激光热加工原理
激光加工原理
激光加工原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。
由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。
由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
目前，公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称冷加工)。
激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。
热加工具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。
光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程。
冷加工具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。
这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。
例如，电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜，在半导体基片上开出狭窄的槽。
第一版激光加工简介激光加工是激光系统最常用的应用。
根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。
激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。
包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。
激光加工原理的特点和应用
激光加工原理的特点和应用概述激光加工是一种基于激光光束的材料加工技术，具有高精度、高速度、非接触性等特点，因此在许多领域都有广泛的应用。
本文将探讨激光加工的原理、特点以及应用领域。
原理激光加工是利用激光光束照射材料，通过光与物质相互作用来完成材料的加工。
其原理主要包括以下几个方面：光的特性激光是一种具有高度聚焦性、单色性、相干性和高亮度的电磁波。
这些特性使得激光能够将大量的光能集中在极小的面积上，从而实现高精度的加工。
光与物质的相互作用激光与物质相互作用的方式包括吸收、散射和透射。
当激光光束照射到材料表面时，光能会被材料吸收或散射，从而引起相应的热效应或化学反应。
通过控制激光的功率、频率和持续时间，可以实现不同的加工效果。
光与材料的选择激光加工可以应用于不同类型的材料，包括金属、非金属、有机和无机材料等。
不同的材料对激光的吸收和反射程度不同，因此在选择激光加工参数时，需要考虑材料的物理和化学特性。
特点激光加工具有以下几个显著的特点：1.高精度：激光加工的光束可实现高度聚焦，因此可以实现精确的切割、打孔和雕刻等加工操作。
2.高速度：激光加工的光束可以快速地进行加工，因此具有较高的加工效率。
3.非接触性：激光加工是通过光与材料的相互作用来实现加工，不需要直接接触材料表面，从而可以避免刀具对材料的损坏和磨损。
4.热影响区小：激光加工的热影响区相比传统加工方法较小，可以减少材料的变形和热损伤。
应用激光加工在许多领域都有广泛的应用，包括以下几个方面：制造业激光加工在制造业中广泛应用于金属加工、塑料加工和玻璃加工等领域。
例如，激光切割可以实现金属板材的高速切割，激光焊接可以实现金属零件的无缝连接。
电子产业激光加工在电子产业中有着重要的应用，例如，激光打标可以实现对电子元器件进行标记和序列号的刻印，激光切割可以实现电路板的精确切割和修整。
医疗领域激光加工在医疗领域中被广泛应用于手术、治疗和诊断等方面。
例如，激光可以用于进行眼科手术，激光切割可以用于进行组织切割。
激光热处理
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• 3）理想的涂层材料。激光辐照所形成的熔池区域的温度 梯度很大，易导致生成裂纹。金属基体与陶瓷粉末的相容 性差，也容易导致裂纹和空洞。因此选配合适的涂层与基 材，以增进配合，减少界面应力。 • 4）激光热处理过程控制的智能化。智能化是柔性自动化 的新发展和重要组成部分，是将人工智能融入制造过程的 各个环节 通过模拟专家的智能活动。系统能监测其运行状 态 在受到外界或内部激励时，能自动调节其参数，以达到 最佳状态，具备自组织能力，是21世纪的先进制造技术。 激光热处理是一个多变量相互作用的过程。过程控制 中，多个参量常常是在一定范围内波动而又相互影响。没 有绝对分明的定量界限，处于模糊状态，而智能控制是一 种新型控制技术，采用并行处理，它适用于问题中参量排 列组合非常复杂的情况以寻找最佳答案。未来智能控制在 激光热处理的光学检测和自动跟踪方面的应用将是发展方 向。
激光热处理技术
一 原理
