激光加工物理基础课件

Institute of Laser Engineering(ILE)第三讲第三讲激光加工物理基础简介激光加工物理基础简介(一一)Institute of Laser Engineering(ILE)激光加工是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料激光加工是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料的相互作用，引起材料一系列复杂的物理和化学变化，从的相互作用，引起材料一系列复杂的物理和化学变化，从而实现材料的制备、成形、改性、联接和去除等。按照光而实现材料的制备、成形、改性、联接和去除等。按照光与物质的相互作用机理，激光加工可分为基于光热效应的与物质的相互作用机理，激光加工可分为基于光热效应的“热加工热加工”和基于光化学效应的和基于光化学效应的“冷加工冷加工”两种。两种。激光加工的基本概念激光加工的基本概念Institute of Laser Engineering(ILE)激光的多维性特征激光的多维性特征Institute of Laser Engineering(ILE)Dissociation limitIonization limitGround statemolecules Electronic excitation using a UV laserVibrational excitation using an IR laserhvPhoto ionizationhve-hvIonization激光激光“冷冷”加加工工激光热加工激光热加工激光加工的物理机制激光加工的物理机制Institute of Laser Engineering(ILE)材料加工用典型激光器材料加工用典型激光器YAG lasersCO2 lasersCO lasersRuby lasersCOIL lasersSolid state lasersGas lasersDiode lasersDouble(triple)frequency YAG lasersExcimer lasersCOIL Chemical Oxygen-Iodine Laser(化学氧碘激光器化学氧碘激光器)Nd:YAG Neodymium doped Yttrium Aluminium Garnet(掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石)ExcimerExcited Dimer(准分子准分子)Institute of Laser Engineering(ILE)几种典型激光的光子能量几种典型激光的光子能量CO2激光器激光器：=10.6 m、=h=0.12eVCO激光器：激光器：=5.4 m、=h=0.23eVCOIL激光器：激光器：=1.32 m、=0.93eVNd:YAG激光器激光器：=1.06 m、=h=1.16eV半导体激光器半导体激光器：=800-980nm、=1.251.54eV三倍频三倍频YAG激光器激光器：=355nm、=h=3.48eV KrF准分子激光器准分子激光器:=248nm,=h=4.9eV Institute of Laser Engineering(ILE)CO2和和YAG等红外激光器，光子能量低，加工过程是以热的形等红外激光器，光子能量低，加工过程是以热的形式体现，即材料吸收激光能量引起温度升高、熔化或汽化，从式体现，即材料吸收激光能量引起温度升高、熔化或汽化，从而实现材料表面热处理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割，而实现材料表面热处理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割，等等，是为激光热加工。等等，是为激光热加工。紫外波长的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子紫外波长的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子的结合能相当的结合能相当（高分子聚合物主要由（高分子聚合物主要由H、C、O、N组成，其中组成，其中C-H键的键能只有键的键能只有3.5 eV），），因此，紫外激光作用在这类物质上因此，紫外激光作用在这类物质上将可能直接打破分子间的结合键，依靠所谓的光化学作用实现将可能直接打破分子间的结合键，依靠所谓的光化学作用实现对该种材料的剥蚀加工，是为激光冷加工。但是，对该种材料的剥蚀加工，是为激光冷加工。但是，高聚物中的高聚物中的C-O,N-N,C-N 的键能均高于所有紫外光子的能量的键能均高于所有紫外光子的能量，紫外激光加，紫外激光加工聚合物实际上是同时存在光解和热解两个过程。紫外激光加工聚合物实际上是同时存在光解和热解两个过程。紫外激光加工金属和大多数的非金属则仍然是基于光热效应的热加工。工金属和大多数的非金属则仍然是基于光热效应的热加工。红外飞秒激光加工是属于热加工，还是冷加工？红外飞秒激光加工是属于热加工，还是冷加工？Institute of Laser Engineering(ILE)激光制造工艺方法激光制造工艺方法1、激光热加工、激光热加工固态加热固态加热 退火退火、表面相变硬化、表面相变硬化 热应力成形、矫直热应力成形、矫直 控制断裂切割控制断裂切割 激光辅助切削加工激光辅助切削加工 熔化熔化 表面抛光表面抛光 表面重熔改性、表面合金化、熔覆表面重熔改性、表面合金化、熔覆 表面织构化表面织构化 金属零件增材成形、再制造金属零件增材成形、再制造 热传导焊接热传导焊接 2、激光、激光“冷冷”加工加工 刻蚀刻蚀 光固化光固化(多光子聚合多光子聚合)成形成形 激光辅助化学蚀除激光辅助化学蚀除 功能材料激光辐照改性功能材料激光辐照改性 汽化汽化 熔深焊接熔深焊接 切割、制孔、雕刻切割、制孔、雕刻 物理物理/化学气相沉积、化学气相沉积、表面清洗表面清洗 冲击波改性、冲击波成形冲击波改性、冲击波成形 Institute of Laser Engineering(ILE)激光热加工基本物理过程示意图激光热加工基本物理过程示意图a.固态加热b.表面重熔c.小孔效应d.