激光加工技术

2、气体激光器：二氧化碳激光器、氩离子激光器
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固体激光器的基本结构示意图
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封离式CO2激光器结构示意图
激光加工技术 （二）导光聚焦系统 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚
焦后作用于加工部位，这种从激光器输出窗口到被加工工
件之间的装置称为导光聚焦系统。 （三）激光加工系统 激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内 移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展， 许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实 现激光加工的连续工作。
描 系统在产品上刻划出永久
性标
Nd:YAG 激光打标机
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大幅面玻璃内雕
的频率、相位、传播方向、偏振方向都完全一致的。
因此可以认为它们是一模一样的，相当于把入射光放 大，这样的发光过程称为受激辐射，受激辐射是产生
激光的基础。
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（3）、激光的产生 某些具有亚稳定能级结构的 物质，在一定外来光子能量激
发的条件下，会吸收光能，使
处在较高能级的原子数目大于 处于低能级的原子数目，这种
4、加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工 变形。
5、无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工， 加工效率高，加工变形和热变形小。
激光加工技术 二、 激光加工基本设备及其组成部分 激光加工的基本设备由激光器、导光聚焦系统和加工机 (激光加工系统)三部分组成。 （一）激光器 激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变 成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的种类可分为 1、固体激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、YGA (掺钕 钇铝石榴石)激光器
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激光加工技术简介
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人们曾用凸透镜将太阳光聚焦，使纸张木材引燃，
但无法用做材料加工。原因何在？ 1、地面上太阳光的能量密度不高。 2、太阳光不是单色光，而是红橙黄绿青蓝紫等多种不同 波长的多色光，聚焦后焦点不在同一平面上。
激光加工技术 只有激光是可控的单色光，强度高，能量密度大，
原子由原子核和绕原子核作公转运动的电子组成。原子的内 能就是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。 如果由于外界的作用，使电子与原子核的距离增加或缩小，则原 子的内能也随之增大或缩小。只有电子在最靠近原子核的轨道上 运动才是最稳定的，人们把这时原子所处的能级状态称为基态。 当外界传给原子一定的能量时，原子的内能增加，外层电子的轨 道半径扩大，被激发到高能级，称为激发态或高能态。
同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。
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1 2 3 4
1— 激 光 ； 2— 被 焊 接 零 件 ； 3— 被 熔 化 金 属 ； 4— 已 冷 却 的 熔 池
图7-12 激光焊接过程示意图
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（四）激光表面处理
当激光的功率密度约为103～105 W/cm2时，便可 实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表
激光加工技术 （二）激光切割 激光切割的原理 与激光打孔相似，但
工件与激光束要相对
移动。在实际加工中， 采用工作台数控技术，
可以实现激光数控切
割。
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平面镜 激光器 聚焦透镜 激光束 喷嘴 辅助气体 钛合金
图7-10 CO2气体激光器切割钛合金示意图
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激光切割大多采用大功率的 CO2 激光器，对于精 细切割，也可采用YAG激光器。 激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光 切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击 和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故
面淬火。淬火层深度一般为0.7～1.1 mm，淬火层硬度
比常规淬火约高 20% 。激光淬火变形小，还能解决低 碳钢的表面淬火强化问题。图 7-13 为激光表面淬火处 理应用实例。
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淬硬表面
淬硬表面
(a) 圆 锥表 面
(b) 铸 铁凸 轮 轴 表面
激光表面强化处理应用实例
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激光加工技术 （五）激光打标和雕刻 传统的打标是用酸腐蚀的，不 仅有污染，而且要好几步工 艺，费时费工。激光打标无 污染，而且标记不易磨损。 目前在汽车业及半导体工业 已经普及。激光打标分两种 方式：一种是用掩模板在产 品上形成固定的标记，另一 种是用计算机控制的光学扫
激光加工技术 当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常常 会以光子的形式辐射出光能量，所放出光的频率V与高 能态En和低能态E1之差的关系为 V=En-E1/h 式中h为普朗克常数
原子从高能态自发的跃迁到低能态而发光的过程，
称为自发辐射，日光灯等光源都是由于自发辐射而发 光的。由于各个受激原子自发跃迁返回基态时在时序
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1
2
3
4 5 6
1— 激 光 器 ； 2— 激 光 束 ； 3— 全 反 射 棱 镜 ； 4— 聚 焦 物 镜 ； 5— 工 件 ； 6— 工 作 台
激光加工示意图