• 激光热处理是一种表面热处理技术。强激光照射金属表面 时，若克服高反射，大部分透入金属表面被吸收。激发态 的电子与晶格或其它电子碰撞，将金属表面局部的热量迅 速向内部传递，形成极高的冷却速度，使表面硬化。 • 激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位 面积上集中极高的功率。由于功率密度极高，工件传导散 热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速 升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束，因 为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加 热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬 火等热处理效果。
四 激光表面处理技术存在的问题及 发展趋势
• 1）激光热处理的基础理论及数学模型。激光处理的快速 加热和随后的快速冷却远远偏离了平衡过程，因此 对其加 热、凝固过程的相变动力学 热力学和原子扩散过程 界面 行为 工艺参数和性能之间的函数关系。粉末粒子的加热、 运动规律及相应的性能控制 都需要进一步的丰富与完善。 • 2）能与大功率激光器相匹配的宽带扫描装置。对于大面 积扫描，因激光光斑面积小，必须采用多次搭接技术或大 面积光斑技术， 散焦法、宽带法和转镜法。 多次搭接时 因其每个相邻扫描带的接合处存在一个区域。因此其显微 硬度是波动的，从金相上看 搭接涂层在整体上呈一种宏观 的周期性性能变化， 对大面积光斑技术。当输出功率一定 时 光斑面积越大 功率密度越低 增大光束直径 可能削弱激 光的高能密度和超快速加热优势 因此，能与大功率激光器 相匹配的宽带扫描装置的研究开发是急待解决的关键问题。
简述激光加工原理
简述激光加工原理
激光加工是利用激光束对材料进行切割、焊接、打孔、刻印等加工工艺，其原理包括以下几个方面：
1. 激光生成：激光加工通常使用气体、固体或半导体等材料产生激光。
通过将能量输入到材料中，激发其原子或分子从低能级跃迁到高能级，从而形成光子的放射。
2. 激光放大：通过光纤、杆状介质等介质，将激光束放大为足够高强度的激光束，以便在加工中产生所需的能量密度。
3. 激光聚焦：通过凸透镜或反射镜等光学组件，将激光束聚焦到一个较小的点上，从而实现高能量密度的集中。
4. 材料与激光相互作用：激光束照射到材料上时，会引起材料的吸收、反射和透射等现象，其中吸收是主要的作用方式。
材料吸收激光能量后，表面温度升高，产生蒸发、熔化或烧蚀等现象。
5. 材料去除或改变：根据加工需求，激光能够将材料表面部分或全部去除，或者改变材料的性质，例如将金属切割成特定形状、将塑料焊接在一起等。
6. 控制系统：激光加工设备配备了高精度的控制系统，可以控制激光束的功率、聚焦距离和扫描速度等参数，从而实现复杂的加工过程。
综上所述，激光加工通过激光束的聚焦和控制，使材料与激光相互作用，从而实现对材料的切割、焊接和加工等操作。
激光加工具有高精度、高效率和无接触等优势，在工业制造、医疗器械和电子等领域得到广泛应用。
浅谈激光热处理技术
浅谈激光热处理技术0.前言激光热处理是一种表面热处理技术。
即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。
激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。
由于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。
当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬火等热处理效果。
激光淬火效果：激光淬火层的硬度分布曲线激光淬火层的硬度分布激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。
适用材料为中、高碳钢，铸铁。
激光淬火的应用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿命提高2～3倍。
1.激光热处理技术的特点及原理1.1激光热处理的特点（1）生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。
（2）一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。
（3）依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质而冷却特性优异。
（4）与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。
（5）可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件, 可进行灵活的局部强化。
（6）强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。
（7）配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产。
（8）在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。
其应用的潜力首先在于大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层。
（9）低碳环保，无需冷却介质，无废气废水排放。
1.2激光热处理的原理激光热处理分为激光硬化、激光熔覆和激光合金化。
7-1激光加工技术-激光热加工原理讲解
§
7 1 激 光 热 加 工 原 理 .
