-激光加工系统
激光加工光学系统
激光加工机的光学系统--激光束传输.聚焦和观察系统激光基础知识1.1 激光的产生三要素：1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质；2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转；3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡；1.2 激光光束的特性1）高光亮度——激光束发散角很小，光能量集中，光强度很高例如：太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ；气体激光器的光亮度106W / (cm2. sr)；固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr)；若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上集中），则激光束更有极高的光亮度2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角很小。
例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散角1－10 mrad（毫弧度）3）高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度，可视为单波长。
4）高相干性——由于激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点的时间间隔很大（时间相干性好）；又激光发散角很小，方向性很高，激光束波前面内任意两点均相干（空间相干性好）1.3激光器的输出特性1）激光波长——激光器输出准单色光；不同激光器输出激光波长不同，材料吸收特性各不同；对不同材料用不同的激光来加工。
2）激光输出的能量和功率连续激光: 激光功率P = 激光能量/ 秒脉冲激光: 峰值功率P= 脉冲能量E / 脉冲宽度Tm脉冲激光: 平均功率P=脉冲能量E x 脉冲频率f3）激光束的空间分布特性——基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布；振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心强度1/e2 的光斑宽度定义为光斑半径；对应的全角宽度定义为光束发散角；为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法高斯光束的参数：束腰；等相位面；发散角；基模多模基模与低阶模实际激光束的横模c.调Q 脉冲激光——用调Q 技术压缩脉宽（纳秒量级），提高激光的峰值功率（声光调Q 可达数百千瓦；电光调Q 可至兆瓦以上）；d.超短脉冲激光——用锁模技术压缩脉宽到皮秒至飞秒量级，峰值功率达1012W, 可作很多精密微加工；4）激光束时间分布特性a.连续激光——以连续恒定的功率来描述；b. 普通脉冲激光——以脉冲宽度(毫秒量级）.脉冲能量与脉冲频率来描述；激光焊接常用脉宽1－10ms, 能量1至数十焦尔；峰值功率数千瓦；打孔和切割常用脉宽0.1－2ms ，能量为0.5－20j ；峰值功率达万瓦5）激光束的偏振特性光波是横向电磁波，电矢量与磁矢量总是在相互垂直方向上，一般只讨论电矢量的方向。
用于激光加工的DOE
用于激光加工的DOE最近，由于工业领域的强劲需求，催化出了许多激光焦工的新工艺，许多传统工业工艺被激光加工系统取代，例如激光消融、激光焊接、激光钎焊、激光打孔、激光切割、激光表面处理等材料。
各种激光加工类型占整个激光加工市场的份额，如下图所示：图1.全球激光应用衍射光学元件（DOE）在提供特定的激光束成形中起重要作用，这使得激光束成形和均匀化技术对于优化许多激光材料加工应用是必不可少的。
通常，激光系统中添加DOE元件之后能够明显提升系统性能。
激光加工系统的关键参数：加工速度和产能加工精度- 边壁陡峭- 热影响区- 处理过程的有效性激光消融和结构化激光消融（激光烧蚀）是通过用激光束照射材料从固体（或偶尔液体）表面去除材料的过程。
通过在小区域上施加高能短脉冲来实现消融。
激光烧蚀已被考虑并用于许多技术应用，包括：纳米材料的生产，薄金属和电介质膜的沉积，超导材料的制造，金属部件的常规焊接和粘合，以及MEMS结构的微机械加工。
