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1、第五章 激光加工nLaser Beam Laser Beam Machining(LBMMachining(LBM),),2020世纪世纪6060年代初发展起年代初发展起来的一门新兴科学来的一门新兴科学;n19601960年美国年美国梅曼梅曼发明第发明第1 1台台红宝石激光器红宝石激光器，随后各种，随后各种激光器不断涌现；激光器不断涌现；19611961年家王之江在长春光机所研究年家王之江在长春光机所研究成功我国第一台激光器；成功我国第一台激光器；激光器激光器被称为被称为2020世纪世纪四大发四大发明明(原子能、半导体、计算机原子能、半导体、计算机)之一之一，为科研、生产提，为科研、生产提供了
2、新的手段；供了新的手段；n2020世世纪纪8080年年后后开开始始在在工工业业领领域域获获得得日日益益广广泛泛的的应应用用：打孔打孔/切割切割/电子器件微调电子器件微调/焊接焊接/热处理热处理/激光存储激光存储等等;重点掌握：重点掌握：激光加工的原理、特点、应用；激光加工的原理、特点、应用；nLaser-Light amplification by stimulated emission of radiation，辐射的受激发射光放大，译辐射的受激发射光放大，译音音莱塞莱塞,20,20世纪由钱学森建议改为激光世纪由钱学森建议改为激光 或激光器；或激光器；11 发发光光方方式式：自自然然界界存存
3、在在着着自自发发辐辐射射和和受受激激辐辐射射两两种种不不同同的的发发光光方方式式，前前者者发发出出的的光光是是随随处处可可见见的的普普通通光光，后者发出的光便是后者发出的光便是激光激光。1）普通太阳光：）普通太阳光：聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能用于加工，原因是：用于加工，原因是：地面上的太阳光的能量密度不高；地面上的太阳光的能量密度不高；太阳光不是单色光，聚焦后不在同一平面内；太阳光不是单色光，聚焦后不在同一平面内；2)激光（为什么激光可以用于加工？）：激光（为什么激光可以用于加工？）：可控的单色光，强度高、能量密度大，经过透镜可控的单色光，强度高、能量密度
4、大，经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，依靠聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，依靠光热光热效应效应可以在空气介质中高速加工可以在空气介质中高速加工任何材料；任何材料；激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。可加工各种材料。25.1 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点1)电磁学：电磁学：光是在一定波长范围光是在一定波长范围内的内的电磁波电磁波，波长，波长波速波速c/频率频率f：0.76 um为红外光为红外光；2)量子学：量子学：光是一种具有一定能光是一种具有一定能量、且以光速运动的量、且以光速运动的粒子流粒子流(光子光子
5、)，其能量，其能量E=hf(h为为普朗普朗克常数克常数)：光子数相同时，：光子数相同时，E紫紫外外E红外红外；频率相同时，含光；频率相同时，含光子数多的光束能量多；子数多的光束能量多；电磁波波谱图电磁波波谱图可见光波谱图可见光波谱图频率频率f 波长波长/m 波长波长/um1光的物理概念光的物理概念：具有波动性及微粒性：具有波动性及微粒性-波粒二象性波粒二象性.35.1 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点2 2 原子发光：原子发光：1)1)原子能级原子能级:电子在原子外层的不同分电子在原子外层的不同分布使其具有不同的内能，内能最低的布使其具有不同的内能，内能最低的状态称为状态称为基态基态E
