材料加工411a课件

第四章高能束流加工技术－激光加工技术高能束流（HighEnergyBeam/Flow）加工技术是利用高能密度的束流实现对材料和构件的特种加工工艺方法。一般说高能束是指三束：激光束、电子束、等离子体，高能流指磨料流和液体喷射等

三束

可作为热源进行焊接、切割打孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工等主要用于材料的切割和表面修整等

高能束的技术特点激光束电子束等离子束光量子电子等离子最大功率/kW1005001000热源功率密度/W·cm25－109脉冲107－10136－109脉冲107－1010射流104－1055－106加工技术特性·可实现金属材料的深穿透加工、焊接、切割·束直径可达微米级，可高精度聚焦和精密控制·高速加热、高速冷却，可达104°C/s·束受控偏转柔性好，可进行全方位加工·适用于金属、非金属材料，高质量、高精度、高效率

LightAmplificationthroughStimulatedEmissionofRadiation引言基本原子、分子受激发射放大而产生的一种相干光辐射；极高的亮度，极好的方向性、单色性和相干性。

激光：Laser：激光的发明：1958激光名词出现1960第一台激光器出现激光应用：光学：激光物理，非线性光学、激光光谱学等新兴学科工业：已广泛地利用激光进行切割、焊接、打孔、热处理等医学：外科手术刀，医治很多疑难病症信息：计算机、音视频显示设备等能源：激光核聚变环保：环境及污染监测军事：制导、测距、致盲和做未来高技术战争中的新武器

ArthurL.Schawlow

CharlesH.Townes

AleksandrM.Prokhorov

NicolayG.Basov

NicolaasBloembergenKaiM.Siegbahn1964年诺贝尔物理奖1981年诺贝尔物理奖第一章激光概述激光发展年表1916年，爱因斯坦的感应辐射理论；1950年，光泵；1951年，核自旋能级反转；1954年，氨MASER(微波激射放大器)；1958年，引入激光(LASER)的概念；1960年，红宝石激光器；四能级机制；1961年，调Q振荡；He-Ne激光器；1962年，玻璃体激光器；拉曼激光；半导体激光器；1964年，C.H．汤斯(美)、N．C．巴索夫(前苏联)、A.M．普罗霍洛夫(前苏联)因发明微波激射器和激光器获诺贝尔奖；氩离子激光器；染料饱和调Q；锁模激光；CO2激光器；室温Nd：YAG连续振荡；电子束激励CdS激光器；

1965年，HCl化学激光器；光参量振荡器；色心激光器；1966年，有机染料激光器；皮秒脉冲激光器；1967年，激光频率测定；1969年，亚皮秒脉冲；1970年，TEACO2激光器(横向激励)；Xe准分子激光器；气体动力激光器；室温连续半导体激光器；光激励远红外振荡CH2F；1971年，环形染料激光器；1972年，波导激光器；1973年，DFB(分布反馈)半导体激光器；1974年，连续色心激光器；1976年，自由电子激光器；1978年，氧碘化学激光器；第一章激光概述1980年，光孤子；1981年，N．布洛姆伯根(美籍荷兰人)，A.肖洛(美)因对发展激光光谱学和高分辨率电子光谱学做出贡献获诺贝尔奖；飞秒级脉冲激光；1982年，阵列半导体激光器；1984年，二极管激光器泵浦的固体激光器(DPL)；BBO晶体(偏硼酸钡)透紫外非线性晶体(中国人发明)；自发辐射X射线放大；1986年，光纤放大器；钛宝石连续波长可调激光器；1989年，LBO(硼酸锂晶体)透紫外非线性晶体(中国人发明)；1991年，DPL达到1kW；1997年，朱棣文(美籍华人)、W．D．菲利普斯(美)、C.科昂一塔努吉(法)因发明了用激光冷却和俘获原子的方法获诺贝尔奖。

第一章激光概述一、激光概念第一节、激光及其特点

LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionRadiation)

1、机理原子能级跃迁自发辐射受激辐射粒子数反转

2、激光器构成工作物质激励系统光学谐振腔

固体（如晶体、玻璃等）、气体（原子气体、离子气体、分子气体等）、半导体及液体（有机或无机液体）等材料

脉冲放电、直流放电、交流放电和高频放电，光学激励（或称光泵）

两块具有特定曲率半径的反射镜，全反射镜部分反射镜

二、激光的特点1、高亮度：太阳光的亮度值约为2×103W／cm2·Sr，气体激光器的亮度值为108W／cm2·Sr，固体激光器的亮度更可高达1011w／cm2．Sr2、高方向性：2－5毫弧度（mrad）激光的高方向性主要指其光束的发散角小在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。基模，高斯模，光束直径和发散角最小，其方向性也最好3、高单色性：单色性常用/=/来表征激光/可达到10-10～10-13量级，保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。4、高相干性：相干长度为8000mm－1.5×1011mm

激光束质量因子M2

基模(TEM00)高斯光束，有M2＝1，光束质量好，实际光束M2均大于l，表征了实际光束衍射极限的倍数。光束质量因子M2可表示为M2＝D0／(4)

第二节、

激光加工设备及技术

1、CO2激光器：CO2激光器通过分子能级间的跃迁产生激光振荡，CO2作为其工作物质的。按气体工作方式划分，可分为密封式和循环式。其适用的激励方式很多，电激励、电子束激励、化学激励、热激励、气动激励、核激励、微波激励等等，其中以放电激励使用最多。放电激励又可分为纵向放电激励和横向放电激励。纵向激励可采用直流电源、交流电源、射频电源或脉冲电源，主要适用于低压激光器；横向激励只采用短脉冲放电，适用于接近大气压的高压气体，近来发展极为迅速。

特点：①高功率，其最大连续输出功率已达25kW；②高效率，其总效率为10％左右，比其它加工用激光器的效率高得多；

③高光束质量，其模式较好且较稳定。

封离型封离型激光器

工作气体不流动，直流自持放电产生的热量，靠玻璃管或石英管壁传导散热，故热导率低。注入功率和激光功率受气体温升的限制，每米激光管的输出功率在50W至70W之间。由于工作气体在放电过程中有分解，故其输出激光功率随运行时间延长而逐渐下降。其优点是结构简单，维护