激光加工物理基础

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激光的多维性特征
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激光加工的物理机制
eIonization
Ionization limit
Photo ionization hv
激光“冷”加 工
Dissociation limit
垂直入射时的反射率和吸收率
nc (n ) 2 k 2 R nc (n ) 2 k 2
2
4n A 1 R 2 2 (n ) k
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金属对激光的Fra Baidu bibliotek收
金属中存在大量的自由电子，如果光子的能量较低（CO2和YAG等红外激光 属于此类），通常只对金属中的自由电子发生作用，也就是说能量的吸收是通过 金属中的自由电子这个中间体，然后电子通过碰撞将能量传递给晶格。
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几种典型激光的光子能量
CO2激光器：=10.6m、=h=0.12eV CO激光器：=5.4m、=h=0. 23eV COIL激光器：=1.32m、=0.93eV Nd:YAG激光器：=1.06m、=h=1.16eV 半导体激光器： = 800-980nm 、=1.25~1.54eV 三倍频YAG激光器： =355nm、=h=3.48eV KrF准分子激光器: =248nm, =h=4.9eV
激光的应用必然是充分地利用激光独有的 特性,寻找KILLER APPLICATIONS！
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金属对激光吸收的一般规律
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吸收系数与穿透深度
I0

4k

k：材料吸收指数 I(z) ：激光波长
A10.6 11.2
12
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带间吸收
当激光的波长较短(<0.5m)时，由于激光光子的能量较大，激光除与自 由电子发生相互作用之外，还可对金属中的束缚电子发生作用，引起价 带电子向导带电子的跃迁，从而使金属的反射能量降低，透射能量增强， 金属对激光的吸收率增大。因此，对可见和紫外激光，必须考虑带间跃 迁(interband transitions)引起的吸收增加，即带间吸收AIB (Interband absorption)。因此，金属的吸收率由以下二部分组成，称为金属的内在 吸收或固有吸收，用Ai表示：
E
光振动在图示平面内
偏振面
偏振面：光矢量的方向和光的传播 方向构成的平面
光振动在垂直于图示平面内
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二、自然光
自然光不仅初相位彼此不相关，而且光振动的方向也是随机分布的。 在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均来 说，光矢量具有轴对称而且均匀分布，各方向光振动的振幅相同。
激光加工工艺与激光功率密度及作用时间的关系
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激光加工的特点
作为加工工具的激光特性 作用时间短 没有力的作用 无磨损 良好的可达性 精确的加工轨迹 功率密度高，并且精确可控 整个工件的热输入量小
激光加工的优点
--高的加工速度 --高的加工质量 精确 变形小 无需后续加工或后续加工量小
cE B 2 c
电磁波中起光作用的主要是电场矢量，所以电场矢量又叫光 矢量。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量可能有各种不 同的振动状态，这种振动状态通常称为光的偏振态。
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五种常见的光的偏振态： 一、线偏振光
光矢量只沿一个固定的方向振动，也就是说光矢量只在 同一个平面内振动，因此线偏振光也称为平面偏振光。
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激光制造工艺方法
1、激光热加工
固态加热 退火、表面相变硬化 热应力成形、矫直 控制断裂切割 激光辅助切削加工 …… 熔化 表面抛光 表面重熔改性、表面合金化、熔覆 表面织构化 金属零件增材成形、再制造 热传导焊接 …… 汽化 熔深焊接 切割、制孔、雕刻 物理/化学气相沉积、 表面清洗 冲击波改性、冲击波成形 ……
电位移矢量D和磁感应强度B 的法向分量在界面上连续

2
E 1t E 2t H 1t H 2t D1v D 2v B1v B 2 v D E
1 Bk E c
n1 sin i0 n2 sin
B H
IE
2
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不同加工方法激光束入射条件示意
表面加热 切割 深熔焊接
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实现不同激光加工之简单方法
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Solid state lasers YAG lasers Diode lasers Ruby lasers Gas lasers CO2 lasers CO lasers COIL lasers
Double (triple ) frequency YAG lasers
Excimer lasers
COIL — Chemical Oxygen-Iodine Laser (化学氧碘激光器) Nd:YAG — Neodymium doped Yttrium Aluminium Garnet (掺钕钇铝石榴石) Excimer—Excited Dimer (准分子)
Hagen-Rubens关系式
在低频辐射时，即

