第5章_激光加工dmu

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气体激光器——CO2激光器
以二氧化碳为工作物质的分子激光器。
输出功率高：连续输出功率可达万瓦，是目前连续输出功率最高的激
光器。为提高输出功率，常加进氮、氦、氙等辅助气体和水蒸汽。 效率高：可达20%以上；一方面是由于工作能级寿命长，大约10-1-103s，另一方面是由于激励阈值低;
通过高压直流放电进行激励 波长10.6μm附近的红外区，为不可见光
激光加工可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。
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激 光 打 孔
当激光束照射到工件表面时，光能被吸收，转化成热能，使照射 斑点处温度迅速升高、熔化、气化而形成小坑，由于热扩散，使 斑点周围金属熔化，小坑内金属蒸气迅速膨胀，产生微型爆炸， 将熔融物高速喷出并产生一个方向性很强的反冲击波，于是在被 加工表面上打出一个上大下小的孔。
1）激光器
激光器是激光加工的核心设备，通过它可以把电能转化成光 能，获得方向好、能量密度高、稳定的激光束。按激活介质 种类分：固体激光器、气体激光器。按工作方式分：连续激 光器和脉冲激光器。
2）激光器电源 为激光器提供所需要的能量及控制功能。 3）光学系统 光学系统包括聚焦系统和观察瞄准系统。 聚焦系统的作用是把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工工件上； 观察描准系统能观察和调整激光束的焦点位臵并将加工位臵显示 在投影仪上。 机械系统主要包括床身、工作台和机电控制系统。
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4.多次照射 一次照射，深度约为孔径的五倍且锥度较大 多次照射，深度增加，锥度减小，且孔径几乎保持不变 孔的深度并不与照射次数成正比 受孔内壁反射、透射以及激光的散射，排屑困难等影响
激 光 打 孔
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5.工件材料的影响 材料对激光能量的吸收效率与工件材料的吸收谱及激光波长有关。 同时材料对激光能量的吸收效率与材料表面粗糙度有关
激光束传输方便，易于控制，便于与机器人、自动检测、 自动化加工 计算机数字控制等先进技术相结合。
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6）通用性强 用一台激光器改变不同的导光系统，可以处理各种形状和
尺寸的工件。也可以选择适当的加工条件，用同一台装臵 进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工。
7）节能节材 激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10~1000倍，激
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激光打标
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二氧化碳激光器结构如
右图所示
主要包括放电管、谐振 腔、冷却系统和激励电
源等部分
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气体激光器——氩离子激光器
主要是惰性气体氩通过气体 放电，使氩原子电离并激发， 实现离子数反转而产生激光。 氩离子激光器发现的谱线很 多 ， 最 强 的 是 波 长 为 l=0.5145mm的绿光和波长为 l=0.4880mm的兰光。 能量转换效率低，一般只有 0.05%左右。 激光器波长较短，发散角小， 可用于精密加工。
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固体激光器——红宝石激光器
红宝石激光器是掺有质量分数为0.05%氧化铬的氧
化铝晶体，发射l=0.6943mm的红光，易于获得相 干性好的单模输出，稳定性好 红宝石激光器三能级系统激光器
主要是铬离子起受激辐射作用。
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固体激光器——红宝石激光器
红宝石激光跃迁过程如图。在高压氙灯照射下，铬离子从基态E1 被抽运到 E3 吸收带，由于 E3 平均寿命短，小于 10-7s, 大部分粒子 通过无辐射跃迁落到亚稳态E2上， E2平均寿命为3×10-3s，可储 存大量粒子，实现E2 与E1之间的粒子数反转。一般为脉冲输出， 工作频率小于1次。 在激光发展初期应用较多，现在大多被钕玻璃激光器和掺钕钇铝 石榴石激光器所代替。
光切割可以节省材料15%~30%。
8）激光可通过光学透明介质（玻璃、空气、惰性气体和某些液体）对工件 进行加工。 不足点
激光加工是一种瞬时、局部的熔化和气化加工，影响因素多。 因此，微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保证。此 外对具有高热传导率材料的加工较困难。
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第二节 激光加工的基本设备
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4. 方向性好
光束的方向性用光束的发散角来表征
普通光源发射的光束很发散，发散角≥ 0.1sr。 激光光束各发光中心互相关联的定向发射，发散角可以达到 1×10-4sr。
普通光源
亮度
电灯：约470sb 太阳：约1.65X105 sb 无确定方向、发散角大、难会聚
激光光源
红宝石激光器，约1.65X1015sb 功率1000MW/cm2 发散角小到0.1mrad（近似平行 光），光束会聚其焦点处光斑 10um 激光的谱线宽度为10-7Å
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激 光 打 孔
1.焦点位臵对孔的质量影响：焦点位臵对孔 的形状和深度都有很大影响。 斑点位臵低，产生喇叭口，影响加工深度。 斑点位臵高会因能量密度小而无法加工； 一般激光的实际焦点位臵在工件的表面或略 微低于工件表面为宜。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ29