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7.1 激光热加工原理
第 七 章 激 光 加 工 技 术
(2) 材料的加热 如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激 光光斑中心轴线上考察点的温度为 2 2 z r 2 AP kt z 0 ierfc T z, t ierfc r0 2 t 2 kt 2 kt 进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光 光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为 r2 q S r q S 0 exp 2 r 持续加热得到的光斑中心的温度最大值为
7.1 激光热加工原理
第 七 章 激 光 加 工 技 术
1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：
(1) 材料对激光的吸收 激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主 要对材料起加热作用。 不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为 A 1 R 当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为
第 七 章 激 光 加 工 技 术
(4) 激光等离子体屏蔽现象 激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后 在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继 续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。 如图7-2所示，为等离子云变化的过程
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如果光功率的损耗全部变成热量，则有
机械制造中的激光加工技术原理
机械制造中的激光加工技术原理激光加工技术是一种高精度加工方法，被广泛应用于机械制造领域。
它通过高能量密度的激光束对材料进行加热、熔化或蒸发，以达到切割、焊接、打孔、雕刻等目的。
本文将介绍激光加工技术的原理及其在机械制造中的应用。
一、激光加工技术原理激光是一种特殊的光束，具有高纯度、高单色性和高相干性等特点。
它是通过将激光材料激发至激光阈值以上，激活其内部的原子或分子，使它们从高能级跃迁到低能级，释放出带有特定波长和相位的光子。
这些光子经过放大、反射和聚焦等处理后，形成一个高强度、高能量密度的激光束。
激光加工技术利用这种特殊性质，对工件进行高精度加工。
在激光加工中，激光束首先经过准直系统和聚焦系统的处理，使其能够在一个很小的焦点上集中能量。
当激光功率足够大时，材料在激光束照射下将发生熔化、汽化或沉积等物理变化。
二、激光加工技术在机械制造中的应用1. 激光切割激光切割是激光加工技术的一项重要应用。
它可以对金属、塑料、纸板等不同材料进行切割，具有高精度、高速度和无接触等优势。
激光切割常用于金属板材加工、制造业和电子行业等领域。
2. 激光焊接激光焊接是利用激光束对材料进行熔化和固化的加工方法。
它具有快速、高效、无接触等优点，适用于对金属、塑料等材料进行精密焊接。
激光焊接广泛应用于汽车制造、航空航天等行业。
3. 激光打孔与刻蚀激光打孔是利用激光束对材料进行穿孔加工的方法。
激光束可以精确控制孔径和孔的形状，适用于多孔板、钢板和塑料板等材料的加工。
激光刻蚀则是利用激光束对材料进行蚀刻，可以制作出复杂的图形和花纹。
4. 激光表面处理激光表面处理是利用激光束对材料表面进行改性处理的方法。
通过调节激光功率和扫描速度等参数，可以改变材料表面的物理和化学特性。
激光表面处理常用于金属材料的硬化、涂层脱附和喷涂等工艺。
三、激光加工技术的发展趋势随着科学技术的不断进步，激光加工技术在机械制造领域中的应用也在不断拓展。
一方面，激光设备的性能和效率不断提高，使得激光加工更加精确、快速和稳定。
激光加工工艺原理与创新技术探索
