E1之差有如下關(guān)系

自發(fā)輻射：原子從高能態(tài)自發(fā)地躍遷到低能態(tài)而發(fā)光的過程稱為自發(fā)輻射。受激輻射：當(dāng)一束光入射到具有大量激發(fā)態(tài)原子系統(tǒng)中，若這束光的頻率與很接近，處在激發(fā)能級上的原子，在這束光的刺激下會躍遷回較低能級，同時發(fā)出一束光，這束光與入射光有著完全相同的特性，它的頻率、相位、傳播方向、偏振方向都是完全一致的。這樣的發(fā)光過程稱為受激輻射。（二）激光的產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來光子能量激發(fā)的條件下，會吸收光能，使處在較高能級（亞穩(wěn)態(tài)）的原子（或粒子）數(shù)目大于處于低能級（基態(tài)）的原子數(shù)目，這種現(xiàn)象，稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。

在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，如果有一束光子照射該物體，而光子的能量恰好等于這兩個能級相對應(yīng)的能量差，這時就能產(chǎn)生受激輻射，輸出大量的光能。二、激光的特性激光也是一種光，它具有一般光的共性，也有它的特性。激光發(fā)射是以受激輻射為主，發(fā)光物質(zhì)中基本上是有組織地、相互關(guān)聯(lián)地產(chǎn)生光發(fā)射的，發(fā)出的光波具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和嚴(yán)格的位相關(guān)系。（一）強(qiáng)度高一臺紅寶石脈沖激光器的亮度要比高壓脈沖氙燈高三百七十億倍，比太陽表面的亮度也要高二百多億倍。激光的亮度和強(qiáng)度特別高。激光的強(qiáng)度和亮度之所以如此高，原因在于激光可以實(shí)現(xiàn)光能在空間上和時間上的亮度集中。（二）單色性好

“單色”指光的波長（或者頻率）為一個確定的數(shù)值，實(shí)際上嚴(yán)格的單色光是不存在的。單色光都是指中心波長為λ0譜線寬為△λ的一個光譜范圍?！鳓朔Q為該單色光的譜線寬，是衡量單色性好壞的尺度，其值越小，單色性就越好。（三）相干性好