激 3. 焦距与发散角 光 打 尽量减小激光束的发散角，并尽可能采用短焦距。 孔 光斑内能量分布
2.输出功率与照射时间 输出功率大，照射时间长时，工件所获得的激光能量大 照射时间一般为几分之一到几毫秒 能量一定时，时间太长会使热量传到非加工区，时间太短则因功 率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，降低能量使用效率。
经聚焦合光斑内能量的分布是不同的。焦点中心强度最大， 越远离中心强度越小。当激光束不是基模输出时，能量分布 不对称，则打出的孔也不对称。 焦点附近的光强度分布与工作物质的光学均匀性以及谐振腔 调整精度直接相关。
由于激光实现了光能在空间和时间上的亮度和能量集中， 具有较高的亮度和能量密度。
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2. 单色性好 在光学领域中，单色是指光的波长(或频率)为一个确定的 数值，严格意义上的单色光是不存在的。 波长为l0的单色光是指以 l0为中心波长，谱线宽度为 l 的光 谱范围。l 越小，单色性越好。 激光出现前，氪光源最好，l 只有0.00047 nm; 激光光源谱线宽度可小于10-8 nm 3. 相干性好 光源的相干性可以用相干时间和相干长度来度量。光源先 后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔。在最 大时间间隔内走过的路程为相干长度。 光源的相干长度L
3）加工质量好 激光加工能量密度高,热作用时间很短,整个加工区几乎不
受热的影响,工件热变形极小，故可加工对热冲击敏感的 材料。
4）加工速度快 激光打孔只需0.01s，切割比常规方法提高效率8~20倍， 效率高 5）容易实现
激光焊接可提高效率30倍，微调薄膜电阻可提高1000倍， 提高精度1~2数量级。
n 1
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激光的产生
激光产生的两个条件： 1. 粒子数反转 具有亚稳态结构的物质， 在一定外来光子能量 激发条件下，吸收光 能，使处在较高能级 ( 亚稳态 ) 的原子或粒 子数目大于处于低能 级的原子或粒子数目。 2. 受激辐射
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激光的特性
具有一般光的特性，同时又与普通光源不同： 光发射以受激辐射为主，发出的光波具有相同的频率、方向、 偏振态和严格的位向关系。 1. 强度高
激 光 打 孔
右图为红宝石激光 照射钢表面时表面 粗糙度与加工深度 的关系。 表 面 粗 糙 度 ＜ 5mm 时，粗糙度对加工 深度影响较大；当 表面粗糙度＞ 5mm 时，则影响不大。
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激光切割
激光切割具有切缝窄、速度快、热影响区小、省材料、成本低 等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。 可以切割钢板、不锈钢、钛、钽、镍等金属材料，以及布匹、 木材、纸张、塑料等非金属材料。
第五章 激光加工
2014.10.21 材料2011
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概 述
激光加工：
Laser Beam Machining，LBM 是特种加工的一个重要分支 发展：20世纪60年代初发展起来 目前：较为成熟，广泛应用。
加工原理：
(1) 利用光的能量，经过透镜聚焦，在焦点上达到很 高的能量密度，靠光热效应加工各种材料。
方向
单色性
氪灯的光源谱线宽为0.0047Å
相干性
氪灯光源的相干长度78cm
激光的相干长度可达几十公里
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激光加工的特点
1）适应性强
激光加工的功率密度高，几乎能加工任何材料，如各种金 属、 陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。 适合精密微细加工。
2）加工精度高 激光束可聚焦成微米级的光斑（理论上直径可小于1um）
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固体激光器——钕玻璃激光器
钕玻璃激光器是掺有少量氧化钕的非晶体硅酸盐玻璃，钕离 子的质量分数为1-5%左右，发射l=1.06mm的红外激光。 钕玻璃激光器是四能级系 统激光器，更容易实现粒 子反转。其激光跃迁如右 图。
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固体激光器——钕玻璃激光器
在高压氙灯照射下，钕离子从基态E1被激发到E4能级，
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第一节 激光加工的原理和特点
一、激光的产生原理
光的物理概念及原子的发 光过程 光具有波粒二象性
波动性：具有波长l、频率m和 波速c
可见光波长：0.4-0.76 mm 红外线波长：＞ 0.76 mm 紫外线波长：＜ 0.4 mm
CuCl2水溶液
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第一节 激光加工的原理和特点
粒子性：具有一定能量的，以 光速运动的粒子流，称为光 子。光子的能量与光的频率 成正比。
4）机械系统
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固体激光器包括工作物质、光泵、玻璃套管和滤光液、
冷却水、聚光器以及谐振腔等部分。
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光泵：供给工作物质光能,一般为氙灯或氪灯。
聚光器：将氙灯发出的光能聚集在工作物质上。有圆球形、
圆柱形、椭圆柱形以及紧包裹形。 玻璃套管和滤光液：主要用来滤去氙灯发出的紫外线成分。 谐振腔：由两块反射镜组成，使激光沿轴向来回反射共振， 加强和改善激光输出。
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第三节 激光加工工艺及应用
激光加工特点
加工材料范围广：适用于加工各种金属材料和非金属材料，特别 适用于加工高熔点材料，耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材 料。