激光加工工艺原理与创新技术探索激光加工工艺是一种基于激光技术的加工方法，利用激光束对材料进行热熔、热蒸发或者热氧化等过程，实现对材料的切割、焊接、打孔、雕刻等加工操作。
在工业生产中，激光加工工艺已经广泛应用于各个领域，成为了一种重要的加工方法。
激光加工的原理是利用激光器将能量转换为具有很高能量密度和比较单色性的激光束。
激光束经过聚焦透镜进行聚焦，形成一个热点。
当激光束照射到材料表面时，光能被吸收并转化为热能，使材料表面温度升高。
当温度升高到一定程度时，材料就会发生熔化、蒸发或氧化等反应，从而实现对材料的加工。
激光加工的优势在于可以实现高精度、非接触、无切削力的加工操作。
与传统的机械加工方法相比，激光加工不会对材料产生应力和变形，可以实现对复杂形状和特殊材料的加工。
此外，激光加工速度快、能耗低，具有较高的自动化程度。
因此，激光加工工艺被广泛应用于微电子、光电子、汽车制造、航空航天等领域。
在激光加工工艺方面，近年来出现了一些创新技术。
首先是光纤激光器技术的发展。
传统的激光器通常比较庞大，不能灵活应用于狭小的加工空间。
而光纤激光器则具有体积小、功率稳定等优势，可以满足对高细节精度的加工要求。
其次是激光成形技术的发展。
传统的激光加工通常是通过移动工件来实现加工，而激光成形则是通过移动激光束来实现加工。
激光成形技术可以实现对工件的整体加工，可以大大提高加工效率和加工精度。
再次是激光微纳加工技术的发展。
激光微纳加工是指利用激光加工方法对微米或纳米尺度的结构进行加工。
这种技术可以实现对微机电系统、集成光学器件、微纳传感器等微米尺度器件的制备。
激光微纳加工技术具有加工精度高、加工表面质量好、加工速度快等特点，可以满足精度要求较高的微纳加工需求。
最后是激光增材制造技术的发展。
激光增材制造是一种通过逐层加工的方式，将材料层层叠加形成三维实体的加工方法。
激光增材制造技术可以实现对复杂形状、多材料的器件的制备，具有很大的潜力在航空航天、生物医学等领域得到应用。
激光加工的原理特点与应用
激光加工的原理特点与应用1. 原理激光加工是利用激光束的高能量和高密度特性，在材料表面或内部进行切割、焊接、打孔等加工过程。
其基本原理包括以下几个方面：•激光的产生：激光是通过对聚焦和放大的光能放大，形成单色、相干、高能量密度的光束。
激光产生过程中，光束的能级在介质中被激发，从而产生受激辐射。
•激光的聚焦：通过透镜的聚焦作用，将激光束集中到一个非常小的焦点上。
聚焦后的激光束能量密度大大增加，可以实现高精度加工。
•激光的作用：激光束对材料表面或内部进行加工时，会引起材料的熔化、汽化或剥离等反应。
激光脉冲的短暂性也降低了对材料周围区域的热影响。
2. 特点激光加工具有以下几个显著的特点：•高精度：激光聚焦后的光束非常细小，能够在微米级别上进行切割、打孔和焊接等加工操作。
因此，激光加工可以实现高精度的加工需求，适用于制造业的精密加工领域。
•非接触性：激光加工是通过光束与材料的相互作用来实现加工过程，无需直接接触材料。
这样可以避免由于接触造成的工件损坏和加工痕迹，同时减少了工具磨损的问题。
•无污染：激光加工过程中，不需要使用切削液、化学试剂等辅助材料，减少了对环境的污染。
同时，激光加工也不会产生废水、废气和废渣等副产品，符合环保要求。
•灵活性强：激光加工系统可以通过对激光束的调节和控制，实现对不同形状、材料和尺寸的工件进行加工。
激光加工不受工件形状的限制，适用于各种复杂结构的加工要求。
3. 应用激光加工技术在现代制造业中得到广泛应用，下面介绍几个典型的应用领域：•激光切割：激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的切割加工中。
激光切割不仅可以实现高精度和高速度的切割，还可以切割各种复杂形状的工件，被广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域。
•激光焊接：激光焊接技术多用于金属材料的焊接。
激光焊接可以实现高强度、高精度的焊接效果，而且焊缝小、热影响区小，不会对工件表面产生明显的变色和变形。
激光焊接广泛应用于汽车制造、船舶制造、航空航天等领域。
激光加工技术的原理和应用
激光加工技术的原理和应用1. 前言激光加工技术是一种利用激光光束进行材料加工的先进技术。
激光加工技术具有高精度、高效率、非接触等优点，逐渐在工业生产、科学研究等领域得到广泛应用。