衍射光学元件中的Top-Hat和Vortex-Lens产生具有尖锐边缘的成形斑点，可在消融过程中产生精确的材料去除。
Multi-Spot元素支持并行处理，从而提高了吞吐量。
相关DOE产品：平顶光束整形器，螺旋相位片，分束器图2.激光烧蚀图3.激光结构3激光焊接激光焊接技术用于通过激光连接多个金属或塑料件。
光束提供集中的热源，允许窄而深的焊接和高焊接速率。
该过程经常用于使用自动化的大批量应用，例如汽车工业。
在与切割技术的结合中，激光器非常适用于多种类型的焊接（点，线焊接）。
匀光镜（均质器）元件具有均匀，平坦的强度分布，受输入光束不均匀性的影响小，并且可以设计为针对特定焊接轮廓定制的能量和形状分布。
DOE还能方便地引入预热副光斑，可以预热焊接区域，然后对其进行后处理。
相关DOE产品：均质机/扩散器，分束器图4.激光焊接图5.均质器能量分布激光钎焊在激光钎焊应用中，两个金属片通过激光熔化的焊线连接。
先进制造技术——三束加工—激光束、电子束、离子束
2．特点及应用
离子束加工有如下特点：
(1) 离子束加工是目前特种加工中最精密、最微细的加工。离子刻蚀可达纳 米级精度，离子镀膜可控制在亚微米级精度，离子注入的深度和浓度亦可精 确地控制。
(2) 离子束加工在高真空中进行，污染少，特别适宜于对易氧化的金属、合 金和半导体材料进行加工。 (3) 离子束加工是靠离子轰击材料表面的原子来实现的，是一种微观作用， 所以加工应力和变形极小，适宜于对各种材料和低刚件零件进行加工。
4.束流控制方便，易实现加工过程自动化。
二、激光束加工
激光：源自在经过激励后由高能级院子跃迁到低能级而发射 的光子所产生的物理现象。
激光产生的原理：原子经过激励而发生跃迁现象。 激光加工:激光加工就是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点 上达到很高的能量密度产生的光热效应来加工各种材料。
加工原理
1）高速打孔 目前电子束打孔的最小直径可达Ø0.003mm左右。例如喷气发动机 套上的冷却孔，机翼的吸附屏的孔。在人造革、塑料上用电子束打大量微孔， 可使其具有如真皮革那样的透气性。电子束打孔还能加工小深孔，如在叶片 上打深度5mm、直径Ø0.4mm的孔，孔的深径比大于10：1。
2）加工型孔及特殊表面
激光加工的应用
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。
0.03～ 0.07 mm
《激光加工技术》ppt课件
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，那么能比较好地完 成任务。
激光打孔中，要详细理解打孔的材
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，但详细到某一台打
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
进展充分的理解，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
展激光焊接。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7-12所示。
激光焊接速度快，热影响区小，焊接
质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种
材料，还可透过玻璃进展焊接。
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
由内向外挪动，激光束便相应地熔化金
属层，使图像与声音记录下来。加工机
理是用激光热效应，是激光去除加工。
例。
淬硬表面
淬硬表面
(a) 圆 锥 表 面
(b) 铸 铁 凸 轮 轴 表 面
图5 激光外表强化处理应用实例
6〕 激光存储
是利用激光进展视频、音频、文
字资料、计算机信息等的存取。激光电
视唱片的制作可分为原版录制和复制两
基于PC平台的高精度激光微加工系统的研制
第２ １ 期
２ ０ １ ３年 ７月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ １ ． １ ３ Ｎ ｏ ． ２１ Ｊ ｕ １ ．２ ０ １ ３
１ ６ ７ １ —１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ２ １ — ６ ２ ２ ９ － ０ ６
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
