先进制造技术特种加工系列激光加工

先进制造技术特种加工系列激光加工第1页/共86页目录一.激光加工的原理和特点二.激光加工的基本设备三.激光加工工艺及应用第2页/共86页一.激光加工（LaserBeamMachiningLBM）的原理和特点激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958年激光才被首次成功制造。Laser（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation

）

第3页/共86页一.激光加工（LBM）的原理和特点

1.激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。第4页/共86页一.激光加工（LBM）的原理和特点

1.激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程根据光的电磁学说：

第5页/共86页一.激光加工（LBM）的原理和特点

1.激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程根据光的量子学说，光是一种具有一定能量的，以光速运动的粒子流，光子能量与光子的频率成正比：其中：E为光子能量

h为普克朗常数

V为光子的频率第6页/共86页一.激光加工（LBM）的原理和特点

1.激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程原子发光过程：原子内能=电子动能+电子的位能

基态，激发态（高能态）；跃迁；亚稳态能级原子核－原子结构第7页/共86页一.激光加工（LBM）的原理和特点物质与光相互作用的规律

受激吸收（简称吸收）

自发辐射受激辐射、激光

1.激光产生的原理第8页/共86页原子核－原子核－激励激励状態

当原子获得高能量时其结构处于不稳定状態－还原－光不稳定的原子放出激光后，还原到原来的稳定状态。放電一.激光加工原理第9页/共86页一.激光加工（LBM）的原理和特点粒子数反转（2）激光的产生当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

1.激光产生的原理第10页/共86页一.激光加工（LBM）的原理和特点（2）激光的产生粒子数反转必须具备的条件：

能量的供应过程激励（光泵）

1.激光产生的原理低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵能级抽运到高能级。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；为了使激光持续输出，必须不断地“泵”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。

第11页/共86页一.激光加工（LBM）的原理和特点（2）激光的产生粒子数反转必须具备的条件：

工作物质内必须存在亚稳态能级亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态，可实现粒子数反转。

1.激光产生的原理第12页/共86页光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜M1部分反射镜M2激光工作物质作用选择激光的方向选择激光的频率激励能源1.激光的产生一.激光加工原理第13页/共86页激光的产生如图所示原子核－原子结构放電稳定状態当外加能量为零时，分子处于稳定状态。一.激光加工原理第14页/共86页原子核－原子核－激励激励状態

当原子获得高能量时其结构处于不稳定状態－还原－光不稳定的原子放出激光后，还原到原来的稳定状态。放電一.激光加工原理第15页/共86页C.H.TownesA.M.Prokhorov

N.G.Basov

汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。TheNobelPrizeinPhysics1964第16页/共86页朱棣文等发明了用激光冷却原子的方法，并因此获得1997年诺贝尔物理学奖TheNobelPrizeinPhysics1997第17页/共86页核聚变实验的六路真空靶室实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器第18页/共86页

2.激光的主要特性

1）方向性好---激光的发散角小。激光器LaserHe--Ne激光经纬仪测月红宝石激光器=0.031mrad=410-5mradD=1.6km=2~5mrad（毫弧度）(1km时光斑直径10m)一.激光加工原理第19页/共86页光源太阳1mWHe--Ne激光器大功率激光器SE光源亮度--单位面积、单位时间在垂直于光源表面的单位立体角内发射的能量。立体角定义：

=S/r2Sr

P=1mW的氦-氖激光器的亮度约是太阳光的100倍

2.激光的主要特性

2）光源亮度大一.激光加工原理第20页/共86页可使一切金属熔化可使一切非金属化为一缕青烟激光所包含的波长或频率范围极小一束普通的红光频率范围：Laser6328埃的He--Ne激光（理论值，实际几赫兹）

2.激光的主要特性

3）单色性好一.激光加工原理第21页/共86页4）相干性好相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性越好则光场中各点光振动在频率、振动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。

2.激光的主要特性

一.激光加工原理第22页/共86页激光的特性

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第23页/共86页

激光加工是一种重的高能束加工方法，它是利用激光高强度、高亮度、方向性好、单色性好的特性，通过一系列的光学系统聚焦成平行度很高的微细光束（直径几微米至几十微米），获得极高的能量密度（108~1010W/cm2）照射到材料上，使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更短）熔化甚至气化，以达到加热和去除材料的目的。