6、1E1；基态原子吸收外界；基态原子吸收外界能量后被激发到能量较高的能量后被激发到能量较高的激发态激发态或或高能态高能态(E2-E8);(E2-E8);通常通常,原子基态原子基态时可长时间存在，而时可长时间存在，而激激发态发态时停留时间很短；时停留时间很短；但，但，有些原子在有些原子在某些能级某些能级上停留时间较长，这些能级上停留时间较长，这些能级称为称为亚稳态能级亚稳态能级，其存在是形成激光的重要条件；，其存在是形成激光的重要条件；由于被激发到高能态的原子通常很不稳定，总试图回由于被激发到高能态的原子通常很不稳定，总试图回到低能态，其从高能态回落到基态的过程称为到低能态，其从高能态回落到基态的
7、过程称为 跃迁跃迁；原子的原子的跃迁跃迁是以是以光子光子的形式释放能量，产生的光能为：的形式释放能量，产生的光能为：hf=En-E1；图图 5.2 原子的能级原子的能级受受激激跃跃迁迁43)受激辐射（受激辐射（是激光产生的基础）：是激光产生的基础）：某些具有某些具有亚稳态能级结构的物质亚稳态能级结构的物质，受外来光子激发后，可使处于受外来光子激发后，可使处于高能高能级级(亚稳态亚稳态E2)原子数原子数低能级低能级(E1)原原子数，这种现象称子数，这种现象称粒子数反转；粒子数反转；粒子数反转粒子数反转状态下，如再受到能量状态下，如再受到能量fh=E2-E1的一束光子照射，即可产生受的一束光子照射
8、，即可产生受激辐射，发出频率激辐射，发出频率f(E2-E1)/h、单单色性较好、强度高的光激光色性较好、强度高的光激光;5.1 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点3 原子发光方式：原子发光方式：1)1)激发：激发：基态原子吸收外界能量被激发到基态原子吸收外界能量被激发到激发态激发态(如如E3);E3);2)自发辐射：自发辐射：原子从高能态自发回落到低能态而发光的过原子从高能态自发回落到低能态而发光的过程；如日光灯等的光，其频率程；如日光灯等的光，其频率/波长不一，单色波长不一，单色/方向性方向性差；差；图图 5.3 粒子数反转的建粒子数反转的建立和激光形成立和激光形成hfhfhf=E2-
9、E1 54 激光的特性：激光的特性：1）具有普通光的共性）具有普通光的共性：反射、折射、绕射及干涉等；：反射、折射、绕射及干涉等；2）激光是受激辐射，）激光是受激辐射，发光物质有组织、相互关联地产发光物质有组织、相互关联地产生的光发射，发出的光波具有生的光发射，发出的光波具有相同的频率、方向、偏相同的频率、方向、偏振状态和严格的相位振状态和严格的相位；与普通光的差别在于：；与普通光的差别在于：强度、亮度高强度、亮度高：比太阳表面亮度高：比太阳表面亮度高20多亿倍多亿倍;单色性好单色性好：波长基本为一固定值，即谱线宽度：波长基本为一固定值，即谱线宽度 窄，窄，仅为仅为10-8nm;相干性好相干性
10、好：相干性是指光源先后发出的两束光能够产：相干性是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的生干涉现象的最大时间间隔最大时间间隔或或所走过的最大光程所走过的最大光程；激激光的相干长度光的相干长度L可达数十千米，故可用于长距离的精可达数十千米，故可用于长距离的精密测量密测量；方向性好方向性好:用发散角衡量，可小于用发散角衡量，可小于1x10-4sr(立体弧度立体弧度)5.1 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点65 激光加工的原理：激光加工的原理：n通通过过透透镜镜将将激激光光束束聚聚焦焦成成极极小小光光斑斑(直直径径几几十十几几um)，其，其功率密度极高功率密度极高(108-1010W/cm
