激光加工

质量优势
技术特质
实际应用
切割缝边缘热影响区小 激光切割需要的总能量少 大型电机硅钢铁芯下料
激光切割的切缝窄小
激光切割的能量高度集中 石油管的过滤缝切割
切割精度高、工件变形小 激光聚焦光斑的直径小 汽缸垫的切割成型
3．焦点位置
五、激光焊接
4．光斑内的能量分布
六、激光热处理
5．激光的多次照射
表面处理
6．工件材料
冲击强化
二、激光切割
七、激光存储
刻划、雕刻
八、激光快速成形技术
一、激光打孔
随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越 多，并且常常要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，则能比较好地完成 任务。
1-激光器；2-激光束；3-全反射棱镜； 4-聚焦物镜；5-工件；6-工作台
激光加工示意图
1. 激光加工的原理和特点
一、激光的产生原理
（一）光的物理概念及原子的发光
1．光的物理概念——波粒二象性 1）光是在一定波长范围内的电磁波： λ =c/ν λ — 波长，c — 波速， ν — 频率。 2）光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子： E=hν E—光子具有的能量，h — 普朗克常数。
h E2 E1
+
粒子数反转的建立和激光的形成
二、激光的特性
光的共性：反射、折射、绕射、干涉 （一）强度高
光能在空间及时间上的亮度集中 （二）单色性好
波长一致 （三）相干性好
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。 （四）方向性好 光的发散角非常小。
激光加工
Laser Beam Machining
Laser Beam Machining，简称LBM
激光加工：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，靠光热效应来加工各种材料。
激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。 由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺 寸与光的波长相近的(微米甚至亚微米)小斑点上，加上 它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到107～ 1011 W/cm2，温度可达10 000℃以上。在这样的高温下， 任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷 射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工 是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综 合过程。
2．原子的发光
原子=原子核+绕原子核转动的电子 原子的内能：电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。 基态，能级E1：电子在最靠近原子核的轨道运动时最稳定，此时原子所处能 级状态为基态。
亚稳态能级
形成激光的重要条件
激发态，高能级EN (N=…4、3、2)
自发辐射和受激辐射
发光
原子跃迁
基态
一、激光打孔
激光打孔的优点：
二、激光切割
激光切割是激光加工的重要应用领域。激光切割是利用高能量
密度的激光束熔化或汽化材料，并用辅助气体吹除熔化材料形成割
缝的过程。激光切割切缝窄，几乎没有切割残渣，热影响区小，切
割噪声小，能够按照AutoCAD设计文件快速完成制造过程，不需要 增加其他的模具费用。
三、激光加工的特点
1）高功率密度，可高达108～1010W/cm2； 2）聚焦微小，输出功率可调整； 3）无明显机械作用力，无工具损耗。加工速度快，热影响区域 很小； 4）加工装置比较简单； 5）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； 6）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。
（二）激光的产生 某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的
条件下，会吸收光能，使处于较高能级(亚稳态)的原子(或粒子)数目 大于处于低能级(基态)的原子数目，这种现象称为“粒子数反转”。 在粒子数反转的状态下，如果有一束光子照射在该物体上，而光子 能量恰好等于这两个能级相对应的能量差，这时就能产生受激辐射 ，输出大量的光能。
工作物质、光泵、滤光液、冷却水、聚光器、谐振腔。 2．分类 （1）红宝石激光器 （2）钕玻璃激光器 （3）掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器
（二）气体激光器 1．二氧化碳激光器 2．氩离子激光器
二、激光加工常用激光器
梅曼和第一只激光器 红宝石激光器
二、激光加工常用激光器
气体激光器
二、激光加工常用激光器
一、激光加工机的组成部分
常用激光器由三部分组成：工 泵作 浦物 源质 光学谐振腔
激励能源
按工作物质分 ：
固体激光器 液体激光器 半导体激光器 自由电子激光器
工作物质
M1
谐振腔
M2
按输出方式分：
连续输出 脉冲输出
激光器结构示意图
激光器的分类
二、激光加工常用激光器
（一）固体激光器 1．基本组成
激光打孔中，要详细了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，但具体到某一台打孔机，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行充分的 了解，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参数。
固体激光器
二、激光加工常用激光器
液体激光器
二、激光加工常用激光器
半导体激光器
3.激光加工工艺及应用
一、激光打孔
三、激光微调
（一）打孔过程
激光去重平衡
源自文库
（二）打孔与工艺参数的关 电阻激光微调整
系
四、激光标记刻印
1．输出功率与照射时间
表面微凸体激光成形
2．焦距与发散角
（高0.0254~25.4μm）
2. 激光加工的基本设备
一、激光加工机的组成部分
时间控制
触发器
显微镜
电源
激光器
聚焦镜
电压控制
机电控制
工作台
投影仪
（1）激光器：将电能转变成光能，产生激光束； （2）激光器电源：为激光器提供所需能量及控制功能； （3）光学系统：包括激光聚焦系统和观察瞄准系统； （4）机械系统：包括床身、工作台和机电控制系统等。