3.激光加工的基本原理

一.激光加工原理第24页/共86页

固体激光器加工简图

1-全反射镜2-激光工作物质3-激励能源

4-部分反射镜5-透镜6-工件

3.激光加工的基本原理

一.激光加工原理第25页/共86页一.激光加工原理全反射镜工作物质部分反射镜激光束镀金反射镜透镜工件高压充电源触发电路电容光泵激光束第26页/共86页

可以认为，激光加工是以激光为热源对工件材料进行热加工。其加工过程大体分为如下几个阶段：

激光束照射工件材料、工件材料吸收光能；光能转变为热能使工件材料无损加热；工件材料被熔化、蒸发、气化并溅出去除；作用结束与加工区冷凝。二.激光加工过程激光加工阶段第27页/共86页激光加工阶段—光能吸收及转化

1)光能的吸收及其能量转化激光束照射工件材料表面时，光的辐射能一部分被反射，一部分被吸收、并对材料加热，还有一部分因热传导而损失。这几部分能量消耗的相对值，取决于激光的特性和激光束持续照射时间及反工件材料的性能。二.激光加工过程第28页/共86页激光加工阶段—光能吸收及转化

1)光能的吸收及其能量转化

激光束加上是—个高速熔化、气化的过程，光能传至工件表面时，工件材料吸收光能有—个开始瞬态过程：开始时，即使工件表面很粗糙，反射光也都是较高的(尤其是金属材料)；当工件表面材料的温度逐渐上升，高温下表面被氧化或成熔融状态之后，反射率便逐渐降低．吸收率迅速增加，激光的功率密度愈高，这一过程作用时间就愈短。此间，光能转换为热能。二.激光加工过程第29页/共86页激光加工阶段—工件材料的加热

2)工件材料的加热光能转换成热能的过程就是工件材料的加热。激光束在很薄(0.01-0.1um)的金属表层内被吸收，使金属中自由电子的热运动能增加，并在与晶格碰撞中的极短时间内(10(^-11)-10(^-10)s)将电子的能量转化为晶格的热振动能，引起工件材料温度的升高，同时按热传导规律向周围或内部传播，改变工件构料表面或内部各加热点的温度。二.激光加工过程第30页/共86页激光加工阶段—材料熔化气化及溅出

3)材料熔化气化及溅出光能被加工表面吸收并转化成热能，使光斑周围的的金属熔化，以至于气化蒸发，并形成小凹坑，同时也开始热扩散，使光斑周围的金属溶化。随着激光能量的继续吸收，凹坑中金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，熔融物被爆炸性地高速喷射出来。二.激光加工过程第31页/共86页激光加工阶段—材料熔化气化及溅出

3)材料熔化气化及溅出熔融物高速喷射所产生的反冲击压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波，使熔化的物质爆炸式的喷射去除。

工件材料就是在高温熔融和冲击波的同时作用下，部分物质被去除。二.激光加工过程第32页/共86页激光加工特点1.适应性强；加工精度高；激光束可聚焦成微米级的光斑，能加工小孔、窄缝，适用于精密微细加工。加工质量好。由于能量密度高，热作用时间很短，整个加工区几乎不受热的影响，工件变形极小，可加工对热冲击敏感的材料。非接触加工，无机械加工变形和工具损耗等问题。三.激光加工特点第33页/共86页激光加工特点4.加工速度快、效率高。5.容易实现自动化加工。激光束传输方便，易于控制，便于与机器人、自动检测、计算机数字控制等先进技术相结合。6.通用性强。同一台装置对工件进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工。三.激光加工特点第34页/共86页激光加工特点7.节能和节省材料。能量利用率为常规热加工的10~1000倍；激光切割可节省材料15%~30%。8.经济性好。不需要设计与制造工具，装置简单。9.激光可通过光学透明介质对工件进行加工。三.激光加工特点第35页/共86页激光加工特点由于激光加工是一种瞬时、局部的溶化和气化的热加工，影响因素较多。微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保证。高热传导率材料的加工比较困难。对表面光泽或透明材料，需要预先进行色化和打毛处理。三.激光加工特点第36页/共86页激光加工的基本设备1.激光器

激光器是激光加工的核心设备，通过激光器可以把电能转化为光能，获得方向性好、能量密度高、稳定的激光束。激光器可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器以及自由电子激光器等。三.激光加工特点第37页/共86页激光加工的基本设备1.激光器固体激光器：三.激光加工特点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—电源第38页/共86页激光加工的基本设备1.激光器气体固体激光器：三.激光加工特点第39页/共86页激光加工的基本设备1.激光器气体固体激光器：三.激光加工特点He-Ne激光器的工作原理反射镜反射镜阳极阴极布儒斯特窗毛细管工作物质：氦气辅助物质：氖气激励方式：直流气体放电第40页/共86页激光加工的基本设备2.激光器电源根据加工工艺的要求，为激光器提供所需的能量及控制功能，包括电压控制、时间控制及触发器等。三.激光加工特点第41页/共86页激光加工的基本设备3.光学系统激光聚焦系统