2. 激光加工技术的原理激光加工技术利用激光束对材料进行加工，其基本原理如下：• 2.1 激光发射激光发射是激光加工技术的基础。
激光通过激光器产生，具有高单色性、高亮度和高度一致的特点。
• 2.2 激光聚焦激光通过透镜等光学元件进行聚焦，使其成为高度集中的光束，实现对材料的精确加工。
• 2.3 与材料相互作用激光与材料相互作用时，可以发生吸收、散射、反射等过程，使材料受到加热、熔化、气化等效果。
• 2.4 材料去除激光对材料施加的能量引起材料表面温度升高，从而使材料发生熔化、汽化等现象，最终实现对材料的去除。
3. 激光加工技术的应用激光加工技术在各个行业中有着广泛的应用，下面介绍几个典型的应用领域：• 3.1 制造业中的应用激光加工技术在制造业中起到了至关重要的作用。
例如，激光切割技术用于金属板材的切割，激光冲击技术用于零件的打孔，激光焊接技术用于零件的连接等。
• 3.2 电子行业中的应用激光加工技术在电子行业中也有着重要的应用。
例如，激光切割技术用于印刷电路板的裁剪，激光打孔技术用于电子器件的制造，激光精细焊接技术用于电子元件的连接等。
• 3.3 医疗领域中的应用激光加工技术在医疗领域中有着广泛的应用。
例如，激光手术技术用于眼科手术、皮肤整形等，激光治疗技术用于肿瘤治疗、血管疾病治疗等。
• 3.4 精密加工领域中的应用激光加工技术在精密加工领域中也发挥着重要作用。
例如，激光微加工技术用于微型元件的制造，激光雕刻技术用于精美工艺品的制作等。
4. 激光加工技术的未来发展激光加工技术作为一门高新技术，其未来发展前景广阔。
未来，随着激光器技术的不断进步和激光加工技术的应用不断扩大，激光加工技术在各个领域中的应用将得到进一步推广。
激光热加工原理 激光原理及应用 [电子教案]电子
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激光热加工原理激光原理及应用第一章：激光概述1.1 激光的概念激光的定义激光的特点1.2 激光的产生原理激光的工作原理激光的产生过程1.3 激光的性质激光的单色性激光的方向性激光的相干性第二章：激光热加工原理2.1 激光加热原理激光加热的过程激光加热的机制2.2 激光热加工的特点高能量密度局部加热快速加工2.3 激光热加工的应用范围材料加工生物医学能源领域第三章：激光切割与焊接3.1 激光切割原理及设备激光切割的原理激光切割设备的组成3.2 激光切割的应用金属材料切割非金属材料切割3.3 激光焊接原理及设备激光焊接的原理激光焊接设备的组成3.4 激光焊接的应用金属材料焊接微电子器件焊接第四章：激光表面处理4.1 激光熔覆原理及工艺激光熔覆的原理激光熔覆的工艺参数4.2 激光熔覆的应用改善材料性能修复磨损零件4.3 激光打标原理及工艺激光打标的原理激光打标的工艺参数4.4 激光打标的应用产品标识防伪技术第五章：激光加工技术的未来发展5.1 激光加工技术的发展趋势激光器技术的进步激光加工技术的创新应用5.2 激光加工技术在制造业的应用自动化生产智能制造5.3 激光加工技术在科研领域的应用生物医学研究新材料研究第六章：激光热加工技术在材料加工领域的应用6.1 金属材料加工激光切割、焊接、打标、雕刻在金属加工中的应用激光熔覆技术在改善金属表面性能中的应用6.2 非金属材料加工激光切割、打标在塑料、玻璃、陶瓷等非金属材料中的应用激光雕刻在木材、皮革等材料加工中的应用6.3 复合材料加工激光加工技术在复合材料切割、焊接、打标等中的应用激光加工技术在复合材料结构件制造中的应用第七章：激光热加工技术在生物医学领域的应用7.1 激光切割、焊接在生物医学中的应用激光加工技术在生物医学器械制造中的应用激光加工技术在组织切割、焊接中的应用7.2 激光打标、雕刻在生物医学中的应用激光打标技术在生物医学器械标识中的应用激光雕刻技术在生物医学模型制造中的应用7.3 激光热加工技术在生物组织工程中的应用激光熔覆技术在生物支架制造中的应用激光加工技术在生物医用材料表面改性中的应用第八章：激光热加工技术在能源领域的应用8.1 激光切割、焊接在能源领域的应用激光加工技术在太阳能电池板制造中的应用激光加工技术在燃料电池制造中的应用8.2 激光打标、雕刻在能源领域的应用激光打标技术在能源设备标识中的应用激光雕刻技术在能源器件制造中的应用8.3 激光热加工技术在新型能源材料加工中的应用激光熔覆技术在制备新型能源材料中的应用激光加工技术在能源材料表面改性中的应用第九章：激光热加工技术的环境保护与安全9.1 