1、5 激光加工,高能束（High Energy Density Beam: HEDB）加工,利用高能量密度的束流（激光束、電子束、離子束）作為熱源，對(duì)材料或構(gòu)件進(jìn)行加工的特種加工技術(shù)。 主要包括： 激光加工（Laser Beam Machining: LBM） 電子束加工（ Electron Beam Machining: EBM） 離子束加工（Ion Beam Machining: IBM）,5 激光加工,激光（Laser）是二十世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門新興科學(xué)。自1960年七月美國T.梅曼制成世界第一臺(tái)紅寶石激光器，激光技術(shù)迅速發(fā)展。 激光加工可以用于焊接、切割、打孔、打標(biāo)、熱處理、快速原

2、型等。 激光是可控的能量密度大的單色光。,5 激光加工,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 激光加工工藝及應(yīng)用,5.1 激光加工的原理和特點(diǎn),5.1.1 激光的產(chǎn)生原理 5.1.2 激光的特性 5.1.3 激光加工的原理和特點(diǎn),5.1.1 激光的產(chǎn)生原理,光的物理概念 光的電磁學(xué)說 在一定波長范圍內(nèi)的電磁波。 波長； 頻率； 波速；,5.1.1 激光的產(chǎn)生原理,光的物理概念（續(xù)） 光的量子學(xué)說 光是一種具有一定能量的以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流（光子）。不同頻率的光對(duì)應(yīng)不同能量的光子： E光子能量； v光的頻率； h普朗克常數(shù)；,5.1.1 激光的產(chǎn)生,原子的發(fā)光 基態(tài)與激

3、發(fā)態(tài) 電子在最靠近原子核的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子所處的能級(jí)狀態(tài)稱為基態(tài)。 當(dāng)外界傳給原子一定的能量時(shí)，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(jí)，稱為激發(fā)態(tài)（高能態(tài)）。,5.1.1 激光的產(chǎn)生,原子的發(fā)光（續(xù)） 躍遷 原子從高能級(jí)回到低能級(jí)的過程稱為“躍遷”。 被激發(fā)到高能級(jí)的原子不是很穩(wěn)定，總是力圖回到能量較低的能級(jí)去。 具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的原子和離子的存在是形成激光的重要條件。,5.1.1 激光的產(chǎn)生,原子的發(fā)光（續(xù)） 光輻射 當(dāng)原子從高能級(jí)躍遷回到低能級(jí)或基態(tài)時(shí)，常常以光子的形式輻射出光能量： 自發(fā)輻射 原子從高能級(jí)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)而發(fā)光的過程稱為自發(fā)輻射。（日光燈發(fā)光） 各受激原

4、子躍遷回到基態(tài)的時(shí)序先后不一，且具有多個(gè)能級(jí)，因此方向性、單色性都很差。,5.1.1 激光的產(chǎn)生,原子的發(fā)光（續(xù)） 受激輻射 滿足一定頻率要求的一束光入射到具有大量激發(fā)態(tài)原子的系統(tǒng)中，刺激處在激發(fā)能級(jí)上的原子躍遷回到低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一束與入射光具有相同特性（頻率、相位、傳播方向、偏振方向等）的光。,5.1.1 激光的產(chǎn)生,激光的產(chǎn)生條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，在一定外來光子能量激發(fā)條件下，吸收光能，使處于亞穩(wěn)態(tài)（高能級(jí)）的原子數(shù)目大于處于基態(tài)（低能級(jí)）的原子數(shù)目的現(xiàn)象。 受激輻射 在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，一束光子入射該物體，當(dāng)光子能量恰好等于兩個(gè)能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能量差時(shí)，產(chǎn)生受激輻射

5、，輸出大量光能。,5.1.1 激光的產(chǎn)生,5.1.2 激光的特性,激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等），也有其特性。（受激輻射） 強(qiáng)度、亮度和能量密度高：一臺(tái)紅寶石激光器的亮度是太陽表面亮度的兩百多億倍。 空間上和時(shí)間上的集中 單色性好：具有很窄的譜線寬度。 相干性好：?jiǎn)紊栽胶茫喔砷L度越長。 方向性好：具有很小的發(fā)散角。,5.1.3 激光加工的原理和特點(diǎn),激光加工原理 利用高強(qiáng)度、方向性好、單色性好的相干光，獲得極高的能量密度（1081010W/cm2）和10000以上的高溫，使材料在極短的時(shí)間內(nèi)（千分之幾秒甚至更短）熔化甚至氣化，以達(dá)到去除材料的目的。,5.1.3 激光加工的原理和

6、特點(diǎn),激光加工特點(diǎn) 聚焦后，激光加工的功率密度非常高，光能轉(zhuǎn)化為熱能幾乎可以熔化、氣化任何材料。 激光光斑可以聚焦到微米級(jí)，輸出功率可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)精密微細(xì)加工。 非接觸式加工，無機(jī)械力，無工具損耗，易實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化。 與其他高能束加工比較，加工裝置比較簡(jiǎn)單。,5.2 激光加工的基本設(shè)備,激光加工的基本設(shè)備包括以下四部分： 激光器：將電能轉(zhuǎn)變成光能。 電源：為激光器提供能量和控制功能。 光學(xué)系統(tǒng)：聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。 機(jī)械系統(tǒng)：床身、工作臺(tái)、機(jī)電控制系統(tǒng)。,5.2 激光加工的基本設(shè)備,激光器的分類 按激活介質(zhì)的種類 固體激光器和氣體激光器 按工作方式 連續(xù)激光器和脈沖激光器,5.2 激光