⑥
２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
矿 冶 技 术
基于 Ｐ Ｃ平 台的高精度激光微加工 系统 的研制
貊泽强 ， 余 锦 樊仲 维 刘 洋 ， 葛文琦 张 雪 聂树 真
郭广妍 ’ 王治昊 ， 王 昊成 ，
介绍 了基 于 Ｐ Ｃ机 的高 精 度 激 光 微 加 工 系 统 ，
微加 工系 统首 先对 对 激 光 光 束 进 行 整形 ， 利 用 上 位 机 软件 对 图 形 文 件 进 行 解 析 ， 提取加工数 据 ， 通 过
２ ０ １ ３年 １月 ２ １日收到 第一作者简介 ： 貊 泽强 ， 男 。中 国科 学 院光电研究 所激 光工 程 中心
光源是 自主 研 制 的 １ ０ ６ ４ ｎ ｍ —５ ３ ２ ｎ ｍ —３ ５ ５ ｎ ｍ 三
高； 另一个原 因是激光 源 的性 能的提高 ， 高峰值功 率， 高光束质量 的半导体 激光器 的研 制成功 ， 极大 地 提升 了激 光加 工 的加 工 效 果 。此 外 ， 还 有 一 个 更
得 更小 的光 斑 聚焦光 斑优化 加 工效 果 。其 次 是加 工 结构 ， 在 对 比多 种 加 工 方 式 后 ， 决 定 采 用 工 作 台移 动式 ， 这种加工方式 ， 既 能 充 分 地 保 证 激 光 光 束 稳
激光加工系统
1发展激光技术与原子能、半导体及计算机一起，是二十世纪最负盛名的四项重大发明。
激光作为上世纪发明的新光源，它具有方向性好、亮度高、单色性好及高能量密度等特点，已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等方面。
据统计，从高端的光纤到常见的条形码扫描仪，每年与激光相关产品和服务的市场价值高达上万亿美元。
我国激光产品主要应用于工业加工，占据了40%以上的市场空间。
激光加工作为激光系统最常用的应用，主要技术包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔、微加工及光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
激光加工设备就是利用激光加工技术改造传统制造业的关键技术设备之一，主要产品则包括各类激光打标机、焊接机、切割机、划片机、雕刻机、热处理机、三维成型机以及毛化机等。
这类产品已经或正在进入各工业领域。
从全球激光产品的应用领域来看，材料加工行业仍是其主要的应用市场，占比为35.2%;通信行业排名第二，其所占比重为30.6%;另外，数据存储行业占据第三位，其所占比重为12.6%。
与传统加工技术相比，激光加工技术具有材料浪费少、在规模化生产中成本效应明显、对加工对象具有很强的适应性等优势特点。
在欧洲，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼以及航天器机身等特种材料的焊接，基本采用的是激光技术。
据《2013-2017年中国激光加工设备制造行业产销需求预测与转型升级分析报告》[1]数据显示近十年来，随着工业激光应用市场在不断扩大，激光加工领域也不断开拓，由传统的钟表、电池、衣扣等轻工行业向机械制造业、汽车制造业、航空、动力和能源以及医学和牙科仪器设备制造业等应用领域拓展，将有效拉动激光加工设备的需求。
2011年，全球激光工业加工设备销售额获得了强劲的两位数增长。
据《工业激光解决方案》(ILS)的数据显示，2011年全球激光系统销售收入70.60亿美元，同比增长16%，其中，激光器销售收入19.56亿美元，同比增长18%。
第七章 激光加工
• 它的英文全称是Light Amplification by Stimuluted Emisslon of Radiation，编写为 Laser，意为受激辐射光 放大器。由于激光有方向性强，单色性好，亮度高， 相干性好等特性，其在军事上的应用十分广泛。 激光 武器是利用激光束来直接攻击敌方目标的。其优点主 要是：（l）速度快，射束直，射击精确度高。激光束 以每秒三十万公里的速 度传播，不需提前量，瞬发即 中。（2）摧坚能力强。激光能量高度集中，可摧毁任 何坚固材料制成的目标。（3）灵活、无惯性，不产生 后座力。因光子的静质量为零，故激光武器不会产生 普通枪炮发射时所产生的后座力。激光武器易于迅速 变换射击方向，能在短时间内射击多个目标。（4）抗 电磁干扰能力强。
• 激光特点
激光有四大特性：高亮度、高方向性、高 单色性和高相干性。
• 加工特点：
1、它可以对多种金属、非金属加工， 特别是加工高硬度、高脆性及高熔点 的材料；
