激光加工课件

激光加工课件

一、激光介绍

1.1 激光的产生

1.1.1光的物理状态

㈠光的电磁学说：在一定波长范围内的电磁波。

λ——波长 C ——频率 V ——波速 ㈡光的量子说：

光是在一定波长范围内的电磁波，一种具有一定能量的以

光速运动的粒子流（光子）。不同频率的光对应不同能量

的光子。

E ——光子能量；v ——光的频率；h ——普朗克常数；

1.1.2原子的发光

㈠基态：电子在最靠近原子核的轨道上运动时，原子所处的能级状态称为基态。

㈡激发态：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（高能态）。

㈢跃迁：原子从高能级回到低能级的过程称为“跃迁”。

被激发到高能级的原子不是很稳定，总是力图回到能量较

低的能级去。

具有亚稳态能级的原子和离子的存在是形成激光的重要

条件。

㈣光辐射：

当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常

常以光子的形式辐射出光能量。

㈤自发辐射：原子从高能级自发地跃迁到低能级而发光的

过程称为自发辐射。（日光灯发光）

各受激原子跃迁回到基态的时序先后不一，且具有多个能

级，因此方向性、单色性都很差。

㈥受激辐射：满足一定频率要求的一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，刺激处在激发能级上的原子跃迁回到低能级，同时发出一束与入射光具有相同特性（频率、相位、传播方向、偏振方向等）的光。

1.1.3激光产生的条件

㈠粒子数反转：具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发条件下，吸收光能，使处于亚稳态（高能级）的原子数目大于处于基态（低能级）的原子数目的现象。

㈡受激辐射：在粒子数反转的状态下，一束光子入射该物体，当光子能量恰好等于两个能级相对应的能量差时，产生受激辐射，输出大量光能。

㈢激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等），也有其特性。（受激辐射） c v λ=E hv

=()1n v E E h =-

强度、亮度和能量密度高：一台红宝石激光器的亮度是太阳表面亮度的两百多亿倍。空间上和时间上的集中。

单色性好：具有很窄的谱线宽度，波长一致。

相干性好：单色性越好，相干长度越长。

相干时间：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；

相干长度：在相干时间内光所走的路程（称为光程）；波长一致性越好，相干长度就越长，相干性就越好。

方向性好：具有很小的发散角。

1.2激光加工（Laser Beam Machining，简称LBM）

1.2.1激光加工原理：利用高强度、方向性好、单色性好的相干光，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。

1.2.2激光加工特点：

①聚焦微小，输出功率可调整。聚焦后，激光加工的功率密度非常高，光能转化为热能几乎可以熔化、气化任何材料。

②激光光斑可以聚焦到微米级，输出功率可调，能够实现精密微细加工。

③非接触式加工，无机械力，无工具损耗，易实现加工过程自动化。加工速度快，热影响区域很小。

④与其他高能束加工比较，加工装置比较简单。

⑤高功率密度，可高达108～1010W/cm2。

⑥加工重复精度和表面粗糙度不容易保证。对光反射敏感的材料，必须在加工前另加处理；

⑦加工产生废气、废物，必须及时排除。操作人员应有一定安全防护要求。

1.2.3激光加工的基本设备包括以下四部分：

激光器：将电能转变成光能。

电源：为激光器提供能量和控制功能。

光学系统：聚焦系统和观察瞄准系统。

机械系统：床身、工作台、机电控制系统。

1.2.4激光器的分类

按激活介质的种类：固体激光器和气体激光器

按工作方式：连续激光器和脉冲激光器

㈠固体激光器的基本组成：

工作物质、光泵、滤光液、冷却水、聚光器、谐振腔。

固体激光器的分类：红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石（Y AG）激光器。

㈡气体激光器

二氧化碳激光器：以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，目前连续输出功率最高的气体激光器。

氩离子激光器。

二、激光加工工艺

2.1激光打孔

2.1.1激光打孔原理：基于聚焦后的激光具有极高的功率密度使得工件材料融化、气化等热物理现象综合的结果。

2.1.2激光打孔特点：

①几乎可以在任何材料上打微型小孔;（直径10µm的精密微孔，机械加工很难达到0.25mm）；

②适合于自动化连续打孔，加工效率高；

③直径可小到0.01um以下，深径比可达50:1；

④速度快，效率高，尤其高密度群孔加工；

⑤可加工硬脆软材料和可在难加工材料上加工斜孔

2.1.3激光打孔的主要影响因素

①输出功率与照射时间：

输出功率大，光照时间长，则工件获得的激光能量大。

照射时间为几分之一到几毫秒，时间不能太短也不能太长。

②聚焦与发散角：尽可能减小激光的发散角，使其在聚焦以后获得很小的光斑和更高的功率密度，从而加工直径更小、深度更深的孔。

③焦点位置：焦点位置对于孔的形状和深度都有很大影响。

④光斑内的能量分布

⑤激光的多次照射：激光照射一次，加工深度约为孔径的五倍，且锥度很大；多次照射则深度大大增加、锥度减小、孔径几乎不变。