5.1激光加工的原理和特點(diǎn)5.2激光加工的基本設(shè)備5.3激光加工的工藝及應(yīng)用第５章激光加工1.一、激光的產(chǎn)生原理

激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興科學(xué)。激光加工（LaserBeamMachining簡(jiǎn)稱LBM），是利用光的能量經(jīng)過聚焦后在焦點(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。（一）光的物理概念及原子的發(fā)光過程1、光的物理概念光是在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波，光具有波粒兩象性。波長(zhǎng)λ，頻率ν和波速c之間的關(guān)系：把所有電磁波按波長(zhǎng)和頻率排列，可以得到電磁波波譜。P127圖5-15.1激光加工的原理和特點(diǎn)2.可見光的波長(zhǎng)為0.4-0.76μm，根據(jù)波長(zhǎng)不同分為七種顏色。3.

根據(jù)廣的量子學(xué)說，光是一種具有一定能量的以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。這種具有一定能量的粒子稱為光子。不同頻率的光對(duì)應(yīng)于不同能量的光子，光子的能量與光的頻率成正比。一束光的強(qiáng)弱與這束光所含光子多少有關(guān)，光子多則光強(qiáng)。2、原子的發(fā)光

光的產(chǎn)生與光源內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，原子內(nèi)的電子按一定的半徑軌道圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，當(dāng)原子接受一定的外來能量或向外釋放一定的能量時(shí)，核外電子的運(yùn)動(dòng)軌道半徑將發(fā)生變化，即產(chǎn)生能級(jí)變化。原子從高能級(jí)到低能級(jí)的“躍遷”，會(huì)以光子的形式輻射出能量。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)發(fā)射。4.一、激光的產(chǎn)生原理

（二）激光的產(chǎn)生某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來能量激發(fā)條件下，會(huì)吸收光能，使處于較高能級(jí)（亞穩(wěn)態(tài)）的原子（或粒子）數(shù)目大于處于低能級(jí)（基態(tài)）的原子數(shù)目，這種現(xiàn)象為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。在粒子反轉(zhuǎn)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兩個(gè)能級(jí)的能量差，這時(shí)就能產(chǎn)生受激輻射，輸出大量光能。P128圖5-3說明5.1激光加工的原理和特點(diǎn)5.二、激光的特性

激光具有光的共性。其特點(diǎn)：（一）強(qiáng)度高原因能實(shí)現(xiàn)光能在空間和時(shí)間上的高度集中。（二）單色性好光的波長(zhǎng)為一個(gè)確定的數(shù)值。光譜范圍小，單色性好。（三）相干性好相干性可用相干時(shí)間和相干長(zhǎng)度來表示。（四）方向性好光束的方向性用光束的發(fā)散角來表示。發(fā)散角小，方向性好。5.1激光加工的原理和特點(diǎn)6.普通光源激光光源亮度電燈：約470sb太陽(yáng)：約1.65X105sb紅寶石激光器，約1.65X1015sb功率1000MW/cm2方向無確定方向、發(fā)散角大、難會(huì)聚發(fā)散角小到0.1mrad（近似平行光），光束會(huì)聚其焦點(diǎn)處光斑10um單色性氪燈的光源譜線寬為0.0047?激光的譜線寬度為10-7?相干性氪燈光源的相干長(zhǎng)度78cm激光的相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里激光的特性7.三、激光加工的原理和特點(diǎn)

激光具有光的共性。其特點(diǎn)：1）聚焦后，激光加工的功率密度高達(dá)108-1010W/cm，幾乎可溶化、氣化任何材料。2）激光光斑大小可以聚焦到微米級(jí)，功率可調(diào)，因此可用以精密微細(xì)加工。3）加工工具是激光束，是非接觸加工，無明顯機(jī)械力，沒有工具損耗。4）和電子束加工相比，加工裝置比較簡(jiǎn)單5）影響因素多，精微加工時(shí)精度不易保證6）加工中產(chǎn)生金屬氣體及火星等，要通風(fēng)抽走，戴護(hù)目鏡5.1激光加工的原理和特點(diǎn)8.一、激光加工機(jī)的組成部分

激光加工的基本設(shè)備由激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)四部分組成。１）激光器激光加工的重要設(shè)備，把電能轉(zhuǎn)變成光能２）電源為激光器提供能量及控制功能３）光學(xué)系統(tǒng)包括激光聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)４）機(jī)械系統(tǒng)主要包括床身、能在三座標(biāo)范圍內(nèi)移動(dòng)的工作臺(tái)及機(jī)電控制系統(tǒng)等。已實(shí)現(xiàn)數(shù)控操作。5.２激光加工的基本設(shè)備9.二、激光加工常用激光器

按工作物質(zhì)的種類可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四大類。按工作方式可分為連續(xù)和脈沖激光器。P131表5-2常用激光器的性能特點(diǎn)（一）固體激光器采用光激勵(lì)，能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，光的激勵(lì)能量大部分轉(zhuǎn)換為熱能，效率低。為避免介質(zhì)過熱，常采用脈沖方式。１、固體激光器的基本組成工作物質(zhì)尺寸較小，結(jié)構(gòu)比較緊湊，包括工作物質(zhì)、光泵、玻璃套管和濾光液、冷卻水、聚光器及諧振腔等。5.２激光加工的基本設(shè)備10.二、激光加工常用激光器