2、激光加工过程中无“刀具”磨损， 无“切削力”作用于工件 。
激光加工
激光加工（Laser Beam Machining,简 称LBM）是用高强度、高亮度、方向性好、 单色性好的相干光，通过一系列的光学系统 聚焦成平行度很高的微细光束（直径几微米 至几十微米），获得极高的能量密度 （108~1010W/cm2）和10000℃以上的高温， 使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更 短）熔化甚至气化，以达到去除材料的目的。
激光打孔的效率非常高，打孔时间甚至可缩短至 传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。
激光打孔的尺寸公差等级可达IT7，表面粗糙度Ra 值可达0.16～0.08。
激光加工
发展也不足。
3、激光加工的原理和特点
3.1 激光的产生原理
（一）光的物理概念及原子的发光过程 3.1.1.光的物理概念 根椐光的电磁学说，可以认为光实质上是在一定波长范 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: c
人们能够看见的光称为可见光，它的波长为0.4～0.76μm。 波长大于 0.76μm的称为红外光或红外线，小于0.4 μm的称 为紫外光或紫外线。
为该单色光的谱线宽，是衡量单色性好坏的尺度，厶A越小，单 色性就越好。 在激光出现以前，单色性最好的光源要算氟灯，它发出的单 色光λ0 =605．7nm，在低温条件下， Δλ只有o．00047nm。激 光出现后，单色性有了很大的飞跃，单纵模稳频激光的谱线宽度 可以小于10-8nm，单色性比氖灯提高了上万倍。 （c）相干性好 光源的相干性可以用相干时间或相干长度来量度。相干时间 是指光源先后发出的两束光能够产生于涉现象的最大时间间隔。 在这个最大的时间间隔内光所走的路程(光程)就是相干长度，它 与光源的单色性密切有关，即
目前国内激光加工存在的问题：
(1)缺少适合大功率激光加工系统用的国产商品级 可靠、稳定的YAG固体激光器和CO2激光器； (2)尚无适合激光加工的国产商品级新型大功率半
导体激光器(LD)和LD泵浦的全固态激光器(DPSSL)； (3)尚缺可靠、稳定、长寿命国产商品级准分子激 光器和光纤激光器； (4)激光加工系统中的一些关键元器件和软件国内
2.2 国内激光加工产业和市场概况
自20世纪9O年代开始，随着市场经济快速发展， 国内出现了许多从事研制、生产和经营激光器和激光 加工设备的公司。但国内激光设备厂商主要以提供低 端设备为主，激光器也以传统的灯泵浦YAG固体激光 器和低端的CO2激光器为主。各种激光加工设备中的 很多关键器件都需要进口。
激光清洗加工系统技术方案
4.2.制造周期..........................................................5.安装与服务.............................................................5.1.安装调试..........................................................5.2.包装运输..........................................................5.3.设备验收..........................................................5.4.培训..............................................................5.5.售后服务..........................................................6.附件：公司介绍.........................................................6.1.焊接系列激光器....................................................6.2.熔覆/淬火系列产品.................................................6.3.激光加工头产品....................................................激光清洗加工系统技术方案1.系统技术方案1.1.方案概述传统工业清洗方法包括机械摩擦清洗法、化学腐蚀清洗法、液体固体喷射清洗法和高频超声清洗法，尽管它们在工业清洗行业得到了广泛的应用，但在我国环境保护法规要求越来越严格和高精密器件应用越来越广泛的情况下传统清洗方法的应用受到了很大的限制。
