89特种加工

5.1激光加工的原理和特点5.2激光加工的基本设备5.3激光加工的工艺及应用第５章激光加工一、激光的产生原理激光技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴科学。激光加工（LaserBeamMachining简称LBM），是利用光的能量经过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。（一）光的物理概念及原子的发光过程1、光的物理概念光是在一定波长范围内的电磁波，光具有波粒两象性。波长λ，频率ν和波速c之间的关系：把所有电磁波按波长和频率排列，可以得到电磁波波谱。P127图5-15.1激光加工的原理和特点/c可见光的波长为0.4-0.76μm，根据波长不同分为七种颜色。根据广的量子学说，光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流。这种具有一定能量的粒子称为光子。不同频率的光对应于不同能量的光子，光子的能量与光的频率成正比。一束光的强弱与这束光所含光子多少有关，光子多则光强。2、原子的发光光的产生与光源内部原子运动状态有关，原子内的电子按一定的半径轨道围绕原子核运动，当原子接受一定的外来能量或向外释放一定的能量时，核外电子的运动轨道半径将发生变化，即产生能级变化。原子从高能级到低能级的“跃迁”，会以光子的形式辐射出能量。自发辐射：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发射。hE一、激光的产生原理（二）激光的产生某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来能量激发条件下，会吸收光能，使处于较高能级（亚稳态）的原子（或粒子）数目大于处于低能级（基态）的原子数目，这种现象为“粒子数反转”。在粒子反转状态下，如果有一束光子照射该物体，而光子的能量恰好等于两个能级的能量差，这时就能产生受激辐射，输出大量光能。P128图5-3说明5.1激光加工的原理和特点二、激光的特性激光具有光的共性。其特点：（一）强度高原因能实现光能在空间和时间上的高度集中。（二）单色性好光的波长为一个确定的数值。光谱范围小，单色性好。（三）相干性好相干性可用相干时间和相干长度来表示。（四）方向性好光束的方向性用光束的发散角来表示。发散角小，方向性好。5.1激光加工的原理和特点普通光源激光光源亮度电灯：约470sb太阳：约1.65X105sb红宝石激光器，约1.65X1015sb功率1000MW/cm2方向无确定方向、发散角大、难会聚发散角小到0.1mrad（近似平行光），光束会聚其焦点处光斑10um单色性氪灯的光源谱线宽为0.0047Å激光的谱线宽度为10-7Å相干性氪灯光源的相干长度78cm激光的相干长度可达几十公里激光的特性三、激光加工的原理和特点激光具有光的共性。其特点：1）聚焦后，激光加工的功率密度高达108-1010W/cm，几乎可溶化、气化任何材料。2）激光光斑大小可以聚焦到微米级，功率可调，因此可用以精密微细加工。3）加工工具是激光束，是非接触加工，无明显机械力，没有工具损耗。4）和电子束加工相比，加工装置比较简单5）影响因素多，精微加工时精度不易保证6）加工中产生金属气体及火星等，要通风抽走，戴护目镜5.1激光加工的原理和特点一、激光加工机的组成部分激光加工的基本设备由激光器、电源、光学系统及机械系统四部分组成。１）激光器激光加工的重要设备，把电能转变成光能２）电源为激光器提供能量及控制功能３）光学系统包括激光聚焦系统和观察瞄准系统４）机械系统主要包括床身、能在三座标范围内移动的工作台及机电控制系统等。已实现数控操作。5.２激光加工的基本设备二、激光加工常用激光器按工作物质的种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器四大类。按工作方式可分为连续和脉冲激光器。P131表5-2常用激光器的性能特点（一）固体激光器采用光激励，能量转化环节多，光的激励能量大部分转换为热能，效率低。为避免介质过热，常采用脉冲方式。