激光加工技术对环境的影响激光加工技术的环境友好性激光加工技术的环保措施9.2 激光加工技术的安全问题激光加工过程中的安全防护激光加工设备的安全操作9.3 激光加工技术的环保与安全监管激光加工技术的环保法规与标准激光加工技术的安全管理制度第十章：激光热加工技术的创新与发展趋势10.1 激光加工技术的创新新型激光器的研究与应用激光加工技术的集成与自动化10.2 激光加工技术的发展趋势激光加工技术在更多领域的应用激光加工技术与其他制造技术的融合发展10.3 激光加工技术的产业化与商业化激光加工技术的产业化进程激光加工技术的商业化前景重点和难点解析重点环节1：激光的产生原理及过程激光的产生原理涉及到光学、物理学等多个领域的知识，对于理解激光热加工原理至关重要。
激光热处理原理及应用
激光热处理原理及应用激光热处理（Laser heat treatment）是利用激光器产生的高能量、高密度的激光束对材料进行加热处理的一种表面强化技术。
它通过瞬间的激光照射，使材料表面局部区域迅速加热到很高的温度，然后通过传热作用将高温局部含能量较高的物质重新排序，从而改变材料的微观结构和性能。
激光热处理的原理主要包括吸收过程、传热过程和相变过程三个方面。
首先是吸收过程。
激光束照射到材料表面时，会引起表面的光源吸收，激光能量被转化为热能。
此过程与激光在材料中的反射、散射以及折射有关。
材料的吸收率与其波长、光束形状、入射角度、材料本身的吸收特性等因素都有关系。
其次是传热过程。
激光光束在材料表面产生的热能会通过传热方式向材料内部传导，使得局部区域温度升高。
传热方式包括传导、对流和辐射三种形式。
当激光能量较大时，传热速度远远大于材料的热损失速率，就会导致局部区域温度升高。
最后是相变过程。
当局部区域温度达到材料的熔点或显著高于材料的临界温度时，相变就会发生。
相变过程包括熔化、淬火和回火等，由于瞬时的高温和快速的冷却速率，可以改变材料的晶体结构、显微组织和力学性能。
激光热处理技术广泛应用于金属、陶瓷、半导体等领域。
其中，金属材料是应用最广泛的对象。
在金属材料领域，激光热处理可以实现以下几个方面的应用。
首先，激光热处理可以改善金属材料的硬度和耐磨性。
通过瞬时的高温和快速的冷却，可以使金属材料的晶粒细化，减少缺陷和夹杂物的数量，从而显著提高材料的硬度和耐磨性。
其次，激光热处理可以改善金属材料的抗腐蚀性能。
通过调控激光加工参数和选择合适的加工介质，可以在金属表面形成致密的氧化膜或硬化层，提高金属材料的抗腐蚀性能。
再次，激光热处理可以改善金属材料的疲劳性能。
通过激光热处理抑制晶界腐蚀、消除内应力和缺陷，可以提高金属材料的疲劳寿命，延缓疲劳裂纹的扩展。
此外，激光热处理还可以修复金属材料的损伤。
通过局部加热和快速冷却，可以消除材料中的应力和缺陷，使损伤区域重新呈现良好的性能。
激光加工的原理及应用
激光加工的原理及应用激光加工是利用激光束对材料进行切割、焊接、打孔等工艺的一种现代加工技术。
其原理是将激光能量转化为材料的热能，通过控制激光束的位置和功率密度，使激光束与材料相互作用，从而达到对材料进行加工的目的。
激光加工的原理主要包括以下几个方面：1. 激光产生：激光是由激光器产生的一种高纯度、高能量、高频率的电磁波。
常见的激光器有气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
2. 激光导引：激光束通过光学系统的导引，使激光能够准确地照射到目标材料的加工区域。
3. 激光与材料相互作用：激光束在与材料相互作用时，会被材料吸收、反射、透过等。
当激光能量被材料吸收后，会转化为材料的热能，引起材料的热膨胀、熔化、汽化或燃烧等反应。
4. 材料加工：根据不同的加工需求，通过控制激光束的移动速度、功率密度和作用时间等参数，实现对材料的切割、焊接、打孔等加工操作。
激光加工具有以下几个主要的应用领域：1. 切割：激光切割广泛应用于金属材料、塑料、纺织品、木材等各种材料的切割加工中。
激光切割速度快、精度高，可以实现复杂形状的切割，具有很高的加工效率和质量。
2. 焊接：激光焊接可以将不同材料的工件进行连接，广泛应用于汽车制造、电子设备、航空航天等领域。
激光焊接具有焊缝小、热影响区小、焊接强度高等优点，能够提高产品的质量和可靠性。
3. 打孔：激光打孔可以对金属、塑料、玻璃等材料进行精确的穿孔加工。