光源的相干性可以用相干時間或相干長度來量度。

相干時間：是指光源先后發(fā)出的兩束光能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的最大時間間隔。相干長度：在相干時間這個最大的時間間隔內(nèi)光所走的路程（光程）就是相干長度。它與光源的單色性密切有關(guān)，即式中L—相干長度；—光源的中心波長；—光源的譜線寬度。（四）方向性好光束的方向性是用光束的發(fā)散角來表征的。普通光源由于各個發(fā)光中心是獨(dú)立地發(fā)光，而且各具有不同的方向，所以發(fā)射的光束是很發(fā)散的。即使是加上聚光系統(tǒng)，要使光束的發(fā)散角小于0.lsr，仍是十分困難的。激光則不同，它的各個發(fā)光中心是互相關(guān)聯(lián)地定向發(fā)射，所以可以把激光束壓縮在很小的立體角內(nèi)，發(fā)散角甚至可以小到0.1×10-3sr左右。三、首激屬光加存工的煮原理介與特鄙點(diǎn)1.激光卻加工珠的原存理由于薯激光樣的發(fā)忍散角晉小和稱單色哥性好跡，理聾論上倒可以瓶聚焦象到尺困寸與日光的誘波長覽相近睜的(微米餃甚至仰亞微咬米)小斑凍點(diǎn)上傘，加與上它消本身款強(qiáng)度波高，桃故可管以使露其焦遠(yuǎn)點(diǎn)處證的功咽率密窗度達(dá)姿到108～1011W/謙cm2，溫往度可暈達(dá)10克00遵0℃以上示。在摩這樣灶的高眾溫下違，任想何材主料都深將瞬茅時急幕劇熔懶化和糕汽化酬，并側(cè)爆炸即性地尊高速目噴射館出來緊，同禿時產(chǎn)忽生方潔向性臨很強(qiáng)禮的沖險(xiǎn)擊。因此原，激致光加卻工是秧工件岸在光反熱效叮應(yīng)下材產(chǎn)生福高溫聽熔融判和受催沖擊零波拋或出的破綜合易過程貿(mào)。激光轟加工神示意默圖2.激光雞加工浪的特款點(diǎn)(1信)幾乎獻(xiàn)對所噸有的氏金屬劈燕和非厘金屬鋼材料竿都可弊以進(jìn)鍋行激惹光加去工。(2拳)激光占能聚菠焦到宅微米拌級，愛輸出吹功率魯可以抄調(diào)節(jié)拳，可準(zhǔn)進(jìn)行偷微細(xì)政和精虹密加故工，妖如微膨細(xì)窄嗎縫和匪微型士孔的報(bào)加工女。(3芹)可用榮反射路鏡將地激光沫束送阻往遠(yuǎn)方離激粘光器威的隔宵離室嬸或其址它地茶點(diǎn)進(jìn)傅行加輸工。(4轎)是非藏接觸微加工滲，沒恢有明坡顯的急機(jī)械徒力，及沒有而工具暖損耗彎問題字。加略工速階度快抱、熱鎮(zhèn)影響碗?yún)^(qū)小丙，容您易實(shí)貓現(xiàn)加直工過協(xié)程自券動化車。還乏能通出過透灰明體腦進(jìn)行窗加工衣，如蛇對真鳴空管規(guī)內(nèi)部到進(jìn)行慢焊接許加工頓等。(5牧)和電輛子束照加工遷等比機(jī)較起緞來，武激光吩加工壤裝置久比較幼簡單緒，不售要求視復(fù)雜邪的抽遼真空寇裝置居。(6疲)是一軌種瞬層時、勁局部沒熔化瀉、氣持化的摘熱加?xùn)|工，譜影響膏因素域很多甚，因郵此，爐精微襖加工瞧時，殼精度男尤其晚是重射復(fù)精授度和艇表面唐粗糙域度不障易保香證。(7原)加工竭中產(chǎn)猶生的疫金屬久氣體賤及火甜星等氏飛濺菜物，舟要注疑意通帳風(fēng)抽黃走，怒操作醫(yī)者應(yīng)嚴(yán)戴防替護(hù)眼硬鏡。第二領(lǐng)節(jié)偵激光基加工的基房誠本設(shè)備一、倦激光嶄加工維機(jī)的用組成部分：激光捆器：電能→光能射，產(chǎn)環(huán)生激斗光束激光闊器電據(jù)源：涂提供害所需運(yùn)的能淋量及封控制侮功能光學(xué)寧系統(tǒng)密：激在光聚跟焦系攤統(tǒng)和觀察州瞄準(zhǔn)策系統(tǒng)（觀征察和庸調(diào)整鄙激光擴(kuò)束的航焦點(diǎn)聲位置鹽）機(jī)械州系統(tǒng)：床嗓身、運(yùn)能在黑三坐姻標(biāo)范信圍內(nèi)執(zhí)移動咐的工芬作臺梅、電暑控系漿統(tǒng)2、按無工作鹿方式爸分類連續(xù)此式（誼功率談可達(dá)104W）脈沖千式（腎瞬時強(qiáng)功率能可達(dá)1017W）激光睜器的牲種類負(fù)：固體慚（仍如紅級寶石Al2O3）液體例（項(xiàng)如某扇些染煮料）氣體賊（緒如He渾-N脫e、CO2）1、按慌激活確介質(zhì)狠的種古類分塔類（一策）固體封激光偽器1.固體擺激光悅器的掏基本略組成士：工作郊物質(zhì)什、光躺泵（釣脈沖蟻氙燈碰）、座玻璃禍套管銳、濾拜光液鍵、冷勉卻水享、聚扭光器屋、諧站振腔京等光學(xué)倘諧振資腔作業(yè)用：是選籌擇頻僅率一青定、悼方向主一致怪的光催作最喇優(yōu)先擾的放算大，曉而把萍其他喬頻率離和方商向的竿光加擋以抑花制。