１、固体激光器的基本组成工作物质尺寸较小，结构比较紧凑，包括工作物质、光泵、玻璃套管和滤光液、冷却水、聚光器及谐振腔等。5.２激光加工的基本设备二、激光加工常用激光器5.２激光加工的基本设备二、激光加工常用激光器2、固体激光器的分类常用的工作物质有红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石（YAG）。1）红宝石激光器易于获得相干性好的单模输出，稳定性好。是三能级系统激光器，主要是铬离子起受激发射作用。初期用的较多。5.２激光加工的基本设备二、激光加工常用激光器2）钕玻璃激光器是四能级系统激光器，比三能级系统更易实现粒子数反转；具有较高的光学均匀性，特别适用于精密微细加工。钕玻璃价格低，易作成较大尺寸，功率可做的较大。缺点是导热性差，必须有冷却装置。5.２激光加工的基本设备二、激光加工常用激光器3）掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器是四能级系统激光器；钇铝石榴石的热物理性能好，有较大的导热性，膨胀系数小，强度高，激励阀值低。价格昂贵但性能优越，广泛用于打孔、焊接、微调等。（二）气体激光器采用电激励，其效率高、寿命长、连续输出功率大，广泛用于切割、焊接、热处理等。常用的有二氧化碳激光器、氩离子激光器。5.２激光加工的基本设备二、激光加工常用激光器1、二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作介质的分子激光器，连续输出功率可达数万瓦，是目前连续输出功率最高的激光器，效率可高达20%以上，因为其工作能级寿命比较长。为了提高输出功率，一般加进氮、氦、氙等辅助气体和水蒸气。其一般结构如图，包括放电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等。5.２激光加工的基本设备二、激光加工常用激光器放电管用硬质玻璃管做成，要求高的用石英玻璃管谐振腔采用平凹腔，一般以凹面镜作为全反射镜，以平面镜作为输出端反射镜。全反射镜一般镀金属膜，如金、银或铝膜。输出端的反射镜有三种形式。激励电源可以用射频电源、直流电源、交流电流和脉冲电源等，其中交流电源用的最广泛。二氧化碳激光器一般都用冷阴极，常用电极材料有镍、钼和铝。5.２激光加工的基本设备二、激光加工常用激光器2、氩离子激光器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，实现粒子数反转而产生激光。工作能级离基态较远，能量转换效率低，仅0.05%采用直流电源波长短，发散角小，可用于精密细微加工5.２激光加工的基本设备一、激光打孔激光打孔的成形过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果。其主要影响因素：1、输出功率和照射时间输出功率越大，照射时间越长，工件获得能量越多2、焦距与发散角发散角小的激光束，经短焦距的聚焦物镜后，在焦面上可获得更小的光斑和更高的功率密度。5.3激光加工工艺及应用一、激光打孔3、焦点位置焦点位置对孔的形状和深度都有很大影响，实际焦点在工件表面或略微低于表面。4、光斑内能量分布焦点附近的光强度分布与工作物质的光学均匀性、谐振腔调整精度有关。5.3激光加工工艺及应用一、激光打孔5、激光的多次照射用激光照射一次，加工深度约为孔径的5倍，且锥度较大。多次照射，深度大大增加，锥度减小，孔径几乎不变。多次照射能在不扩大孔径的情况下将孔打深是由于光管效应6、工件材料工件材料的吸收光谱不同，激光能量不可能全部被吸收。5.3激光加工工艺及应用二、激光切割激光切割的原理与激光打孔相似，不同的是工件与激光束要相对移动。激光切割大都用重复频率较高的脉冲激光器或连续输出的激光器。YAG激光器：半导体划片、Y形、十字形等型孔加工、精密零件的窄缝切割与划线、雕刻等。CO2激光器：钢板、钛板、石英、陶瓷、塑料、木材、布匹等切割金属时采用同轴吹氧，可提高加工速度，改善表面粗糙度；切割布匹等易燃材料，采用同轴吹保护气体，能防止烧焦和缩小切缝。5.3激光加工工艺及应用P137表5-35-4激光打孔激光切割激光焊接激光热处理激光雕刻快速成型