2
2
nk 2
2 p
12
2 0
12
12
2 RN 1 0

12
2 AN 0
上述反射率和吸收率是Drude反射率和吸收率的一种特例，其适应范围是十分有限的。 对于高导电性金属，仅在长波辐射时有效（如金属Ag，波长须大于500m），对于弱 导电性金属，公式的适应范围可以扩大到中红外（如金属Hg，波长大于7m即可）。 因此，就现有的可用于金属材料加工的激光器件而言，只有在CO2激光辐射弱导电性 金属时，才可以采用以上公式计算金属的反射率和吸收率。
2、激光“冷”加工
刻蚀 光固化(多光子聚合)成形 激光辅助化学蚀除 功能材料激光辐照改性 ……
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激光热加工基本物理过程示意图
103W/cm2
a. 固态加热 b. 表面重熔 c. 小孔效应
108W/cm2 d. 等离子体屏蔽
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nc n ik
I(z) (1 R)I0e
z
R ：材料表面的反射率； ： 材料的吸收系数（cm-1）
l 4k
1
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光在介质界面上的反射和折射
电场强度E和磁场强度H的切 线分量在界面上连续； 1 i0
激光焊接熔深/熔宽与激光功率（密度）的关系
6 5
深度 宽度
材料: st37-2低碳钢
焊缝深度/宽度( mm)
4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 激光功率(kW)
RS20000 CO2激光器, D=100mm, f=300mm, df=1.1mm, f=0 V=2m/min 无辅助气体
2 2 12



12
2 AD 1 RD 0

1 2
2 12



12
我们可以很直观地看出，辐射激光的波长越短（即圆频率越大）、导电 性越差（即电导率0越小），金属对入射激光的吸收率越高。
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c 1 i 2 nc c n ik
n k 1
2 2
1 nk 2 2
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Drude反射率和吸收率
2 RD 1 0
12
1
12
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CO2和YAG等红外激光器，光子能量低，加工过程是以热的形 式体现，即材料吸收激光能量引起温度升高、熔化或汽化，从 而实现材料表面热处理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割， 等等，是为激光热加工。
紫外波长的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子 的结合能相当（高分子聚合物主要由H、C、O、N组成，其中 C-H键的键能只有3.5 eV），因此，紫外激光作用在这类物质上 将可能直接打破分子间的结合键，依靠所谓的光化学作用实现 对该种材料的剥蚀加工，是为激光冷加工。但是，高聚物中的 C-O, N-N, C-N 的键能均高于所有紫外光子的能量，紫外激光加 工聚合物实际上是同时存在光解和热解两个过程。紫外激光加 工金属和大多数的非金属则仍然是基于光热效应的热加工。 红外飞秒激光加工是属于热加工，还是冷加工？
三、部分偏振光
介于线偏振光和自然光之间，在垂直于光传播方向的平面内，沿各 个方向振动的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的光矢量之间没有 固定的相位关系。
在图示平面内的光振动较强
在垂直于图示平面内的光振动较强
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四、圆偏振光 五、椭圆偏振光
在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按 一定的频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢 量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光。 如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫 椭圆偏振光。
圆偏振光
椭圆偏振光
圆偏振光和椭圆偏振光中的光矢量的转动相当于两个相互垂直的振动的 合成，这两个分振动之间有确定的相位关系。具体来说，两束偏振面垂 直的线偏振光叠加，当相位固定时，获得椭圆偏振光，当两束偏振光的 强度相等且相位为/2或3/2时，得到圆偏振光。
--高的柔性 加工工艺多 材料范围广 自由几何形状 --易于实现自动化 --与其它加工方法良好的结合性
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激光加工的应用特别适合于以下情况
--改变加工流程 降低成本 提高质量 --其它方法无法实现
--要求没有力的作用和/或热输入 量小的情况 --小批量、多品种 --自动化程度要求高
第三讲
激光加工物理基础简介(一)
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激光加工的基本概念
激光加工是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料 的相互作用，引起材料一系列复杂的物理和化学变化，从 而实现材料的制备、成形、改性、联接和去除等。按照光 与物质的相互作用机理，激光加工可分为基于光热效应的 “热加工”和基于光化学效应的“冷加工”两种。
Electronic excitation using a UV laser
Vibrational excitation using an IR laser hv
hv Ground state molecules
激光热加工
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材料加工用典型激光器
Ai AD AIB
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激光垂直入射时室温下金属的吸收率
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反射率和吸收率 与激光偏振状态和入射角的关系 什么是光的偏振
光波为横向电磁波，电场、磁场、传播速度三者相互垂直：