第五章-激光加工

第五章激光加工第一节激光加工的原理和特点第二节激光加工的基本设备第三节激光加工工艺及应用第一节激光加工的原理和特点一、激光的产生原理二、激光的特性三、激光加工的原理和特点一、光的概念光的概念波粒二象性λ=c/νE=hν电磁波的波段无线电波——波长从几千米到0.3米左右，广播电视和无线电的波段微波——0.3～10-3m，多用在雷达或其它通讯系统红外线：1～0.76μm可见光：0.4～0.76μm紫外线：3×10-7米～6×10-10m伦琴射线——从2×10-9～6×10-12m伽马射线——波长从10-10～10-14m图5-1电磁波波谱图原子的发光原子的状态基态：稳定态激发态（高能态）：亚稳态原子的辐射自发辐射：处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。各原子的自发辐射过程完全是随机的，所以自发辐射光是非相干的受激辐射：当原子处于激发态E2时，如果恰好有能量（这里E2）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射图5-2氢原子的能级激光的产生激光的工作物质具备有亚稳态能级性质的物质。才能产生粒子数反转激光的产生：具有亚稳态能级结构能被激发成亚稳态，实现粒子数反转受激辐射图5-3粒子数反转的建立和激光形成激光器的结构1、激光工作物质具备有亚稳态能级性质的物质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。2、激励源光激励：用脉冲光源来照射工作介质，包括几乎是全部的固体激光器和液体激光器，以及少数气体激光器和半导体激光器电激励：大部分气体激光器均是采用气体放电（直流放电、交流放电、脉冲放电、电子束注入）方式进行激励。化学激励：利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器3、谐振腔用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。激光的分类—按工作物质分类气体激光器如二氧化碳激光器、氦氖激光器，特点是单色性强，工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。但是，由于气体密度低，激光输出功率相应较小；固体激光器如红宝石、钕玻璃、YAG，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差；液体激光器最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合；半导体激光器（激光二极管）特点则是体积小，重量轻，结构简单，但输出的功率较小，单色性也较差。激光的分类—按输出波段范围分类红外激光器远红外激光器，输出波长范围处于25～1000微米之间中红外激光器，指输出激光波长处于中红外区(2.5～25微米)的激光器件,代表者为CO2气体激光器(10.6微米)、CO气体激光器（5～6微米）近红外激光器,指输出激光波长处于近红外区（0.75～2.5微米）的激光器件，代表者为掺钕固体激光器（1.06微米）、CaAs半导体二极管激光器(约激光器0.8微米)和某些气体激光器等可见激光器，指输出激光波长处于可见光谱区（0.4～0.7微米）的一类激光器件，代表者为红宝石激光器（6943埃）、氦氖激光器（6328埃）、氩离子激光器（4880埃、5145埃）、氪离子激光器（4762埃、5208埃、5682埃、6471埃）以及一些可调谐染料激光器等紫外激光器近紫外激光器，其输出激光波长范围处于近紫外光谱区（2000～4000埃）真空紫外激光器,其输出激光波长范围处于真空紫外光谱区(50～2000埃）激光的特性(一)强度高(二)单色性好(三)相干性好(四)方向性好激光加工的的特点可以熔化、气化任何材料。可用以精密微细加工。没有明显的机械力，没有工具损耗问题激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。精微加工时，精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验，寻找合理的参数，才能达到一定的加工要求。加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。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激光器电源光学系统：聚焦系统、观察瞄准系统机械系统：床身、工作台、机电控制系统1234561—激光器；2—激光束；3—全反射棱镜；4—聚焦物镜；5—工件；6—工作台二、激光加工常用激光器固体激光器种类工作物质激光波长/μm发散角/rad输出方式输出能量或功率主要用途固体激光器红宝石(Al2O3,Cr3+)0．