第五章激光加工特种加工课件

第五章激光加工特种加工课件第1页，共37页，2023年，2月20日，星期一高能束（HighEnergyDensityBeam:HEDB）加工利用高能量密度的束流（激光束、电子束、离子束）作为热源，对材料或构件进行加工的特种加工技术。主要包括：激光加工（LaserBeamMachining:LBM）电子束加工（ElectronBeamMachining:EBM）离子束加工（IonBeamMachining:IBM）第2页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5激光加工激光（Laser）是二十世纪60年代发展起来的一门新兴科学。自1960年七月美国T.梅曼制成世界第一台红宝石激光器，激光技术迅速发展。激光加工可以用于焊接、切割、打孔、打标、热处理、快速原型等。激光是可控的能量密度大的单色光。第3页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5激光加工§5.1激光加工的原理和特点§5.2激光加工的基本设备§5.3激光加工工艺及应用第4页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1激光加工的原理和特点§5.1.1激光的产生原理§5.1.2激光的特性§5.1.3激光加工的原理和特点第5页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的产生原理光的物理概念光的电磁学说在一定波长范围内的电磁波。

——波长；

——频率；

——波速；第6页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的产生原理光的物理概念（续）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）。不同频率的光对应不同能量的光子：E——光子能量；v——光的频率；h——普朗克常数；第7页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的产生原子的发光基态与激发态电子在最靠近原子核的轨道上运动时，原子所处的能级状态称为基态。当外界传给原子一定的能量时，原子的内能增加，外层电子的轨道半径扩大，被激发到高能级，称为激发态（高能态）。第8页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的产生原子的发光（续）跃迁原子从高能级回到低能级的过程称为“跃迁”。被激发到高能级的原子不是很稳定，总是力图回到能量较低的能级去。具有亚稳态能级的原子和离子的存在是形成激光的重要条件。第9页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的产生原子的发光（续）光辐射当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常常以光子的形式辐射出光能量：自发辐射原子从高能级自发地跃迁到低能级而发光的过程称为自发辐射。（日光灯发光）各受激原子跃迁回到基态的时序先后不一，且具有多个能级，因此方向性、单色性都很差。第10页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的产生原子的发光（续）受激辐射满足一定频率要求的一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，刺激处在激发能级上的原子跃迁回到低能级，同时发出一束与入射光具有相同特性（频率、相位、传播方向、偏振方向等）的光。第11页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的产生激光的产生条件粒子数反转具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发条件下，吸收光能，使处于亚稳态（高能级）的原子数目大于处于基态（低能级）的原子数目的现象。受激辐射在粒子数反转的状态下，一束光子入射该物体，当光子能量恰好等于两个能级相对应的能量差时，产生受激辐射，输出大量光能。第12页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.1激光的产生第13页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.2激光的特性激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等），也有其特性。（受激辐射）强度、亮度和能量密度高：一台红宝石激光器的亮度是太阳表面亮度的两百多亿倍。空间上和时间上的集中单色性好：具有很窄的谱线宽度。相干性好：单色性越好，相干长度越长。方向性好：具有很小的发散角。第14页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.3激光加工的原理和特点激光加工原理利用高强度、方向性好、单色性好的相干光，获得极高的能量密度（108~1010W/cm2）和10000℃以上的高温，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，以达到去除材料的目的。第15页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.1.3激光加工的原理和特点激光加工特点聚焦后，激光加工的功率密度非常高，光能转化为热能几乎可以熔化、气化任何材料。激光光斑可以聚焦到微米级，输出功率可调，能够实现精密微细加工。非接触式加工，无机械力，无工具损耗，易实现加工过程自动化。与其他高能束加工比较，加工装置比较简单。1324第16页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本设备激光加工的基本设备包括以下四部分：激光器：将电能转变成光能。电源：为激光器提供能量和控制功能。光学系统：聚焦系统和观察瞄准系统。机械系统：床身、工作台、机电控制系统。第17页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本设备激光器的分类按激活介质的种类固体激光器和气体激光器按工作方式连续激光器和脉冲激光器第18页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本设备固体激光器的基本组成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19页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本设备第20页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本设备固体激光器的分类红宝石激光器钕玻璃激光器掺钕钇铝石榴石激光器第21页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.2激光加工的基本设备气体激光器二氧化碳激光器以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，目前连续输出功率最高的气体激光器。氩离子激光器第22页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3激光加工工艺及应用§5.3.1激光打孔§5.3.2激光切割§5.3.3其他应用第23页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔原理基于聚焦后的激光具有极高的功率密度使得工件材料融化、气化等热物理现象综合的结果。激光打孔特点几乎可以在任何材料上打微型小孔;适合于自动化连续打孔，加工效率高；直径可小到0.01um以下，深径比可达50:1。直径10µm的精密微孔，机械加工很难达到0.25mm第24页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影响因素输出功率与照射时间输出功率大，光照时间长，则工件获得的激光能量大。照射时间为几分之一到几毫秒，时间不能太短也不能太长。1第25页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影响因素（续）聚焦与发散角尽可能减小激光的发散角，使其在聚焦以后获得很小的光斑和更高的功率密度，从而加工直径更小、深度更深的孔。2第26页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影响因素（续）焦点位置焦点位置对于孔的形状和深度都有很大影响。3第27页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影响因素（续）光斑内的能量分布4第28页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影响因素（续）激光的多次照射激光照射一次，加工深度约为孔径的五倍，且锥度很大；多次照射则深度大大增加、锥度减小、孔径几乎不变。5第29页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔激光打孔的主要影响因素（续）工件材料各种工件材料吸收光谱不同，相当一部分能量将被反射或透射掉，必须根据工件材料的吸收光谱合理选择激光器。对于高反射率和透射率的工件，采用打毛或黑化，增大对激光的吸收效率。工件表面粗糙度值越小，吸收效率越低，打的孔也就愈浅。6第30页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔第31页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.1激光打孔第32页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.2激光切割激光切割原理基于聚焦后的激光具有极高的功率密度使得工件材料瞬时气化蚀除。工件和激光束具有相对移动（一般移动工件）。一般采用高重复频率的脉冲激光器。第33页，共37页，2023年，2月20日，星期一§5.3.2激光切割激光切割的特点能够加工各种各样的材料，金属、玻璃、陶瓷、木材、布、纸张等；适合于异形孔加工，精密零件的窄缝切割切割；切割深宽比大；切口质量良好，边缘平滑，无切割残渣，热影响区域小；具有较高的加工效率，加工成本可显著降低。国外汽车70%的部件切割焊接采用激光加工第34