激光打孔具有孔径小、孔壁光滑、加工速度快等特点，可以在材料上实现微小孔的加工。
4. 雕刻与标记：激光雕刻与标记可以对各种材料进行图案、文字、图像等的刻印加工。
激光雕刻具有高精度、高清晰度、无接触等特点，被广泛应用于装饰、工艺品、医疗器械等领域。
除了以上应用领域外，激光加工还被应用于精密加工、微加工、硬化处理等领域。
它不仅可以提高生产效率，减少能量消耗，还能实现复杂结构的加工和精密微细加工。
随着激光技术的不断进步和广泛应用，激光加工在各个领域的应用前景非常广阔。
特种加工技术——激光加工的基本原理和特点
特种加⼯技术——激光加⼯的基本原理和特点⼀、激光加⼯的基本原理激光是⼀种通过⼊射光⼦的激发使处于亚稳态的较⾼能级的原⼦、离⼦或分⼦跃迁到低能级时完成受激辐射所发出的光。
由于这种受激辐射所发出的光与引起这种受激辐射的⼊射光在相位、波长、频率和传播⽅向等⼏⽅⾯完全⼀致，因此激光除具有⼀般光源的共性之外，还具有亮度⾼、⽅向性好、单⾊性好和相⼲性好四⼤特性。
激光的上述优异特性是普通光源望尘莫及的。
由于激光的单⾊性好和具有很⼩的发散⾓，因此在理论上可聚焦到尺⼨与光波波长相近的⼩斑点上。
其焦点处的功率密度可达107~1011 W/m 2 ，温度可⾼⾄上万摄⽒度，使任何坚硬的材料都将在瞬时(<10-3>⼆、激光加⼯的特点激光加⼯就是利⽤材料在激光照射下瞬时急剧熔化和⽓化，并产⽣强烈的冲击波，使熔化物质爆炸式地喷溅和去除来实现加⼯的。
由于激光具有的宝贵特性，因此就给激光加⼯带来如下⼀些其他⽅法所不具备的可贵特点。
(1)激光加⼯过程中，激光束能量密度⾼，加⼯速度快，并且是局部加⼯，对⾮激光照射部位没有影响或影响极⼩。
因此，其热影响区⼩，⼯件变形⼩，后续加⼯量⼩。
(2)属于⽆接触加⼯，加⼯速度快，⽆噪声，对⼯件不污染。
(3)由于激光易于导向、聚集和发散，可以使光束改变⽅向，与数控机床、机器⼈连接来构成各种加⼯系统，适⽤于⾃动化。
(4)可以对多种⾦属、⾮⾦属进⾏加⼯，特别是可以加⼯⾼硬度、⾼脆性及⾼熔点的材料。
(5)可以通过透明介质对密闭容器内的⼯件进⾏各种加⼯。
(6)激光加⼯不受电磁⼲扰，与电⼦束加⼯相⽐，不需要真空环境，也不会产⽣X射线，是⼀种⽆公害加⼯。
激光热加工原理激光原理及应用电子电子
技
光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为
术
qS
r
qS0
exp
r2
2 r
持续加热得到的光斑中心的温度最大值为
§.
T 0,0, AqS0r
7
23 2 t
1 激
(2) 材料的熔化与汽化
光 热 加
➢激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化；激光功率密度过低， 则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小
7.1 激光热加工原理
第 1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：
七 章
(1) 材料对激光的吸收 ➢激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主
激
要对材料起加热作用。
光 加
➢不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为
工
A 1 R
技
工
原
理
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7.1 激光热加工原理
第 七
(4) 激光等离子体屏蔽现象 ➢激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后
章
在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继
激
续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。
➢当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为
术
(2) 材料的加热
R n 1 2 n1 12 n22 n 1 n1 12 n22
➢设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有
§.