激光加工技术 三、激光加工的应用 （一）激光打孔
随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材
料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又 小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉 丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中 的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方 法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则 能比较好地完成任务。
上先后不一，辐射出来的光子在各个方向上。加上它
们的激光能级较多，自发辐射出来光的频率和波长大 小不一，所以单色性差，方向性也差。
激光加工技术 物质的发光除自发辐射外，还存在一种受激辐射。 当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，若这 束光的频率V与En-E1/h很接近，则处在激发能级上的 原子，在这束光的刺激下会跃迁回较低能级，同时发 出一束光，这束光与入射光有着完全相同的特性，它
3、相干性好
4、方向性好
激光加工技术 （三）激光加工的特点 激光加工的特点主要有以下几个方面： 1 、几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加 工。 2、激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工， 如微细窄缝和微型孔的加工。 3 、可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其 它地点进行加工。
聚焦后可以在空气介质中将任何材料融化、气化，高
速加工各种材料。 激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴 科学，在材料加工方面，已逐步形成一种崭新的加工 方法——激光加工（简称LBM lasser beam machining）。激光加工可以用于打孔、切割、焊接、 热处理等各个领域。
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紫等七种光，波长大于0.76um的称为红外光或红外线，
小于0.4的称为紫外线。
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根据光的量子学说，又可以认为光是一种具有一定能量的以 光速运动的微粒子流，这种具有一定能量的粒子就称为光子。不 同频率的光对应于不同能量的光子，光子的能力与光 的频率成正 比。 光子能量：E=hv
（2）原子的发光
象性。
根据光的电磁学说，可以认为光实质上是一定波 长范围内的电磁波，同样也有波长λ 、频率ν 、波速C，
它们三者之间的关系为
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λ =C/V
如果把所有电磁波按波长和频率依次进行排列， 就可以得到电磁波波谱。如图。
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人们能够看见的光称为可见光，它的波长为0.4-0.76um。 根据波长不同，可见光分为红、橙、黄、绿、青、蓝、
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被激发到高能级的原子一般是很不稳定的，它总
是力图回到能量较低的能级去，原子从高能级回落到
低能级的过程，称为“跃迁”。 在基态时，原子可以长时间的存在，而在激发状 态的各种高能级的原子停留的时间一般都较短。但有 些原子或离子的高能级或次高能级却有着较长的寿命， 这种寿命较长的较高能级，称为亚稳定能级。
激光加工技术 激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。 从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至
几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打
孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打孔之前，最好 要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，以确定能
否打孔。
激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、 焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及 工件材料等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺 参数。
主要内容
• 一、激光加工的原理和特点
• 二、 激光加工基本设备及其组成部分
• 三、激光加工的应用 • 四、激光空化泡概述
激光加工技术 一、激光加工的原理和特点
（一）、 激光的产生原理
1、光的物理概念及原子的发光过程 （1）光的物理概念 光究竟是什么？直到近代，人们才认识到光即具 有波动性，又具有微粒性，也就是说，光具有波粒二
现象称为“粒子数反转”。在
粒子数反转的状态下，如果有 一束光子照射该物体，而光子
的能量恰好等于这两个能级相
对应的能量差，这时就能产生 受激辐射，输出大量的光能。
激来自百度文库加工技术
（二）激光的特性
1、强度高 一台红宝石脉冲激光器的亮度要比高压脉冲氙灯 高37亿倍，比太阳表面的亮度也要搞20多亿倍 2、单色性好 激光出现之前，单色性最好的光源要算氪灯，它 发出的单色光中心波长为605.7nm，谱线宽0.00047nm， 激光出现后，激光的谱线宽可小于10-8nm
在粒子数反转的状态下如果有一束光子照射该物体而光子的能量恰好等于这两个能级相对应二激光的特性1强度高一台红宝石脉冲激光器的亮度要比高压脉冲氙灯高37亿倍比太阳表面的亮度也要搞20多亿倍2单色性好激光出现之前单色性最好的光源要算氪灯它发出的单色光中心波长为6057nm谱线宽000047nm激光出现后激光的谱线宽可小于108nm3相干性好4方向性好三激光加工的特点激光加工的特点主要有以下几个方面
在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零
部件。
激光加工技术 （三）激光焊接 当激光的功率密度为 105 ～ 107 W/cm2 ，照射时间约为
1/100 s左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和
焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可，如图712所示。
激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接