11、2);n光光能能被被工工件件吸吸收收后后便便迅迅速速转转化化为为热热能能(光光斑斑区区温温度度可可达达1万万以以上上)，并并致致使使材材料料熔熔化化甚甚至至气气化化，这这种种加加工工方法即为激光加工。方法即为激光加工。激光加工原理图激光加工原理图5.1 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点76 激光加工的特点激光加工的特点:几乎可加工几乎可加工(熔化、气化熔化、气化)所有金属和非金属所有金属和非金属；激光束激光束(光斑光斑)可聚焦到微米级，进行可聚焦到微米级，进行精密微细精密微细加工；加工；属属非非接接触触加加工工，工工件件不不受受机机械械切切削削力力，无无弹弹性性变变形形；不不存存在在工
12、工具具磨磨损损、振振动动和和机机械械噪噪声声；在在大大气气中中无无能能量量损损失失，设备简单，设备简单，无需真空室无需真空室；加加工工作作用用时时间间短短，除除加加工工部部位位外外，几几乎乎不不受受热热影影响响、不不产生热变形；产生热变形；加工效率高，可实现加工效率高，可实现高速、自动高速、自动化化切割切割和和打孔打孔；可可通通过过空空气气、惰惰性性气气体体或或者者光光学学透透明明介介质质，可可对对隔隔离离室室或或真空室内工件真空室内工件进行加工；进行加工；属热加工属热加工，影响因素多、精度及，影响因素多、精度及Ra不易保证；不易保证；材料表面光泽、透明时需材料表面光泽、透明时需色化色化或或打
13、毛打毛处理处理(便于吸光便于吸光)产生金属气体、产生金属气体、火星等飞溅物火星等飞溅物，操作者需戴防护眼镜。，操作者需戴防护眼镜。5.1 激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点85.2 激光加工的基本设备激光加工的基本设备1 激光加工机的组成：激光加工机的组成：激光器：激光器：重要设备，其功能是将重要设备，其功能是将电能变为光能电能变为光能（产（产生激光束）；生激光束）；激光器电源：激光器电源：提供激光器所需能量及控制功能；提供激光器所需能量及控制功能；光学系统：光学系统：聚焦和瞄准系统聚焦和瞄准系统(用于观察、调整聚焦用于观察、调整聚焦点位置点位置)机械系统：机械系统：包括床身、三坐标工作
14、台及机电控制系包括床身、三坐标工作台及机电控制系统统2 2 常用的激光器：常用的激光器：按工作介质分为：按工作介质分为：固体激光器（固体激光器（红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石）气体激光器（气体激光器（二氧化碳激光器、亚离子激光器二氧化碳激光器、亚离子激光器）；）；按工作方式分为：按工作方式分为：连续连续、脉冲激光器；脉冲激光器；95.2 激光加工的基本设备激光加工的基本设备3 3 固体激光器：固体激光器：工作物质：工作物质：红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石；红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石；光泵：光泵：为工作介质提供光能，常用氙灯、氪灯；为工作介质提供光能，常用氙灯、
15、氪灯；聚光器：聚光器：将光泵发出的光聚集到工作介质上；将光泵发出的光聚集到工作介质上；谐振腔：谐振腔：一组反射镜构成，使激光沿轴向反射共振，一组反射镜构成，使激光沿轴向反射共振，以便加强和改善输出；以便加强和改善输出；玻璃套管及滤光液：玻璃套管及滤光液：滤除有害的紫外线，提高效率滤除有害的紫外线，提高效率;固固体体激激光光器器105.2 激光加工的基本设备激光加工的基本设备固体激光器类型：固体激光器类型：按工作介质，有三种：按工作介质，有三种：n红宝石激光器红宝石激光器：可见红光，：可见红光，3 3能级激光器；易于获得能级激光器；易于获得相干性单模输出，稳定性好；一般为脉冲输出、频率相干性单模