（将激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工工件上）

观察瞄准系统

（使激光准确地聚焦在加工位置）三.激光加工特点第42页/共86页激光加工的基本设备4.机械系统

激光加工系一种微细精密加工。

考虑传动链短，减小传动间隙；保持物镜的清洁，及时排除加工产物；有吹风和吸气装置；三坐标移动工作台。三.激光加工特点第43页/共86页激光加工应用激光打孔；4.激光打标；3.激光切割；2.激光焊接；5.激光热处理四.激光加工的应用第44页/共86页激光打孔四.激光加工的应用一、激光打孔原理激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘。二、激光打孔工艺参数的影响※脉冲宽度对打孔的影响：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。激光打孔机的基本结构示意图第45页/共86页激光打孔四.激光加工的应用二、激光打孔工艺参数的影响※激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时，相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔。

离焦量对打孔质量的影响第46页/共86页激光打孔四.激光加工的应用二、激光打孔工艺参数的影响※被加工材料对打孔的影响※脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调Q方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。

材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。

第47页/共86页激光打孔特点1）可加工精度高、深径比大的微小孔2）能加工小至几微米的小孔5）容易实现自动化，加工效率高3）可加工异型孔4）能在所有金属和非金属材料上打孔激光打孔第48页/共86页

激光打孔第49页/共86页

激光打孔大功率电子管栅极钼厚300微米，直径300微米航空发动机叶形孔不锈钢厚1mm，孔100微米第50页/共86页激光焊接

四.激光加工的应用一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。其优点：1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。

2）在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形

3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。

二、图为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。阴极芯的激光焊接设备原理图

1:光束分束器；2:聚焦透镜；3：阴极芯第51页/共86页激光焊接四.激光加工的应用三、激光热导焊1）激光热导焊的原理2）激光热导焊的工艺以及部分参数热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。※激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊※激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图图

激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系第52页/共86页激光焊接

四.激光加工的应用三、激光热导焊2）激光热导焊的工艺以及部分参数※脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。※离焦量对焊接质量的影响：因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。

正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方

※脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响第53页/共86页激光焊接

四.激光加工的应用四、激光深熔焊1）激光深熔焊的原理2）激光深熔焊工艺参数当激光功率密度达到106—107W／cm2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图），孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。※临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度深熔焊小孔示意图※

激光深熔焊的熔深：激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。

第54页/共86页激光焊接

四.激光加工的应用优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。五、激光焊的优点第55页/共86页激光焊接

四.激光加工的应用第56页/共86页激光焊接

第57页/共86页激光焊接

盒体铝合金厚3mm锅炉用钢管厚7mm汽车齿轮（16MnCr5）纸浆过滤器不锈钢第58页/共86页激光焊接特性1）激光照射时间短，焊接过程极为迅速2）具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件焊接3）能量密度高，对高熔点、高导热率材料焊接有利4）可透过透明体焊接，防止杂质污染和腐蚀激光焊接

第59页/共86页激光切割

四.激光加工的应用一、激光切割的原理与特点1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm）使焦点处达到很高功率密度（可超过106W/cm2）。如图所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。

激光切割头的结构示意图第60页/共86页激光切割

四.激光加工的应用二、激光切割分类及其机理※激光功率:

激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。

三、激光切割的工艺参数及其规律※汽化切割:工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为108Ｗ/cm2左右，是无熔化材料的切割方式

※熔化切割:激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为107Ｗ/cm2左右※氧助熔化切割:金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。

※切割速度:在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。

第61页/共86页激光切割

四.激光加工的应用※喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的—个重要部件。激光切割一般采用同轴(气流与光轴同心)喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距离必须保持不变。三、激光切割的工艺参数及其规律※气体的压力：在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。※光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须保持不变，一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。第62页/共86页激光切割激光切割

四.激光加工的应用第63页/共86页激光切割

四.激光加工的应用不锈钢厚1mm不锈钢厚4mm切割陶瓷厚1.7mm色片工装铝合金厚度4mm第64页/共86页激光切割激光切割四.激光加工的应用不锈钢厚1mm单晶硅厚0.7mm不锈钢厚4mm第65页/共86页激光切割特性1）能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆材料2）切割精度高5）切割的深宽比高3）非接触切割4）切割速度高6）切割质量优良7）可与计算机数控技术结合，实现自动化加工激光切割

四.激光加工的应用第66页/共86页激光打标

激光标记的特色便于对原材料、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、数字符号图案四.激光加工的应用第67页/共86页激光加工设备—激光打标机四.激光加工的应用第68页/共86页激光打标机加工举例-工件四.激光加工的应用第69页/共86页激光打标机加工举例-工件铝合金名片四.激光加工