1、,第四章 激光加工,先进制造技术,2,主要内容,4.1 激光介绍4.2 激光加工的原理及特点4.3 激光加工的基本设备4.4 激光加工的应用,第四章 激光加工,3,第四章 激光加工,4.1 激光介绍,激光是英文词“Laser”的中文译名。 Laser 一词是“Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation”的字头缩写。字面的意思是“通过辐射的受激发射实现光放大”，实质是光的受激放大，简称为激光。 激光的发展有很长的历史，它的原理早在 1917 年已被著名的物理学家爱因斯坦发现， 1958 年激光首次成功制造。40年来，激光已经深
2、入我们生活的各个角落，打长途电话，看DVD，医院里做手术都用得着激光。有人说，激光是二十世纪最伟大的发明之一。,4,5,（1）物质的结构,物质由原子组成。原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕着原子核运动。,1、激光产生的原理,图一 碳原子示意图,第四章 激光加工,6,原子中电子具有不同的能量，使其处于不同的“能阶”，距离原子核越远的轨道能量越高。 当原子内电子处于最低的能阶原子处于基态。 当一个或多个电子处于较高的能阶原子处于受激态。 电子通过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶的现象称为电子的跃迁。 电子的跃迁共有三种形式：
3、自发吸收 、自发辐射、受激辐射。,（2）电子的跃迁,第四章 激光加工,7,自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶；自发辐射 - 电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 ；受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子。,第四章 激光加工,8,原子首先吸收能量，跃迁至受激态。 原子处于受激态的时间非常短，大约10-7秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。 原子停留在亚稳态的时间很长，大约10-3秒或更长的时间。 原子长时间留在亚
4、稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。 粒子数反转是产生激光的关键，因为它使通过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比通过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。,（3）粒子数反转,第四章 激光加工,9,图四 粒子数反转的状态,第四章 激光加工,10,图三 红宝石激光示意图,闪光灯的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。 电子通过释放光子，回到较低的能阶。 释放出的光子被镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。 一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，
5、并让其余小部分光子穿过而穿过镜子的光子就构成激光。,（4）激光的产生,第四章 激光加工,11,（1）方向性好 方向性即光束偏离轴线的发散角 ，常以平面角角大小来评价。角愈小，光束发散愈小 ，方向性愈好。 普通光源中方向性最好的探照灯的发散角为0.01rad； 激光束可以被压缩在很小的立体角内，其发散角一般在毫弧度数量级，比探照灯好 10 倍以上，比微波好约 100 倍 ,如果借助光学系统，角可减小至微弧度 (10 -6rad)量级，接近真正的平行光束。,2、激光的特点,利用这个特性制成激光测距机、激光雷达、激光制导武器。,第四章 激光加工,12,（2）单色性好,单色性是指光源发出的光强按频率
6、(或波长)分布曲线狭窄的程度。线宽愈窄，光源的单色性愈好 ，这是激光获得广泛应用的物理基础之一。 计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。,光缆,激光通讯,第四章 激光加工,13,（3）相干性好,全息照相,相干性可用相干时间或相干长度来度量。 相干时间是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔，在该时间内所走过的路程就是相干长度。 单色性愈好，相干长度愈大，方向性愈好，相干面积愈大。激光集高度的单色性和方向性于一体，所以是优良的强相干光。,普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里。 全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。,第四章 激光加工,14,（
7、4）亮度高（强度高）,亮度是光源在单位面积上，向某一方向范围内辐射功率的强弱。,激光光束细（发散特别小），功率密度特别大，其亮度特别大。把分散在180范围内的光集中到0.18 范围，亮度提高100万倍。而且通过压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。,第四章 激光加工,15,激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。,激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。,激光打孔,激光切割,第四章 激光加工,16,利用激光杀死病人鼻癌细胞,利用激光使脱落的视网膜再复位,第四章 激光加工,17,低能激光武器,高能激光武器,第四章 激光加工,18,第四章 激光加工,通过光学系统将
8、激光束聚焦成直径几十微米到几微米的极小光斑，达到极高的能量密度，温度达10000上，将材料在瞬间熔化和蒸发。工件表面不断吸收激光能量，凹坑处的金属蒸汽迅速膨胀，压力猛然增大，熔融物被产生的强烈冲击波喷溅出去。 因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。,4.2 激光加工的原理及特点,1、激光加工的原理,激光加工示意图,19,2、激光加工的特点,第四章 激光加工,（1）激光加工属非接触加工，无明显机械力，也无工具损耗，工件不变形，加工速度快，热影响区小，可达高精度加工，易实现自动化。 （2）因功率密度是所有加工方法中最高的，所以不受材料限制，几乎可加工任何金属与非金属