6910-2～10-8脉冲几个至10J打孔、焊接钕玻璃(Nd3+)1．0610-2～10-3脉冲几个至几十焦耳打孔、焊接掺钕钇铝石榴石YAG(Y3Al5O12，Nd3+)1．0610-2～10-3脉冲几个至几十焦耳打孔、切割、焊接、微调连续100至1000W气体激光器气体激光器二氧化碳(CO2)10．610-2～10-3脉冲几焦耳切割、焊接、热处理、微调连续几十至几千瓦氩(Ar+)0．51450．4880光盘录刻存储固体激光器的基本组成工作物质：固体红宝石钕玻璃YAG）激励源（光泵）：氙（xiān）灯氪灯聚光器谐振腔图5-4固体激光器结构示意图1—全反射镜2—工作物质3—玻璃套管4—部分反射镜5—聚光镜6—氙灯7—电源常用固体激光器(1)红宝石激光器红宝石是掺有质量分数为0.05%氧化铬的氧化铝晶体，发射λ=0.6943μm的红光，它易于获得相干性好的单模输出，稳定性好。(2)钕玻璃激光器钕玻璃是掺有少量氧化钕(Nd2O3)的非晶体硅酸盐玻璃，钕离子(Nd3+)的质量分数在1%～5%左右，价格便宜，功率较大。吸收光谱较宽，发射λ=1.06μm的红外激光。光线的发射角较小，特别适用于精密微细加工(3)掺钕钇铝石榴石(YAG)激光器掺钕钇铝石榴石是在钇铝石榴石(Y3Al5O12)晶体中掺以1.5%左右的钕而成。也发射λ=1.06μm的红外激光输出功率达几百瓦，性能优越，应用广泛气体激光器工作物质：气体二氧化碳激光器氩离子激光器氦镉激光器氦氖激光器激励源：电激励：气体放电谐振腔冷却系统图5-8二氧化碳激光器的结构示意图1—反射镜2—电极3—放电管4—冷却水5—反射镜6—红外材料7—电流电源8—全反射镜常用气体激光器二氧化碳激光器波长：10.6μm的红外光特点：输出功率高：达万千瓦氩离子激光器0.5145μm的绿光和0.4880μm的蓝光特点：波长短，用于精密微细加工氦镉激光器最重要的蓝光（442nm）和近紫外激光源（325nm）快速原型氦氖激光器0.6328μm的红光和1.15μm及3.39μm的红外光其结构简单，寿命长，小巧价廉，频率稳定激光照排机、激光制版机、全息照片激光加工工艺及应用一、激光打孔二、激光切割三、激光刻蚀打标记四、激光焊接五、激光表面处理激光打孔激光打孔的特点：速度快，效率高，尤其高密度群孔加工孔径小：对于熔点高、导热性好的材料可实现孔径0.01～lmm的微小孔加工，最小孔径可达0.00lmm。深径比大：深径比可达50:1（传统不大于1：10）可加工硬脆软材料可在难加工材料上加工斜孔典型零件：钟表红宝石轴承上φ0.12～0.18mm，深0.6～1.2mm小孔的加工化学纤维喷丝板：φ100mm不锈钢上一万多个φ0.06mm的孔影响激光打孔的因素主要影响因素激光器及光学系统输出功率与照射时间(微秒）焦距与发散角焦点位置光斑内的能量分布深孔加工的多次照射工件材料吸收光谱：吸收、反射、透射表面粗糙度：表面涂覆图5-10焦点位置与孔的断面形状图5-11激光能量分布对打孔质量的影响激光切割用途金属的切割非金属的切割：塑料、皮革、硬脆材料的切割：玻璃、陶、硅晶体细小部件的精密切割辅助气体：提高切割效率和切口质量喷吹氧气或压缩空气能促进金属表面氧化，可提高对激光的吸收率来提高切割效率。增加吹氧压力还可使切缝减小，切割石英时，吹氧可防止再粘结。切割易燃材料时，可喷惰性气体防止燃烧。增加吹气压力可增大切割厚度。激光切割特色切缝窄（一般在0.5mm），切割精度可达±0.02～0.01mm。非接触，工件变形小与计算机配合高速加工切割非金属是其它方法不可比的表5-3二氧化碳激光器对金属材料切割的有关数据材料厚度/mm切割速度/(m·min-1)激光输出/W喷吹气体铝12．7130．52．3600015000空气碳素钢36．570．62．30．3525015000500O2空气O2淬火钢25451．10．41000010000N2N2不锈钢21344．50．61．30．382501000012000O2N2锰合金钢4580．490．850．53250500350O2O2O2二氧化碳激光器对金属切割表5-4二氧化碳激光器对非金属材料切割的有关数据材料厚度/mm切割速度/(m·min-1)激光输出/W喷吹气体石英30．43500N2陶瓷14．60．3920．075250250N2N2玻璃钢1．52．70．4910．392250250N2N2有机玻璃20250．171152508000N2空气木材(软)木材(硬)25252120002000N2N2二氧化碳激光器对金属切割激光打标原理：用小功率激光器在金属或非金属表面进行局部照射，使表层材料汽化发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法借助电脑控制可打文字、图案作用：便于对原材料、半成品、在制品、产品进行分类便于使用、防止假冒激光标记特点可标记条形码、数字符号图案实例家电：计算机键盘（塑料）、遥控器（橡胶）等工具：型号设备：铭牌、商标手机外壳本章完