基于PC平台的激光加工数控系统
动控制和混合控制等多种控制功能 ， 机床运行 过程 中
可 根据 需 要 由 Ｎ Ｃ程 序 自动 选 择 或 通 过 操 作 面 板 手 动
选 择 。所 谓独 立 随动 控 制是 指 该 轴运 动 不 受 Ｎ Ｃ程 序
一
ｌ 姜莉莉 ， 汝谋等 ． 谭 全柔性 Ｃ Ｄ技术 及其应 用 ． Ａ 制造技 术与机床 ，
２ 徐树祥等 ． 于装配的参数化技术在轴 流风机 Ｃ 系统 中的应用 ． 基 Ｄ Ａ 计算机 应用 ，９９ ７ １９ （ ）
，
将零件图的数据 库输 出为外部数据库 ； 第二 ， 在装
配 图中将 零 件 的外 部 数 据 库 转 为 装 配 图 的 内部 数 据
这种 新 型数 控 系统 具 有 可靠 性 高 、 能 好 、 能 强和 成本 低 等显 著 特 点 ， 有 广 阔 的应 用前 景 。 性 功 具
关键 词 ： 光加 工 激 Ｃ Ｐ 平台 数 控 系统
随着 激光 加 工 技 术 的 Ｅ益 普 及 ， 激 光 加 工 设 备 ｔ 对 不 断提 出新 的要 求 。许 多 企业 不 仅需 要 常规 的平 面切 割机床 ， 而且 还需 要 对 曲 面类 复 杂 零 件 加 工 的 多 坐 标 激 光加 工 机 床 。要 发展 高性 能 的激光 加 工设 备 必须 有
性 能 优 良的控 制 系 统 ， 目前 市 场 上性 能 价 格 比高 的 而 激 光加 工 数控 系 统 比较 缺 乏 。针 对 这 一 实 际情 况光切割机床） 控 制 的基 本 要求 为 三轴 控 制 。其 中 、 ｙ轴需 联 动控 制 ，
库。 ３ ５ 特 殊 图形 的处 理 ．
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陶汪 先进焊接与连接技术国家重点实验室 哈尔滨工业大学
你应该知道： 1. 激光加工系统组成？ 2. 光束传输系统？
一、激光加工系统 激光加工系统组成
循环水冷系统
激光 器控 制器
激光器
气体供给系统
光束传输及聚焦
运动系统
CNC 控制系统
一、激光加工系统 光束传输系统
1、光束的扩束
f2
f1 激光束
与Z轴连接接口 水冷接口 反射式聚焦镜
金属反射镜
横吹空气刀 侧吹保护喷嘴源自一、激光加工系统 传输镜片
一、激光加工系统 光纤传输焊接工作头
光纤插口
同轴摄像接口
扩束准直镜片 双色镜片
保护镜片
聚焦镜片
空气刀
问题
你是否已经知道： 1. 激光加工系统有哪几类？ 2. 光路的传输方法？
3、能量的分配
几何分配 激光束 透射分配 激光束
50% 光束转向镜 部分透射镜 50%
50%
50%
一、激光加工系统 光束传输系统
4、反射镜传输
CO2激光器柔性臂式光束传输系统基本原理
一、激光加工系统 光束传输系统
5、光纤传输
CCD 耦合单元 α 光纤 f1 f2 校准模块
.
激光束
光束反 射腔 聚焦模块 f3
折射指数n
出光纤后的强度分布
b) 梯度折射率光纤
一、激光加工系统
远距离焊接系统原理
一、激光加工系统 运动系统
平面运动系统 三轴龙门式机床（X、Y、Z） 适合平面直线、曲线轨迹 配合CO2激光器、镜片反射式传输 三维运动系统 6关节机器人 适合三维空间曲线轨迹
配合Nd:YAG、光纤或DISK激光器、光纤传输
一、激光加工系统
DC030 激光器
水冷机 三维数控龙门 反射式传输光路 CNC控制系统 平面切割、焊接
一、激光加工系统
YLS 10000激光器 水冷机 机器人+平台 光纤传输 机器人控制系统 空间曲线焊接、切割
一、激光加工系统 反射式传输焊接工作头
扩束镜
扩束后的激光束
扩束镜：减小发散角、增大光束直径
rfoc
f r K
1 1 K 2 M 0
一、激光加工系统 光束传输系统
激光束
2、光束的转向
100% 输出1
光束转向镜
输出2
CO2激光器和Nd:YAG激光器都可以采用反射镜传输。
一、激光加工系统 光束传输系统
聚焦元件f1将进入光纤的光束聚焦到较小直径，内耦 合角α不能超过某一临界光纤相关值。激光束在光纤中传 出时是发散的，通过光学元件f2和f3进行校准和聚焦。
一、激光加工系统 光束传输系统
光纤传输方式
进入光纤前的强度分布 n1 n2
折射指数n
出光纤后的强度分布
a) 阶跃折射率光纤
进入光纤前的强度分布 n1 n2