16、输出，稳定性好；一般为脉冲输出、频率小于小于1 1次次/秒；已逐渐淘汰。秒；已逐渐淘汰。n钕玻璃钕玻璃：红外激光，四能级系统（因有过渡能级，红外激光，四能级系统（因有过渡能级，易于实现粒子数反转）；效率易于实现粒子数反转）；效率2 23 3，激光发射角小、，激光发射角小、适用于精细加工；热导性差、需冷却；脉冲输出、频适用于精细加工；热导性差、需冷却；脉冲输出、频率小于几次率小于几次/秒；打孔、焊接、切割等；秒；打孔、焊接、切割等；n掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器：红外激光，四级系统，效：红外激光，四级系统，效率率3 3，脉冲频率，脉冲频率1010100100次次/秒，连续输出功率几百
17、秒，连续输出功率几百瓦，性能优越；打孔、焊接、切割、微调等；瓦，性能优越；打孔、焊接、切割、微调等；115.2 激光加工的基本设备激光加工的基本设备4 4 气体激光器：气体激光器：1 1）二氧化碳激光器：）二氧化碳激光器：以二氧化碳气体为介质的以二氧化碳气体为介质的分子激光器分子激光器，加入氮、氦、，加入氮、氦、氙、水蒸气以提高功率，氙、水蒸气以提高功率，是目前连续输出功率最高的气体激光器是目前连续输出功率最高的气体激光器,功率可达万功率可达万瓦，效率瓦，效率20%20%；发出红外光，用于功率与能量较大的场合；发出红外光，用于功率与能量较大的场合；2 2）亚离子激光器：）亚离子激光器：是惰性气
18、体氩（是惰性气体氩（ArAr）通过气体放电，使氩原子电离并激）通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子束反转而产生激光的发，实现离子束反转而产生激光的离子激光器离子激光器；普线很多普线很多(最强为波长最强为波长0.51450.5145微米的绿光和微米的绿光和0.4880.488的蓝光）的蓝光），能量效率仅，能量效率仅0.05%0.05%；波长短、发散角小，能聚焦成更小的光斑，故适用于精波长短、发散角小，能聚焦成更小的光斑，故适用于精密微细加工（如存储光盘等）。密微细加工（如存储光盘等）。125.3 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用打孔打孔切割切割激光打标（小功率激光束）激光打标（小功率激
19、光束）激光雕刻（图形、图案）激光雕刻（图形、图案）激光铣削激光铣削激光热处理（激光淬火、表面重熔）激光热处理（激光淬火、表面重熔）激光焊接激光焊接 （熔融（熔融+冷却）冷却）激光快速成形技术（光敏树脂固化）激光快速成形技术（光敏树脂固化）表面加工表面加工135.3 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用1 激光打孔：激光打孔：1）加工能力：）加工能力：材料：几乎可以在材料：几乎可以在任何材料任何材料上打微型小孔；上打微型小孔；孔径：孔径：可小于可小于0.01mm；深径比：深径比：可达可达50:1；速度：速度：上万个上万个/分钟；分钟；2）成功应用领域：）成功应用领域：钟表或仪表的钟表或仪表的宝石
20、轴承宝石轴承；钻石拉丝模具钻石拉丝模具；化纤化纤喷丝头喷丝头；火箭或柴油发动机的燃料火箭或柴油发动机的燃料喷嘴喷嘴等；等；143）激光打孔性能的影响因素（激光打孔性能的影响因素（7方面）：方面）：输出功率和打孔时间输出功率和打孔时间：工件获得能量随功率及时间：工件获得能量随功率及时间增加而增加；时间一般为几分之一到几增加而增加；时间一般为几分之一到几毫秒毫秒;焦距和发散角焦距和发散角：减小焦距和发散角：减小焦距和发散角光斑尺寸及孔光斑尺寸及孔锥度锥度、功率密度和孔深度、功率密度和孔深度;焦点位置焦点位置：应位于工件表面、或略低；：应位于工件表面、或略低；5.3 激光加工工艺及应用激光加工工艺及
