第四章、激光加工

1、第四章第四章 激光加工激光加工先进制造技术先进制造技术24.1 激光介绍激光介绍4.2 激光加工的原理及特点激光加工的原理及特点4.3 激光加工的基本设备激光加工的基本设备4.4 激光加工的应用激光加工的应用第四章第四章 激光加工激光加工3第四章第四章 激光加工激光加工 4.1 激光介绍激光介绍 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

2、 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。45（1）物质的结构）物质的结构 物质由原子组成。物质由原子组成。原子的中心是原子核，原子的中心是原子核，由质子和中子组成。质由质子和中子组成。质子带有正电荷，中子则子带有正电荷，中子则不带电。原子的外围布不带电。原子的外围布满着带负电的电子，绕满着带负电的电子，绕着原子核运动。着原子核运动。 1、激光产生的原理、激光产生的原理图一 碳原子示意图 第四章第四章 激光加工激光加工6p 原子中

3、电子具有不同的能量，使其处于不同的原子中电子具有不同的能量，使其处于不同的“能阶能阶”，距离原子核越远的轨道能量越高。，距离原子核越远的轨道能量越高。p 当原子内电子处于最低的能阶当原子内电子处于最低的能阶原子处于基态。原子处于基态。p 当一个或多个电子处于较高的能阶当一个或多个电子处于较高的能阶原子处于受激态。原子处于受激态。p 电子通过吸收或释放能量从一个能阶跃迁至另一个能阶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。的现象称为电子的跃迁。 p 电子的跃迁共有三种形式：电子的跃迁共有三种形式：自发吸收自发吸收 、自发辐射、受激、自发辐射、受激辐射。辐射。（2）电子

4、的跃迁）电子的跃迁 第四章第四章 激光加工激光加工7p自发吸收自发吸收 - 电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶；电子透过吸收光子从低能阶跃迁到高能阶；p自发辐射自发辐射 - 电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到较低能阶 ；p受激辐射受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个此波长对应于两个能阶的能量差。能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两一个光子诱发一个原

5、子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子个相同的光子。 第四章第四章 激光加工激光加工图二图二 原子内电子的跃迁过程原子内电子的跃迁过程 (a)(a)自发吸收自发吸收 (b)(b)自发辐射自发辐射 (c)(c)受激辐射受激辐射8p 原子首先吸收能量，跃迁至受激态。p 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。p 原子停留在亚稳态的时间很长，大约10-3秒或更长的时间。p 原子长时间留在亚稳态，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。p 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

6、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）粒子数反转 第四章第四章 激光加工激光加工9图四图四 粒子数反转的状态粒子数反转的状态 第四章第四章 激光加工激光加工10图三图三 红宝石激光示意图红宝石激光示意图 q 闪光灯的光射入激光介质，使激光介质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，最外层的电子跃迁中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。到受激态。 p电子通过释放光子，回到较低的能阶。电子通过释放光子，回到较低的能阶。p 释放出的光子被镜子来回反射，诱发更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，使激光的强度增多的

7、电子进行受激辐射，使激光的强度增加。加。p 一面镜子会把全部光子反射，另一面镜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，并让其余小部子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过而穿过镜子的光子就构成激分光子穿过而穿过镜子的光子就构成激光。光。 （4）激光的产生）激光的产生 第四章第四章 激光加工激光加工11（1）方向性好）方向性好 方向性即光束偏离轴线的发散角方向性即光束偏离轴线的发散角 ，常以平面角，常以平面角角大小来角大小来评价。评价。角愈小，光束发散愈小角愈小，光束发散愈小 ，方向性愈好。，方向性愈好。 普通光源中方向性最好的探照灯的发散角为普通光源中方向性最好的探照灯

8、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，比探照灯好弧度数量级，比探照灯好 10 倍以上，比微波好约倍以上，比微波好约 100 倍倍 ,如果如果借助光学系统，借助光学系统，角可减小至微弧度角可减小至微弧度 (10 -6rad)量级，接近真正量级，接近真正的平行光束。的平行光束。 2、激光的特点、激光的特点 利用这个特性制成激光测距利用这个特性制成激光测距机、激光雷达、激光制导武器。机、激光雷达、激光制导武器。第四章第四章 激光加工激光加工12（2）单色性好）单色性好 单色性是指光源发出的光强按频率

9、单色性是指光源发出的光强按频率 (或波长或波长)分布分布曲线狭窄的程度。曲线狭窄的程度。线宽愈窄，光源的单色性愈好线宽愈窄，光源的单色性愈好 ，这，这是激光获得广泛应用的物理基础之一。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计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。的特点。光缆光缆激光通讯激光通讯第四章第四章 激光加工激光加工13（3）相干性好）相干性好全息照相全息照相 相干性可用相干时间或相干长度来度量。相干性可用相干时间或相干长度来度量。 相干时间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是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现