限如圖京，凡丟不沿姓諧振凳腔軸怪線運(yùn)位動的任光子伏均很枯快逸退出腔圖外，溝與工先作介辛質(zhì)不插再接溜觸。虛沿軸丸線運(yùn)勵動的洋光子并將在呈腔內(nèi)告繼續(xù)雷前進(jìn)紗，并抖經(jīng)兩竭反射磨鏡的瀉反射益不斷頂往返辭運(yùn)行停產(chǎn)生片振蕩摩，運(yùn)年行時柱不斷冬與受源激粒卸子相演遇而私產(chǎn)生駝受激聽輻射屬，沿效軸線揮運(yùn)行怖的光念子將商不斷水增殖哪，在紀(jì)腔內(nèi)黃形成里傳播先方向滿一致綁、頻席率和訪相位披相同充的強(qiáng)滲光束銹，這芳就是咽激光班。1.紅寶路石激側(cè)光器磨：紅寶切石是川摻有衣質(zhì)量烤分?jǐn)?shù)糾為0.愛05％氧挪化鉻鋼的氧考化鋁綱晶體凝，發(fā)誕射λ=唐0.慮69群43河μm的紅抖光，弊穩(wěn)定吩性好盒。紅繪寶石萄激光首器是鎖三能吩級系里統(tǒng)，伯主要奇是鉻瓶離子汁起受邊激發(fā)否射作低用。在高味壓氙粉燈的書照射摧下，掉鉻離巡壽子從拖基態(tài)E1被抽找運(yùn)到E3吸收位帶，莊由于E3平均粒壽命名短，并在小絲式于10-7s內(nèi)，諒大部罰分粒學(xué)子通余過無淋輻射鋪躍遷課落到苗亞穩(wěn)葉態(tài)E2上，E2的平鐘均壽嗚命為3×柜10-3s，比E3高數(shù)墻萬倍旺，所鄙以在E2上可寫貯存踏大量圖粒子聾，實(shí)張現(xiàn)E2和E1能級蟲之間宋的粒別子數(shù)觸反轉(zhuǎn)設(shè)，發(fā)谷射激假光。2.釹玻新璃激概光器攪：釹玻轟璃是武摻有茄少量木氧化法釹（Nd2O3）的櫻非晶知體硅待酸鹽褲玻璃奔，釹條離子低（Nd3+）的粘質(zhì)量負(fù)分?jǐn)?shù)飾在1％～5％左料右，紀(jì)發(fā)射λ=甲1.饑06鉤μm的紅狂外激殼光。園釹玻扎璃激腔光器盲是四毛能級挪系統(tǒng)捏，有趨中間號過渡貴能級枯，比乎三能梯級系叛統(tǒng)更鼠容易盤實(shí)現(xiàn)荷粒子贏數(shù)反常轉(zhuǎn)。處于湖基態(tài)E1的釹炭離子慨吸收灑氙燈云的很祥寬范散圍的伸光譜其而被漂激發(fā)蒜到E4能級珠，E4能級佩的平府均壽靈命很獸短，來大部糞分通陶過無有輻射送躍遷遮到E3能級散。E3能級羅壽命以可長奏達(dá)3×拴10-4s，所當(dāng)以形抬成E3和E2能級瓦的粒退子數(shù)券反轉(zhuǎn)面，當(dāng)E3能級階粒子?；氐紼2能級掩時，丹發(fā)出鋪紅外址激光賺。3.摻釹間釔鋁以石榴店石（YA叫G）激奪光器早：YA譽(yù)G是在膀釔鋁賴石榴甚石（Y3Al5O12）晶絨體中遷摻以1.傍5％左創(chuàng)右的此釹而辯成。劈燕是四語能級生系統(tǒng)圍激光撇器，相產(chǎn)生唇激光逐的也浸是釹酒離子皺，也葵發(fā)射λ=秧1.京06擔(dān)μm的紅播外激雷光。其價抖格比屑釹玻車璃貴自，但馬由于準(zhǔn)其性映能優(yōu)份越，肌廣泛舌用于眾打孔怪、切逼割焊寄接、什微調(diào)椒等工夠作。（二因）氣既體激恩光器氣體盞激光依器效窩率高堅(jiān)、壽灘命長釣、連奧續(xù)輸璃出功鄭率大榜。二氧析化碳漏激光壯器：以二脖氧化項(xiàng)碳?xì)庋牦w為舊工作串物質(zhì)靈的分語子激航光器坦，連能續(xù)輸篇出功誘率可拋達(dá)萬故瓦，岡是目根前連蹤蝶續(xù)輸散出功撈率最暗高的暖氣體世激光乳器，巧它發(fā)邀出的屆譜線早是在10猾.6遷μm附近唉的紅獲外區(qū)石，輸倚出最靠強(qiáng)的那激光飾波長個為10安.6盲μm。氬離說子激駛光器辣：是氬瓣（Ar）通霸過氣斥體放密電，敵使氬饅原子仿電離間并激壓發(fā)，未實(shí)現(xiàn)糕離子勝數(shù)反受轉(zhuǎn)而除產(chǎn)生教激光后。愚氬離河子激欲光器臟發(fā)出鏡的譜校線很水多，說最強(qiáng)惹的是您波長痰為的0.贊51遙45毛μm綠光情和波極長為0.測48沙80獸μm的青褲光。顛由于服波長紫短，馳可用襖于精忍密微腰細(xì)加哭工瞇。第三則節(jié)源激光怠加工濤工藝楊及應(yīng)凱用一、腦激光打孔二、疑激光切割三、拳激光延刻蝕疫打標(biāo)慌記一、增激光揪打孔一、擇激發(fā)光打咬孔主要他影響勝因素輸出慕功率蛇和照彩射時滾間焦距拴與發(fā)勢散角焦點(diǎn)膜的位誤置光斑涼內(nèi)的腿能量賠分布多次推照射工件繁材料3.焦點(diǎn)塔位置4.光斑忌內(nèi)的架能量嚷分布a）基祝模光駐束b）非慮基模戲光束c）基醒模和糖高次么模光掙束