21、应用15光斑内能量分布：光斑内能量分布：光束聚焦后光束聚焦后光斑光斑内部各部分内部各部分光强不同，导致孔的形状不同；当激光束为光强不同，导致孔的形状不同；当激光束为基基模输模输出时，能量分布对称，孔也对称；出时，能量分布对称，孔也对称；5.3 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用16激光照射次数的影响激光照射次数的影响：一次照射：一次照射：加工深度约为孔径加工深度约为孔径5倍倍、锥角大、锥角大;多次照射：多次照射：孔深孔深、锥度、锥度、孔径不变、孔径不变(光管效应光管效应);存在饱和区：当照射次数到达一定程度后，孔深不存在饱和区：当照射次数到达一定程度后，孔深不随照射次数的增加而增加；随照射次
22、数的增加而增加；可通过提高单脉冲能量可通过提高单脉冲能量增加孔深增加孔深5.3 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用后续照射的聚焦光在孔内发散，并在孔壁上后续照射的聚焦光在孔内发散，并在孔壁上向孔内深处反射，故孔径不变、深度增加。向孔内深处反射，故孔径不变、深度增加。17工件材料：工件材料：激光加工中，部分光能因反射透射激光加工中，部分光能因反射透射而损失，吸收率取决于工件材料所能吸收的激光而损失，吸收率取决于工件材料所能吸收的激光光谱和波长；故反射透射率高的工件应作打毛光谱和波长；故反射透射率高的工件应作打毛黑化处理，以增加光能吸收律；黑化处理，以增加光能吸收律；工件表面粗糙度：工件表面粗糙
23、度：表面粗糙度值越小光能吸收效表面粗糙度值越小光能吸收效率越低（光被反射掉），打孔深度越浅。率越低（光被反射掉），打孔深度越浅。5.3 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用182 激光切割：激光切割：原原理理：与与打打孔孔相相同同，但但需需工件作相对移动；工件作相对移动；可可加加工工材材料料：金金属属、非非金金属属；切切割割金金属属时时采采用用同同轴轴吹吹氧氧工工艺艺可可提提高高切切割割速速度度及及表表面面质质量量；切切割割非非金金属属时吹时吹CO2保护气体保护气体；CO2激光器切割系统5.3 激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用特特点点及及应应用用:无无机机械械冲冲击击和和压压力力、切切缝缝
24、小小；常常用用于于玻玻璃、陶瓷、及芯片、集成电路等精密零件加工；璃、陶瓷、及芯片、集成电路等精密零件加工；切切割割速速度度的的主主要要影影响响因因素素：激激光光功功率率、吹吹气气压压力力、材材料厚度等。料厚度等。19激光激光 二维精细切割二维精细切割1mm厚厚 不锈钢不锈钢铝合金铝合金0.8mm厚，厚，小孔直径小孔直径0.7 mm0.7 mm厚厚 单晶硅单晶硅4 mm厚厚 不锈钢不锈钢20激光激光 焊接焊接盒盒体铝合金厚体铝合金厚3mm锅炉用钢管，厚锅炉用钢管，厚7mm汽车齿轮（汽车齿轮（16MnCr5）不锈钢纸浆过滤器不锈钢纸浆过滤器21激光激光 熔覆与热处理熔覆与热处理航空发动机叶片修复航
25、空发动机叶片修复熔覆层宽熔覆层宽2mm，厚厚1mm曲轴花键槽修复（曲轴花键槽修复（18Cr2Ni4W）熔覆层宽熔覆层宽4mm，厚厚0.5mm线材轧辊修复，熔覆层线材轧辊修复，熔覆层8mm导轨表面强化导轨表面强化(材料材料:高强钢高强钢)22激光加工激光加工生物芯片生物芯片多种激光器联合制作具有复杂流路的生物芯片多种激光器联合制作具有复杂流路的生物芯片20个个循环循环PCR微流微流控芯控芯毛细管微毛细管微流流控芯控芯23本章小节n激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点n激光的产生激光的产生n激光的特性激光的特性n激光加工的基本设备激光加工的基本设备n激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用需要掌握的内容：需要掌握的内容：1 激光加工原理（什么是激光加工？）；激光加工原理（什么是激光加工？）；2 激光加工的特点？激光加工的特点？3 激光加工的典型工艺包括哪些？激光加工的典型工艺包括哪些？24