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1 第七章激光加工 第七章激光加工 激光加工（Laser Beam Machining，简称 LBM） 激光是一种可控的单色光，强度高，能 量密度大，可以在空气介质中高速加工 是一种可控的单色光，强度高，能 量密度大，可以在空气介质中高速加工 激光加工不需要任何加工工具，而且加 工速度快、表面变形小 激光加工不需要任何加工工具，而且加 工速度快、表面变形小 激光加工可以用于打孔、切割、电子器 件的微调、焊接、热处理、以及激光储 存等各个领域 激光加工可以用于打孔、切割、电子器 件的微调、焊接、热处理、以及激光储 存等各个领域 2 第一节激光加工的原理和特点 一激光的产生原理 第一节激光加工的原理和特点 一激光的产生原理 激光是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的 激光是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的 原子是由原子核和绕核转动的电子组成的。原子 的内能就是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。如果由于外界的作用，使 电子与原子核的距离增大或缩小，则原子的内能 也随之增大或缩小。电子只有靠近原子核的轨道 运动才是最稳定的，这时电子所处的状态称为 原子是由原子核和绕核转动的电子组成的。原子 的内能就是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。如果由于外界的作用，使 电子与原子核的距离增大或缩小，则原子的内能 也随之增大或缩小。电子只有靠近原子核的轨道 运动才是最稳定的，这时电子所处的状态称为 “基态基态”。当外界传给原子一定能量时，原子内能 就会增加，外层电子的轨道半径会扩大，被激发 到高能级，称为 。当外界传给原子一定能量时，原子内能 就会增加，外层电子的轨道半径会扩大，被激发 到高能级，称为“激发态激发态”或或“高能态高能态” 3 被激发到高能级的电子是很不稳定的，它 总是力图回到低能级去。电子从高能级回 落到低能级的过程称为 被激发到高能级的电子是很不稳定的，它 总是力图回到低能级去。电子从高能级回 落到低能级的过程称为“跃迁跃迁”。 基态原子可以长时间地存在，而处于激发 状态的各种高能级原子停留的时间一般都 较短。而有些原子或离子的高能级或次高 能级却有较长的寿命，这种寿命较长的较 高能级称为亚稳态能级。这种亚稳态能级 的存在是形成激光的重要条件 基态原子可以长时间地存在，而处于激发 状态的各种高能级原子停留的时间一般都 较短。而有些原子或离子的高能级或次高 能级却有较长的寿命，这种寿命较长的较 高能级称为亚稳态能级。这种亚稳态能级 的存在是形成激光的重要条件 当原子从高能级跃迁回到低能级或基态 时，常会以光子的形式辐射出光能量 当原子从高能级跃迁回到低能级或基态 时，常会以光子的形式辐射出光能量 4 原子从高能态自发地跃迁到低能态而发光 的过程称为 原子从高能态自发地跃迁到低能态而发光 的过程称为“自发辐射自发辐射” 当一束光入射到具有大量激发态原子的系 统中，这种光的频率 当一束光入射到具有大量激发态原子的系 统中，这种光的频率v与很接 近，则处于激发能级上的电子在这束光的 刺激下会跃迁到较低能级，同时发出一束 光，这种发光过程称为 与很接 近，则处于激发能级上的电子在这束光的 刺激下会跃迁到较低能级，同时发出一束 光，这种发光过程称为“受激辐射受激辐射” 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 处于较高能级的原子数目大于处于低能级 的原子数目，这种现象称为 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 处于较高能级的原子数目大于处于低能级 的原子数目，这种现象称为“粒子数反转粒子数反转” h EEn 1 5 在粒子数反转的状态下，如果有一束光子 照射该物体，而光子的能量恰好等于这两 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 在粒子数反转的状态下，如果有一束光子 照射该物体，而光子的能量恰好等于这两 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 用脉冲氙灯照射红宝石时，使红宝石中处 于基态 用脉冲氙灯照射红宝石时，使红宝石中处 于基态E1的铬离子大量激发到的铬离子大量激发到En状态，由 于 状态，由 于En状态寿命很短，状态寿命很短，En状态的铬离子又很 快跳到寿命较长的亚稳态 状态的铬离子又很 快跳到寿命较长的亚稳态E2状态。如果照 射光足够强，就能够在千分之三秒时间 内，把半数以上的原子激发到高能级 状态。