7 1
q0 Aqi qi 1 R ➢激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 qz q0eaz
7.1激光热加工原理
(2) 材料的加热 ➢设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有
q0 Aqi qi 1 R ➢激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 qz q0eaz
➢一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深 度为1/a
T 0, AP
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7.1 激光热加工原理
(2) 材料的加热
如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激 光光斑中心轴线上考察点的温度为
Tz,t 2AP
r0 2
kt
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c
2
z kt
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z 2 r0 2
2 kt
进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光
7.1 激光热加工原理
(2) 材料的加热 ➢为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的 均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为
cl
T t
x
t
T x
y
t
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如果光功率的损耗全部变成热量，则有
Qx, y, z,t qx, y, z,t
(4) 激光等离子体屏蔽现象 ➢激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后 在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继 续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。 如图7-2所示，为等离子云变化的过程
图7-2 等离子云变化的过程
7.1 激光热加工原理
1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：
浅谈激光热处理技术
浅谈激光热处理技术0.前言激光热处理是一种表面热处理技术。
即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。
激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。
由于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。
当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬火等热处理效果。
激光淬火效果：激光淬火层的硬度分布曲线激光淬火层的硬度分布激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。
适用材料为中、高碳钢，铸铁。
激光淬火的应用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿命提高2～3倍。
1.激光热处理技术的特点及原理1.1激光热处理的特点（1）生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。
（2）一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。
（3）依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质而冷却特性优异。
（4）与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。
（5）可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件, 可进行灵活的局部强化。
（6）强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。
（7）配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产。
（8）在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。
其应用的潜力首先在于大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层。
（9）低碳环保，无需冷却介质，无废气废水排放。
1.2激光热处理的原理激光热处理分为激光硬化、激光熔覆和激光合金化。
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7.1 激光热加工原理
第 七 章
(2) 材料的加热 如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激 光光斑中心轴线上考察点的温度为
激 光 加
Tz,t 2AP
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z 2 r0 2
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工
进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光
光 加
如图7-2所示，为等离子云变化的过程
工
技
术
§7.1
激
光
热
加
工
图7-2 等离子云变化的过程
原
理
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第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
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§7.1
第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
原
理
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7.1 激光热加工原理
第 七
(4) 激光等离子体屏蔽现象 ➢激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后
章
在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。
分困难
§7.1
➢简化：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面受到均匀的激光垂直照
射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，
以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形
激 光
激光光斑中心的温度可以由下式确定
热 加 工
T 0, AP
r0t
原
理
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光 热 加
➢一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深 度为1/a
工
原
理
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7.1 激光热加工原理
第 七 章
(2) 材料的加热 ➢为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的 均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为
技
光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为
术
qS
r
qS0
exp
r2
2 r
持续加热得到的光斑中心的温度最大值为
§7.1
T 0,0, AqS0r
23 2 t
激 光
(2) 材料的熔化与汽化
热 加 工
➢激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化；激光功率密度过低， 则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小
7.1 激光热加工原理
第
1.无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，
七
使激光与物质相互作用。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图7-1示
章
激 光 加 工 技 术
§7.1
激
光
热
加
图7-1 各种参数条件下激光加工的可能应用和影响
工
原
理
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技
➢当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为
术
R n 1 2 n1 12 n22
n 1 n1 12 n22
(2) 材料的加热
➢设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有
§7.1
q0 Aqi qi 1 R
激
➢激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 qz q0eaz
激 光
cl
T t
x
t
T x
y
t
T y
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t
T z
Qx,
y,
z,t
加
如果光功率的损耗全部变成热量，则有
工 技
Qx, y, z,t qx, y, z,t
术
从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激
光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求解十
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§7.1
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§7.1
第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
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§7.1
第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
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§7.1
第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
7.1 激光热加工原理
第 1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：
七 章
(1) 材料对激光的吸收 ➢激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主
激
要对材料起加热作用。
光 加
➢不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为
工
A 1 R