激光加工教案1

数控激光加工技术训练教案

山东大学工程训练中心

激光加工技术训练部

第一节概述

激光技术涉及光学、机械学、电子学等学科，是一门综合性高技术。

世界上第一台激光器是美国科学家梅曼于1960年研制成功的红宝石激光器。我国第一台红宝石激光器于1961年9月在中国科学院长春光机所诞生。梅曼研制的红宝石激光器是用一根红宝石棒作为发光物质（棒两头镀上银膜形成反射镜面），棒外套上一支螺旋状的氙气灯，为了充分利用氙灯光，梅曼又在螺旋氙灯外套上一个反射率很高的圆柱，以便使更多的氙灯光照到红宝石上。

在世界上第一台红宝石激光器问世不久，1960年年底，由工作在贝尔实验室的贾范发明了世界上第一台氦氖激光器，并且在其影响下产生出一系列气体激光器。此后，1962年出现了半导体激光器；1964年由帕特尔发明了第一台CO2激光器；1965年发明了第一台YAG激光器；1968年开始发展高功率CO2激光器；直至1971年出现了第一台商用1KWCO2激光器。

上述的一切，特别是高功率激光器的研制成功，为激光加工技术应用的兴起和迅速发展创造了必不可少的前提条件。

激光是自问世后很快在实际中得到应用的高技术。其后，随着对有关基本理论研究的不断深化，各类激光器件不断地发展，从而使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著。如今，激光技术已经在工业、农业、医学、军工、科学研究、以及人们的现代生活中得到了广泛应用。从激光微细加工到激光核聚变，从视听装置、激光通讯到捕捉、跟踪、测量飞行目标，从激光育种到激光美容，激光技术都大有用武之地。

激光技术具有很广又很强的渗透性。激光应用于检测、测距、准直，可大大提高测量精度和自动化程度，使其在机械、建筑、冶金、汽车、石油和国防等领域得到了广泛应用。激光应用于通讯，使通讯技术产生了质的飞跃；激光应用于信息储存，已使视听技术发生了重大变革；激光分色、打印促进了印刷技术的发展；激光应用于医学，已可治疗110多种疾病，具有独特的效果，是其它医疗器械无法比拟的。激光应用于材料加工，如打孔、切割、焊接、热处理、打标和微加工等，解决了许多常规方法无法解决或很难解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量，被誉为未来制造系统共同的加工手段。

到目前为止，我国在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标等方面已有许多非常成功的应用范例。激光合金化和熔覆、激光制备新材料、激光快速三维立体成型等都已在快速走向实用化阶段。

一、激光的特性

激光也是一种光，是通过受激辐射发出的。它具有一般光的反射、折射和绕射等共性。还有它本身的特性，概括地说，激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。激光所具有的优异特性是普通光源望尘莫及的。

1.激光的高亮度和高强度

激光的亮度和强度高的原因，在于激光可以实现光能在空间和时间上的高度集中。一台红宝石巨脉冲激光器的亮度比高压氙灯高370亿倍，比太阳表面的亮度也要高200亿倍。具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能加工几乎所有的材料。

2.激光的高方向性

激光的高方向性主要指其光束的发散角小。普通光源由于各个发光中心是独立地发光，而且各具有不同的方向性，所以发射的光束是很发散的。即使是加上聚光系统，要使光束的发散角小于0.1rad，仍是十分困难的。激光则不同，它的各个发光中心是互相关联地定向发射，所以可以把激光束压缩在很小的立体角内，发散角可以小到0.1mrad左右。由于激光的方向性好，可以使光束会聚到直径小于0.01mm的面积上，故可用于微细加工。

激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。

所谓单色性，是指光的波长或频率

在一个确定的极窄的数值范围内。数值

范围（即谱线宽度）为零的单色光是不

存在的。波长为λ0的单色光是指中心

波长为λ0，谱线宽度为Δλ的一个光图一

谱范围。Δλ称为该单色光的线宽，是衡量单色性好坏的尺度。Δλ愈小，单色性愈好，见图一。光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。

4.激光的高相干性

激光的相干性，即在空间的不发散性——在远离光源处仍保持起始的横断面尺寸。激光单色性愈好，则相干长度愈大，相干性愈好。氪灯光源的相干长度只有78cm；而激光相干长度一般都达数十km。

应当指出，激光的上述特性不是相互无关的，而是相互联系、互相渗透的。

二、激光的产生

任何物质都是由原子、分子等基本粒子组成，这些粒子具有一些不连续的离散分布的能级。能级较低的粒子可以吸收一定频率的光子而跃迁到较高的能级，这种过程称为吸收。能级较高的粒子可以通过两种方式向外发射出一定频率的光子。一种方式是自发辐射，各个发光中心的频率、位相、传播方向和偏振状态等都互不相干，与外界影响没有关系。普通光源即是由自发辐射产生的。另一种方式是在相应频率光子的打击下，粒子从高能级跳到低能级，称为受激辐射。在一般情况下，处于高能级的粒子数总是比低能级的少，因此吸收的概率大于受激辐射的概率，吸收作用占优势。

某些物质如氦（He）、氖（Ne）、氪（Kr）原子，氩（Ar）、铬（Cr）钕（Nd）离子，及二氧化碳分子等，在外来能量的激发下，有可能使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，实现粒子数反转。当入射光通过这样的物质时，受激辐射作用占优势，吸收较小，从而使入射光子数得到增强，并且增加的那些受激辐射光子的频率、位相、传播方向和偏振状态等都同入射光子完全一致，这就是光的受激辐射放大作用，激光就是这样产生的，因此激光是“受激辐射的光”。

第二节激光加工的原理

一、基本原理

激光由于强度高，方向性好，颜色单纯，这就有可能通过一系列的光学系统，把激光束聚焦成一个直径仅有数um到数十um的极小光斑，从而获得107——1011W/cm2的能量密度以及摄氏上万度的高温，并能在10-3s或更短的时间内使一些难熔材料急剧熔化以致汽化蒸发，以达到加工工件的目的。

激光加工的机理，目前还不十分清楚，说法不一。但从大量的实验研究来看，可以这样来认识：当能量密度极高的激光束照射在被加工表面时，光能被加工表面大量吸收，并部分地转换成焦耳热能，使照射斑点的局部区域温度迅速升高到熔化以致汽化，并形成陷坑。随着光能的继续被吸收，陷坑中的金属蒸汽高速膨胀，相当于产生一个微型爆炸，把熔融物高速喷射出来，同时产生一个方向性很强的反冲击波。工件在高温和反冲击波的同时作用下，被打出一个带椎度的微型小孔。

那么，这个孔是不是单纯地因高温被烧穿的呢？根据计算表明，把孔中的材料全部汽化所需要的能量比激光所提供的能量要多。而且热的传递时间要比现在打孔所需要的时间长得多。再说热量还会向四周扩散，因而孔的形状既不会很规则，也不可能太小。这证明孔不是烧穿的，而是被光子共振所高速打穿的。

二、加工特点

由于激光具有的宝贵特性，因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点：

1.由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此

可以实现多种加工的目的；

2.它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔

点的材料；

3.激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；

4.激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非

激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续