10、象的最大时间间隔，在该时间内所走过的路程就是间间隔，在该时间内所走过的路程就是相干长度相干长度。 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。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普通光源的相干长度约为1毫米毫米至几十厘米，激光可达几十公里。至几十厘米，激光可达几十公里。 全息照相、全息存储等就利用全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。了相干性好的特点。第四章第四章 激光加工激光加工14（4）亮度高（强度高）亮度高（强度高） 亮度是

11、光源在单位面积亮度是光源在单位面积上，向某一方向范围内辐射上，向某一方向范围内辐射功率的强弱。功率的强弱。 激光光束细（发散特别激光光束细（发散特别小），功率密度特别大，其小），功率密度特别大，其亮度特别大。把分散在亮度特别大。把分散在180范围内的光集中到范围内的光集中到0.18 范范围，亮度提高围，亮度提高100万倍。而且万倍。而且通过压缩脉冲宽度，还可以通过压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。进一步提高亮度。第四章第四章 激光加工激光加工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。生几百万度的高温。 激光加工、激光手

12、术、激光武器等就利用了高亮度的激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。特点。激光打孔激光打孔激光切割激光切割第四章第四章 激光加工激光加工16利用激光杀死病人鼻癌细胞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利用激光使脱落的视网膜再复位第四章第四章 激光加工激光加工17低能激光武器低能激光武器高能激光武器高能激光武器第四章第四章 激光加工激光加工18第四章第四章 激光加工激光加工 通过光学系统将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

13、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。 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4.2 激光加工的原理及特点激光加工的原理及特点1、激光加工的原理、激光加工的原理1234561激光器；2激光束；3全反射棱镜；4聚焦物镜；5工件；6工作台激光加工示意图192、激光加工的特点、激光加工的特点第四章第四章 激光加工激光加工 （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

14、高的，所以不受材料限制，几乎可加工任何金属与非金属材料。 （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第四章第四章 激光加工激光加工（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激光加工的基本设备由激光器、激光器电源和光学系

15、统（和机械系统四部分组成。统（和机械系统四部分组成。1、激光器、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，产生所需要的激光束。变成光能，产生所需要的激光束。 按工作物质的种类分：按工作物质的种类分：固体激光器、气体激光器、液固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。其中体激光器和半导体激光器。其中He-Ne气体激光器在精密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。光器及红宝石、钕玻璃等固体激光器。 按激光器的输出方

16、式分：按激光器的输出方式分：连续激光器和脉冲激光器。连续激光器和脉冲激光器。第四章第四章 激光加工激光加工4.3 激光加工基本设备及其组成部分激光加工基本设备及其组成部分22第四章第四章 激光加工激光加工p 1960年美国休斯飞机公司的梅曼研制成功世界上第一台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，波长为红宝石激光器，获得了历史上第一束激光，波长为694.3nm。p 1964年美国的汤斯、前苏联的巴索夫和普罗霍洛夫由于对激年美国的汤斯、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。光研究的贡献分享了诺贝尔物理学奖。p 1997年，

17、朱隶文、菲利普和塔罗季研究用激光冷却和捕获原年，朱隶文、菲利普和塔罗季研究用激光冷却和捕获原子，共获诺贝尔奖。子，共获诺贝尔奖。p 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。成功我国第一台红宝石激光器。p 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。量都和当时的国际水平接近。23第四章第四章 激光加工激光加工我国各类激光器的我国各类激光器的“第一台第一台”名 称研制成功时间研制人He-Ne激光器1963.7邓锡铭等掺钕玻

18、璃激光器1963.6干福熹等GaAs同质半导体激光器1963.12王守武等脉冲Ar+激光器1964.10万重怡等CO2分子激光器1965.9王润文等CH3I化学激光器1966.3邓锡铭等242、电源、电源为激光提供加工所需的能量及控制功能为激光提供加工所需的能量及控制功能第四章第四章 激光加工激光加工4、机械系统、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，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，实许多激光加工系统已采用计算机来控制

19、工作台的移动，实现激光加工的连续工作。现激光加工的连续工作。3、光学系统、光学系统 包括激光聚焦系统和观察瞄准系统包括激光聚焦系统和观察瞄准系统251、激光打孔p 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。p 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。p 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。第四章第四章 激光加工激光加工 4.4 激光加工的应用激光加工的应用26 激光打孔时要详

20、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。第四章第四章 激光加工激光加工激光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

21、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。第四章第四章 激光加工激光加工2、 激光切割激光切割28平面镜激光束辅助气体钛合金喷嘴聚焦透镜激光器CO2气体激光器切割钛合金示意图气体激光器切割钛合金示意图第四章第四章 激光加工激光加工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。第四章第四章 激光加工激光加工3、激光打标、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振镜式激光打标原理激光束光束准直振镜Y轴马达透镜第四章第四章 激光加工激光加工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