7、加工的基本設(shè)備,固體激光器的基本組成,1全反射鏡 2工作物質(zhì) 3玻璃套管 4部分反射鏡 5聚光鏡 6氙燈 7電源,5.2 激光加工的基本設(shè)備,5.2 激光加工的基本設(shè)備,固體激光器的分類 紅寶石激光器 釹玻璃激光器 摻釹釔鋁石榴石激光器,5.2 激光加工的基本設(shè)備,氣體激光器 二氧化碳激光器 以二氧化碳?xì)怏w為工作物質(zhì)的分子激光器，目前連續(xù)輸出功率最高的氣體激光器。 氬離子激光器,5.3 激光加工工藝及應(yīng)用,5.3.1 激光打孔 5.3.2 激光切割 5.3.3 其他應(yīng)用,5.3.1 激光打孔,激光打孔原理 基于聚焦后的激光具有極高的功率密度使得工件材料融化、氣化等熱物理現(xiàn)象綜合的結(jié)果。 激光打

8、孔特點(diǎn) 幾乎可以在任何材料上打微型小孔; 適合于自動(dòng)化連續(xù)打孔，加工效率高； 直徑可小到0.01um以下，深徑比可達(dá)50:1。,直徑10m的精密微孔，機(jī)械加工很難達(dá)到0.25mm,5.3.1 激光打孔,激光打孔的主要影響因素 輸出功率與照射時(shí)間 輸出功率大，光照時(shí)間長，則工件獲得的激光能量大。 照射時(shí)間為幾分之一到幾毫秒，時(shí)間不能太短也不能太長。,5.3.1 激光打孔,激光打孔的主要影響因素（續(xù)） 聚焦與發(fā)散角 盡可能減小激光的發(fā)散角，使其在聚焦以后獲得很小的光斑和更高的功率密度，從而加工直徑更小、深度更深的孔。,5.3.1 激光打孔,激光打孔的主要影響因素（續(xù)） 焦點(diǎn)位置 焦點(diǎn)位置對(duì)于孔的形

9、狀和深度都有很大影響。,5.3.1 激光打孔,激光打孔的主要影響因素（續(xù)） 光斑內(nèi)的能量分布,5.3.1 激光打孔,激光打孔的主要影響因素（續(xù)） 激光的多次照射 激光照射一次，加工深度約為孔徑的五倍，且錐度很大；多次照射則深度大大增加、錐度減小、孔徑幾乎不變。,5.3.1 激光打孔,激光打孔的主要影響因素（續(xù)） 工件材料 各種工件材料吸收光譜不同，相當(dāng)一部分能量將被反射或透射掉，必須根據(jù)工件材料的吸收光譜合理選擇激光器。 對(duì)于高反射率和透射率的工件，采用打毛或黑化，增大對(duì)激光的吸收效率。 工件表面粗糙度值越小，吸收效率越低，打的孔也就愈淺。,5.3.1 激光打孔,5.3.1 激光打孔,5.3.

10、2 激光切割,激光切割原理 基于聚焦后的激光具有極高的功率密度使得工件材料瞬時(shí)氣化蝕除。 工件和激光束具有相對(duì)移動(dòng)（一般移動(dòng)工件）。 一般采用高重復(fù)頻率的脈沖激光器。,5.3.2 激光切割,激光切割的特點(diǎn) 能夠加工各種各樣的材料，金屬、玻璃、陶瓷、木材、布、紙張等； 適合于異形孔加工，精密零件的窄縫切割切割； 切割深寬比大； 切口質(zhì)量良好，邊緣平滑，無切割殘?jiān)?，熱影響區(qū)域小； 具有較高的加工效率，加工成本可顯著降低。,國外汽車70%的部件切割焊接采用激光加工,5.3.2 激光切割,5.3.2 激光切割,5.3.3. 其他應(yīng)用,激光焊接 利用聚焦后的激光，將工件的加工區(qū)“燒熔”，使其粘合在一起。所需能量密度較低，功率密度一般為105106W/cm2。,5.3.3. 其他應(yīng)用,激光焊接的特點(diǎn) 激光照射時(shí)間短，焊接過程極為迅速，不僅有利于生產(chǎn)率的提高，而且被焊材料不易氧化，熱影響區(qū)域小。 可以透過透明體進(jìn)行焊接，防止雜質(zhì)污染和腐蝕，適宜于精密儀表、真空儀器元件的焊接。 具有熔化凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬，無焊渣，無需去除工件的氧化膜，焊縫的機(jī)械性能在各方面都相當(dāng)于甚至優(yōu)于母材。,5.3.3. 其他應(yīng)用,激光淬火 采用功率密度為103105W/cm2的激光，短時(shí)間（102min）照射材料表面，使得材料表面迅速升溫（升溫速度可達(dá)105106/s ）達(dá)到相變溫度。激光束移