如果照 射光足够强，就能够在千分之三秒时间 内，把半数以上的原子激发到高能级En状 态，并转移到 状 态，并转移到E2状态，从而在状态，从而在E2和和E1之间 实现了粒子数反转 之间 实现了粒子数反转 6 7 这时，如有频率为的光 子去 这时，如有频率为的光 子去“刺激刺激”它，就会产生从能级它，就会产生从能级E2到到 E1的受激辐射跃迁，出现雪崩式连锁 反应，发出频率的单色 性好的光，这就是激光 的受激辐射跃迁，出现雪崩式连锁 反应，发出频率的单色 性好的光，这就是激光 h EE v 12 = h EE v 12 = 8 二激光的特性 亮度、强度高亮度、强度高 单色性好单色性好 相干性好相干性好 方向性好方向性好 9 三激光加工的特点 功率密度高达功率密度高达1081010W/ /cm2，几乎可加工任 何材料 ，几乎可加工任 何材料 激光光斑可聚焦到微米级，输出功率可调节， 可用于精密微细加工 激光光斑可聚焦到微米级，输出功率可调节， 可用于精密微细加工 所用工具为激光束，是非接触加工，所经没有 明显的机械力，没有工具损耗；加工速度快， 热影响区小 所用工具为激光束，是非接触加工，所经没有 明显的机械力，没有工具损耗；加工速度快， 热影响区小 加工装置简单加工装置简单 是一种瞬时的、局部熔化的、气化的热加工， 影响因素很多，因此精度和粗糙度难以保证 是一种瞬时的、局部熔化的、气化的热加工， 影响因素很多，因此精度和粗糙度难以保证 加工时有金属飞溅物，操作时应戴防护镜加工时有金属飞溅物，操作时应戴防护镜 10 第二节激光加工的基本设备 第二节激光加工的基本设备 一激光加工机的组成部分 激光器：将电能转换为光能，产生激 光束 激光器：将电能转换为光能，产生激 光束 激光电源：提供电能及控制激光电源：提供电能及控制 光学系统：包括聚焦系统和观察瞄准 系统 光学系统：包括聚焦系统和观察瞄准 系统 机械系统：床身、三坐标移动工作台、 机电控制系统等 机械系统：床身、三坐标移动工作台、 机电控制系统等 11 二激光加工常用激光器 ?固体激光器 固体激光器由工作物质、光泵、玻璃套 管和滤光液、冷却水、聚光器以及谐振 腔等组成 固体激光器由工作物质、光泵、玻璃套 管和滤光液、冷却水、聚光器以及谐振 腔等组成 固体激光器常用的工作物质有红宝石、 钕玻璃和掺钕钇铝石榴石三种 固体激光器常用的工作物质有红宝石、 钕玻璃和掺钕钇铝石榴石三种 固体激光器采用光激励，能量转化环节 多，效率低 固体激光器采用光激励，能量转化环节 多，效率低 12 13 ?气体激光器 采用电激励，效率高、寿命长、连续输 出功率大 采用电激励，效率高、寿命长、连续输 出功率大 用于切割、焊接、热处理等加工用于切割、焊接、热处理等加工 ?二氧化碳激光器：包括放电管、谐振腔、 冷却系统和激励电源等。为提高输出效 率，二氧化碳激光器一般都加进氮、氦、 氙等辅助气体和水蒸气 包括放电管、谐振腔、 冷却系统和激励电源等。为提高输出效 率，二氧化碳激光器一般都加进氮、氦、 氙等辅助气体和水蒸气 14 15 ?氩离子激光器：是惰性气体氩通过气体 放电，使氩原子电离并激发，实现离子 数反转而产生激光 是惰性气体氩通过气体 放电，使氩原子电离并激发，实现离子 数反转而产生激光 16 第三节激光加工工艺及应用 第三节激光加工工艺及应用 一激光打孔 1应用范围应用范围 几乎可在任何材料上打微型孔；几乎可在任何材料上打微型孔； 目前应用于：火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴 加工；化学纤维喷丝板打孔（在 目前应用于：火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴 加工；化学纤维喷丝板打孔（在100mm直 径的不锈钢喷丝板上打 直 径的不锈钢喷丝板上打10000多个多个0.06mm的 小孔，数控加工，半天完成）；钟表及仪表中 的宝石轴承打孔（打 的 小孔，数控加工，半天完成）；钟表及仪表中 的宝石轴承打孔（打0.120.18mm、深、深 0.61.2mm的小孔，每分钟可连续加工几十 个）；金刚石拉丝模加工等。 的小孔，每分钟可连续加工几十 个）；金刚石拉丝模加工等。 激光打孔的直径可以小到激光打孔的直径可以小到0.01mm以下，深 径比可达 以下，深 径比可达50：1 17 2影响激光打孔的主要因素影响激光打孔的主要因素 输出功率与照射时间输出功率与照射时间 焦距与发散角焦距与发散角 焦点位置焦点位置 光斑内的能量分布光斑内的能量分布 激光的多次照射激光的多次照射 工件材料工件材料 18 19 二激光切割 原理与激光打孔相同，只是工件 与激光束有相对移动 原理与激光打孔相同，只是工件 与激光束有相对移动 可用于各种材料，加工可用于各种材料，加工Y形、十 字形等型孔及切割窄缝与划线以 及雕刻 形、十 字形等型孔及切割窄缝与划线以 及雕刻