先进激光加工技术上
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
? 对 等 向半温材无面料限 （ 内大 熔 部物 化 传体 波 播， 前 ，当 ） 传表 播T面速=T温度m度取将达决以到于一熔激定点光的功速Tm率度时， 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。
? 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? APso ? Lt
《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。
? 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
?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）
(t ?
tn )
zmax
?
0.16? APso ? Lt
(tb
? tn)
tb
?
tn
?
4.76Tn
(
Tb Tn
? 1)
zmax
?
1.2? t ? AP so
Tn
(
Tb Tn
? 1)
zmax?
APso
?
1.2?
tTn
(
Tb Tn
? 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
化潜热和蒸发潜热；c(Tc-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。
? 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：
(1? ? R )Psot ? ?d0[cs (Tv ? T0 ) ? (Ln ? Lv )]
?
A
?
?n1
4n1
? 1?2 ?
n22
A ? 4?n2 ?
? 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。
? 激光照射区域沿法线 方向的温度剃度为：
? 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
1. 引言 2. 工业用激光器 3. 激光加工基本物理过程 4. 激光加工典型应用
在宏观制造领域中的应用 微细加工领域的应用 激光增材制造技术（3D打印技术）
? 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
合理调整激光功率密度和脉宽可得到最大融化深度
? 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。
? 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。
? 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。
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
?
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。
? 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。
v ? dz(t) ?
Ps
dt ? [Lv ? Ln ? c(Tc ? T0 )]
zmax ? v(t ? tn )
? zmax ?
t
Ps (t)dt
tn ? [Lv ? Ln ? c(Tc ? T0 )]
vm
?
dm dt
?
N(Ts )Vz
?
?v ?
p(Ts )
2?kTs
M
v为靶面蒸发速度；Ln，Lv为熔
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）
? 吸收系数：与材料和激光波长有关
? 材料的复数折射率： n=n 1+in 2
? 激光垂直入射时吸收比：
? 吸收系数：
? 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 108～1010 W/cm2，等离子体
烧蚀蒸汽
靶
激光束
激光加工：热加工，冷加工
wk.baidu.com
? 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。
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。
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。
? 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? APso ? Lt
《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。
? 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
?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）
(t ?
tn )
zmax
?
0.16? APso ? Lt
(tb
? tn)
tb
?
tn
?
4.76Tn
(
Tb Tn
? 1)
zmax
?
1.2? t ? AP so
Tn
(
Tb Tn
? 1)
zmax?
APso
?
1.2?
tTn
(
Tb Tn
? 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
化潜热和蒸发潜热；c(Tc-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。
? 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：
(1? ? R )Psot ? ?d0[cs (Tv ? T0 ) ? (Ln ? Lv )]
?
A
?
?n1
4n1
? 1?2 ?
n22
A ? 4?n2 ?
? 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。
? 激光照射区域沿法线 方向的温度剃度为：
? 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
1. 引言 2. 工业用激光器 3. 激光加工基本物理过程 4. 激光加工典型应用
在宏观制造领域中的应用 微细加工领域的应用 激光增材制造技术（3D打印技术）
? 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
合理调整激光功率密度和脉宽可得到最大融化深度
? 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。
? 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。
? 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。
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
?
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。
? 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。
v ? dz(t) ?
Ps
dt ? [Lv ? Ln ? c(Tc ? T0 )]
zmax ? v(t ? tn )
? zmax ?
t
Ps (t)dt
tn ? [Lv ? Ln ? c(Tc ? T0 )]
vm
?
dm dt
?
N(Ts )Vz
?
?v ?
p(Ts )
2?kTs
M
v为靶面蒸发速度；Ln，Lv为熔
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）
? 吸收系数：与材料和激光波长有关
? 材料的复数折射率： n=n 1+in 2
? 激光垂直入射时吸收比：
? 吸收系数：
? 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 108～1010 W/cm2，等离子体
烧蚀蒸汽
靶
激光束
激光加工：热加工，冷加工
wk.baidu.com
? 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。
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。
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。