5.２激光加工的基本設(shè)備11.二、激光加工常用激光器

2、固體激光器的分類常用的工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石（YAG）。1）紅寶石激光器易于獲得相干性好的單模輸出，穩(wěn)定性好。是三能級(jí)系統(tǒng)激光器，主要是鉻離子起受激發(fā)射作用。初期用的較多。5.２激光加工的基本設(shè)備12.二、激光加工常用激光器

2）釹玻璃激光器是四能級(jí)系統(tǒng)激光器，比三能級(jí)系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；具有較高的光學(xué)均勻性，特別適用于精密微細(xì)加工。釹玻璃價(jià)格低，易作成較大尺寸，功率可做的較大。缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性差，必須有冷卻裝置。5.２激光加工的基本設(shè)備13.二、激光加工常用激光器

3）摻釹釔鋁石榴石（YAG）激光器是四能級(jí)系統(tǒng)激光器；釔鋁石榴石的熱物理性能好，有較大的導(dǎo)熱性，膨脹系數(shù)小，強(qiáng)度高，激勵(lì)閥值低。價(jià)格昂貴但性能優(yōu)越，廣泛用于打孔、焊接、微調(diào)等。（二）氣體激光器采用電激勵(lì)，其效率高、壽命長(zhǎng)、連續(xù)輸出功率大，廣泛用于切割、焊接、熱處理等。常用的有二氧化碳激光器、氬離子激光器。5.２激光加工的基本設(shè)備14.二、激光加工常用激光器

1、二氧化碳激光器是以二氧化碳?xì)怏w為工作介質(zhì)的分子激光器，連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)萬(wàn)瓦，是目前連續(xù)輸出功率最高的激光器，效率可高達(dá)20%以上，因?yàn)槠涔ぷ髂芗?jí)壽命比較長(zhǎng)。為了提高輸出功率，一般加進(jìn)氮、氦、氙等輔助氣體和水蒸氣。其一般結(jié)構(gòu)如圖，包括放電管、諧振腔、冷卻系統(tǒng)和激勵(lì)電源等。5.２激光加工的基本設(shè)備15.二、激光加工常用激光器

放電管

用硬質(zhì)玻璃管做成，要求高的用石英玻璃管諧振腔

采用平凹腔，一般以凹面鏡作為全反射鏡，以平面鏡作為輸出端反射鏡。全反射鏡一般鍍金屬膜，如金、銀或鋁膜。輸出端的反射鏡有三種形式。激勵(lì)電源

可以用射頻電源、直流電源、交流電流和脈沖電源等，其中交流電源用的最廣泛。二氧化碳激光器一般都用冷陰極，常用電極材料有鎳、鉬和鋁。5.２激光加工的基本設(shè)備16.二、激光加工常用激光器

2、氬離子激光器氬離子激光器是惰性氣體氬通過氣體放電，使氬原子電離并激發(fā)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生激光。工作能級(jí)離基態(tài)較遠(yuǎn)，能量轉(zhuǎn)換效率低，僅0.05%

采用直流電源波長(zhǎng)短，發(fā)散角小，可用于精密細(xì)微加工5.２激光加工的基本設(shè)備17.一、激光打孔激光打孔的成形過程是材料在激光熱源照射下產(chǎn)生的一系列熱物理現(xiàn)象綜合的結(jié)果。其主要影響因素：1、輸出功率和照射時(shí)間輸出功率越大，照射時(shí)間越長(zhǎng)，工件獲得能量越多2、焦距與發(fā)散角發(fā)散角小的激光束，經(jīng)短焦距的聚焦物鏡后，在焦面上可獲得更小的光斑和更高的功率密度。5.3激光加工工藝及應(yīng)用18.一、激光打孔3、焦點(diǎn)位置焦點(diǎn)位置對(duì)孔的形狀和深度都有很大影響，實(shí)際焦點(diǎn)在工件表面或略微低于表面。4、光斑內(nèi)能量分布焦點(diǎn)附近的光強(qiáng)度分布與工作物質(zhì)的光學(xué)均勻性、諧振腔調(diào)整精度有關(guān)。5.3激光加工工藝及應(yīng)用19.一、激光打孔5、激光的多次照射用激光照射一次，加工深度約為孔徑的5倍，且錐度較大。多次照射，深度大大增加，錐度減小，孔徑幾乎不變。多次照射能在不擴(kuò)大孔徑的情況下將孔打深是由于光管效應(yīng)6、工件材料工件材料的吸收光譜不同，激光能量不可能全部被吸收。5.3激光加工工藝及應(yīng)用20.二、激光切割激光切割的原理與激光打孔相似，不同的是工件與激光束要相對(duì)移動(dòng)。激光切割大都用重復(fù)頻率較高的脈沖激光器或連續(xù)輸出的激光器。YAG激光器：半導(dǎo)體劃片、Y形、十字形等型孔加工、精密零件的窄縫切割與劃線、雕刻等。CO2激光器：鋼板、鈦板、石英、陶瓷、塑料、木材、布匹等