9、材料。 （3）激光可聚焦形成微米级光斑，输出功率大小可调节，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。最高加工精度可达0.001mm，表面粗糙度Ra值可达0.40.1。,20,第四章 激光加工,（4）可通过惰性气体、空气或透明介质对工件进行加工，如可通过玻璃对隔离室内的工件进行加工或对真空管内的工件进行焊接。（5）可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其它地点进行加工。（6）无需特殊环境，无加工污染，在节能、环保等方面有较大优势 。,21,激光加工的基本设备由激光器、激光器电源和光学系统（和机械系统四部分组成。1、激光器激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电能转变成光能，产生所需
10、要的激光束。 按工作物质的种类分：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。其中He-Ne气体激光器在精密测量中被广泛采用，而在激光加工中采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃等固体激光器。 按激光器的输出方式分：连续激光器和脉冲激光器。,第四章 激光加工,4.3 激光加工基本设备及其组成部分,22,第四章 激光加工,1960年美国休斯飞机公司的梅曼研制成功世界上第一台红宝石激光器，获得了历史上第一束激光，波长为694.3nm。,1964年美国的汤斯、前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫由于对激光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。1997年，朱隶文、菲利普和塔罗季研究用激光冷却和捕获原子，共获诺贝
11、尔奖。1961年中科院长春光学精密机械研究所王之江院士主持研制成功我国第一台红宝石激光器。我国的激光技术在起步阶段就发展迅速，无论是数量还是质量都和当时的国际水平接近。,23,第四章 激光加工,我国各类激光器的“第一台”,24,2、电源为激光提供加工所需的能量及控制功能,第四章 激光加工,4、机械系统激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。随着电子技术的发展，许多激光加工系统已采用计算机来控制工作台的移动，实现激光加工的连续工作。,3、光学系统 包括激光聚焦系统和观察瞄准系统,25,1、激光打孔加工材料：主要用于特殊材料或特殊工件上的孔加工，如仪表中的宝石轴
12、承、陶瓷、玻璃、金刚石拉丝模等非金属材料和硬质合金、不锈钢等金属材料的细微孔的加工。加工效率：非常高，功率密度通常为107108w/cm2，打孔时间甚至可缩短至传统切削加工的百分之一以下，生产率大大提高。加工精度：尺寸公差等级可达IT7，表面粗糙度Ra值可达0.160.08。,第四章 激光加工,4.4 激光加工的应用,26,激光打孔时要详细了解打孔的材料及打孔要求。从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打孔之前，最好要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，以确定能否打孔。,第四章 激光加工,激光
13、打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及工件材料等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺参数。,27,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。在实际加工中，采用工作台数控技术，可以实现激光数控切割。激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精细切割，也可采用YAG激光器。 激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零部件。,第四章 激光加工,2、 激光切割,28,CO2气体激光器切割钛
14、合金示意图,第四章 激光加工,29,激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素有激光功率、吹气压力、材料厚度等。,第四章 激光加工,3、激光打标激光打标是指利用高能量的激光束照射在工件表面，光能瞬时变成热能，使工件表面迅速产生蒸发，从而在工件表面刻出任意所需要的文字和图形，以作为永久防伪标志，如图所示。,30,振镜式激光打标原理,第四章 激光加工,31,激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。 激光打标广泛应用于电
15、子元器件、汽(摩托)车配件、医疗器械、通讯器材、计算机外围设备、钟表等产品和烟酒食品防伪等行业。,第四章 激光加工,32,第四章 激光加工,激光打标机加工出的龙图案,33,4、激光焊接,第四章 激光加工,当激光的功率密度为105107W/cm2，照射时间约为1/100 s左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可。激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料。激光焊接薄板已相当普遍，大部分用于汽车工业、宇航和仪表工业。激光精微焊接技术已成为航空电子设备、高精密机械设备中微型件封装结点的微型连接的重要手段 。,34,1-激光；2-被焊金属；3-被熔化金属；4-一冷却的金属激光焊接过程示意图,第四章 激光加工,35,当激光的功率密度约为103105 W/cm2时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。 淬火层深度一般为0.71.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题。,第四章 激光加工,5、激光表面处理,36,激光表面强化处理应用实例,第四章 激光加工,
