先进激光加工技术(上) PPT

三、激光与材料相互作用过程
• 功率密度对靶材的影响：
103～104 W/cm2，加热
104～106 W/cm2，熔融
106～108 W/cm2，气化
靶
108～1010 W/cm2，等离子体
烧蚀蒸汽
激光束
激光加工：热加工，冷加工
相互作用机理研究尚待深入
• 激光与材料的相互作用过程十分复杂：靶材的多 样化，作用激光参数的多样化，作用条件的多样 化。
( 1 R ) P sto d 0 [ c s ( T v T 0 ) ( L n L v )]
1. 激光功率密度越高，所需气化时间越短。 2. 气化时间比熔化时间高出一个数量级，主要原因是
1
.2
t
T
n
(
T T
b n
1)
Pso为光斑中心的功率密度； Lt为材料的熔化潜热； tn激光照射表面至开始熔化时间； tb材料表面加热到Tb所需时间； αA为材料表面对激光的吸收比； Tn为熔化温度；λt为热导率； Tb近似为气化温度
合理调整激光功率密度和脉宽可得到最大融化深度
靶材的气化模型
• 高强度激光脉冲照射金属靶材表面分为以下几个阶段：首 先，靶表面达到熔点温度时，形成熔融层，然后温度继续 上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能量变为蒸发的潜 热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶 材。最后，在强度不是很高的情况下，喷溅蒸气不能形成 强吸收，系统达到一个稳定状态。
• 激光垂直入射时吸收比：
• 吸收系数：
A
n1
4n1
12 n22
A 4n2
• 金属对激光的吸收与波长、材料特性、温 度、表面情况（有无涂层）及激光的偏振 特性有关。一般情况下吸收比随波长增加 减小，随温度升高增大。
• 非金属对激光的吸收：绝缘体和半导体的 结构特征决定了它对激光波长有强烈的选 择性。
化潜热和蒸发潜热；c(Tபைடு நூலகம்-To)为 温度从熔点升至沸点靶面吸收 热量；Tc表示稳定表面温度；
Ps＝αAPso；vm为质量变化率；
p(Ts)为蒸气压力。
气化时间的估计
• 假设气化过程中，所有材料在液相和固相时性质相同， 且不随温度变化，则气化厚度为d0的金属所需时间可 由能量守恒定律推得的下式近似估算：
• 高功率激光与材料相互作用问题远没有解决，原 因是：
一是研究对象本身的复杂性和多样性 二是激光器本身的快速发展带来的新的问题 三是一些基本问题的观点、模型以及适应范围等仍
没有得到清楚地解释和验证。
激光的吸收
• 激光入射到材料表面时：反射、透射、吸收
E0=E反射＋E吸收＋E透射 1=E反射/E0＋E吸收/E0＋E透射/E0
激光熔融现象
• 当激光致使材料表面的温度达到其熔点时，前一 章讨论的激光加热与热传导方程的解将不再成立。 原因：材料熔化要吸收熔化潜热；材料的热导率 在熔化前后将成倍的变化。
• 对半无限大物体，当表面温度达到熔点Tm时，等 温面（熔化波前）T=Tm将以一定的速度向材料内
部传播，传播速度取决于激光功率密度和材料的 固相、液相的热力学参数。等温面传播的最大距 离称为最大熔化深度。
1=ρR+αA+τT（反射比，吸收比，透射比） 对于不透明材料： 1=ρR+αA
光强传播：I=I0e-Ax，（A为材料的吸收系数）
穿透深度：DT=1/A，（光强降至I0/e时）
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
• 吸收系数：与材料和激光波长有关
• 材料的复数折射率：n=n1+in2
农业：育种等。 医学：激光眼科、微外科手术、激光美容、口腔。 军事：激光测距、激光制导、激光通信、强激光武器（人眼致盲、
光电探测器失效，摧毁飞机、导弹、卫星）、激光模拟训练。
科学研究等许多方面。
《光机电月刊》，《工业激光解决方案》
• 德国、美国、日本、英国等国家激光产业的 发展代表了世界激光产业最高发展水平。
v dz (t )
Ps
dt [ L v L n c (Tc T0 )]
z max v ( t t n )
z max
t
Ps (t ) dt
tn [ L v L n c (T c T0 )]
vm
dm dt
N (T s )V z v
p (Ts ) 2 kT s
M
v为靶面蒸发速度；Ln，Lv为熔
• 对于大多数金属，熔化波前的穿透深度可简单表示为：
z (t)
0 . 16 A P so Lt
(t
tn )
z max
0 . 16 A P so Lt
(tb
tn )
tb
tn
4 . 76
T
n
(
T T
b n
1)
z max
1 .2 t A P so
T
n
(
T T
b n
1)
z max
A P so
求解方法
• 求解激光加热问题的数值解最有效也是最 重要的方法是：有限差分法。它能有效地 处理各种复杂边界条件和非线性问题，能 得到较准确地数值解。
• 其实质是：将微分方程中未知函数的导数 用温度场各个节点上的有限差分值的近似 关系来代替，进而得到有限差分方程的解。 这样就将有限差分方程的求解归结于简单 的代数运算。
激光对材料的加热
• 激光照射区域沿法线 方向的温度剃度为：
APs
t
T n
式中，αA为靶材表面对激光的吸收比；Ps为作用于靶材表 面的激光功率密度；λt为材料热导率。
具体计算分析时做如下简化假设： 1. 被加热的材料是均匀且各向同性的物质。 2. 材料的光学特性和热力学参数与温度无关。 3. 忽略传热过程中的辐射和对流，只考虑材料内热传导。
• 激光产业发展计划 美国：激光核聚变计划； 德国：光学促进计划；国家级激光中心9个 英国：阿维尔计划； 日本：激光研究5年计划。
中国“十二五”规划中增加：高能束与特种能场制造科学
二、工业用激光器
固体激光器（Nd:YAG激光器） 气体激光器（CO2激光器） 液体激光器 化学激光器 准分子激光器（KrF激光器） 半导体激光器 光纤激光器 超快激光器（皮秒、飞秒、阿秒激光）
先进激光加工技术(上)
一、引 言
• 1960年世界上第一台激光器诞生，随后各种激光器层出不 穷，如气体、液体、固体、化学、准分子、半导体激光器 和光纤激光器等。
• 激光器应用领域 工业：焊接、切割、打孔、表面处理、合金化、熔覆修复、快速
原型制造、金属零件直接成形（3D打印）、打标等—应用于汽车、电子、 航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业领域。