等离子体屏蔽103W/cm2108W/cm2Institute of Laser Engineering(ILE)激光焊接熔深激光焊接熔深/熔宽与激光功率（密度）的关系熔宽与激光功率（密度）的关系材料:st37-2低碳钢RS20000 CO2激光器,D=100mm,f=300mm,df=1.1mm,f=0 V=2m/min无辅助气体 Institute of Laser Engineering(ILE)表面加热表面加热切割切割深熔焊接深熔焊接不同加工方法激光束入射条件示意不同加工方法激光束入射条件示意Institute of Laser Engineering(ILE)实现不同激光加工之简单方法实现不同激光加工之简单方法Institute of Laser Engineering(ILE)激光加工工艺与激光功率密度及作用时间的关系激光加工工艺与激光功率密度及作用时间的关系Institute of Laser Engineering(ILE)激光加工的特点激光加工的特点作为加工工具的激光特性作为加工工具的激光特性作用时间短作用时间短没有力的作用没有力的作用无磨损无磨损良好的可达性良好的可达性精确的加工轨迹精确的加工轨迹功率密度高，并且精确可控功率密度高，并且精确可控整个工件的热输入量小整个工件的热输入量小激光加工的优点激光加工的优点-高的加工速度高的加工速度-高的加工质量高的加工质量精确精确变形小变形小无需后续加工或后续加工量小无需后续加工或后续加工量小-高的柔性高的柔性加工工艺多加工工艺多材料范围广材料范围广自由几何形状自由几何形状-易于实现自动化易于实现自动化-与其它加工方法良好的结合性与其它加工方法良好的结合性Institute of Laser Engineering(ILE)激光加工的应用特别适合于以下情况激光加工的应用特别适合于以下情况-改变加工流程改变加工流程降低成本降低成本提高质量提高质量-其它方法无法实现其它方法无法实现-要求没有力的作用和要求没有力的作用和/或热输入或热输入量小的情况量小的情况-小批量、多品种小批量、多品种-自动化程度要求高自动化程度要求高激光的应用必然是激光的应用必然是充分地利用充分地利用激光独有的激光独有的特性特性,寻找寻找KILLER APPLICATIONS！Institute of Laser Engineering(ILE)金属对金属对激光吸收的一般规律激光吸收的一般规律Institute of Laser Engineering(ILE)吸收系数与穿透深度吸收系数与穿透深度I0I(z)R：材料表面的反射率；材料表面的反射率；：材料的吸收系数（材料的吸收系数（cm-1）k：材料吸收指数材料吸收指数：激光波长：激光波长 Institute of Laser Engineering(ILE)光在介质界面上的反射和折射光在介质界面上的反射和折射电场强度电场强度E和磁场强度和磁场强度H的切的切线分量在界面上连续；线分量在界面上连续；电位移矢量电位移矢量D和磁感应强度和磁感应强度B的法向分量在界面上连续的法向分量在界面上连续12i0 Institute of Laser Engineering(ILE)垂直入射时的反射率和吸收率垂直入射时的反射率和吸收率 Institute of Laser Engineering(ILE)金属对激光的吸收金属对激光的吸收金属中存在大量的自由电子，如果光子的能量较低（金属中存在大量的自由电子，如果光子的能量较低（CO2和和YAG等红外激光等红外激光属于此类），通常只对金属中的自由电子发生作用，也就是说能量的吸收是通过属于此类），通常只对金属中的自由电子发生作用，也就是说能量的吸收是通过金属中的自由电子这个中间体，然后电子通过碰撞将能量传递给晶格。金属中的自由电子这个中间体，然后电子通过碰撞将能量传递给晶格。Institute of Laser Engineering(ILE)Drude反射率和吸收率反射率和吸收率我们可以很直观地看出，辐射激光的波长越短（即圆频率越大）、导电性越差（即电导率0越小），金属对入射激光的吸收率越高。Institute of Laser Engineering(ILE)Hagen-Rubens关系式关系式 在低频辐射时，即上述反射率和吸收率是Drude反射率和吸收率的一种特例，其适应范围是十分有限的。对于高导电性金属，仅在长波辐射时有效（如金属Ag，波长须大于500m），对于弱导电性金属，公式的适应范围可以扩大到中红外（如金属Hg，波长大于7m即可）。因此，就现有的可用于金属材料加工的激光器件而言，只有在CO2激光辐射弱导电性金属时，才可以采用以上公式计算金属的反射率和吸收率。Institute of Laser Engineering(ILE)带间吸收带间吸收 当激光的波长较短(0.5m)时，由于激光光子的能量较大，激光除与自由电子发生相互作用之外，还可对金属中的束缚电子发生作用，引起价带电子向导带电子的跃迁，从而使金属的反射能量降低，透射能量增强，金属对激光的吸收率增大。因此，对可见和紫外激光，必须考虑带间跃迁(interband transitions)引起的吸收增加，即带间吸收AIB(Interband absorption)。因此，金属的吸收率由以下二部分组成，称为金属的内在吸收或固有吸收，用Ai表示：Institute of Laser Engineering(ILE)激光垂直入射时室温下金属的吸收率Institute of Laser Engineering(ILE)反射率和吸收率反射率和吸收率 与激光偏振状态和入射角的关系与激光偏振状态和入射角的关系什么是光的偏振什么是光的偏振电磁波中起光作用的主要是电场矢量，所以电场矢量又叫光电磁波中起光作用的主要是电场矢量，所以电场矢量又叫光矢量。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量可能有各种不矢量。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量可能有各种不同的振动状态，这种振动状态通常称为光的偏振态。同的振动状态，这种振动状态通常称为光的偏振态。光波为横向电磁波，电场、磁场、传播速度三者相互垂直：光波为横向电磁波，电场、磁场、传播速度三者相互垂直：Institute of Laser Engineering(ILE)五种常见的光的偏振态：五种常见的光的偏振态：一、线偏振光一、线偏振光光矢量只沿一个固定的方向振动，也就是说光矢量只在光矢量只沿一个固定的方向振动，也就是说光矢量只在同一个平面内振动，因此线偏振光也称为平面偏振光。同一个平面内振动，因此线偏振光也称为平面偏振光。偏振面偏振面：光矢量的方向和光的传播方向构成的平面光振动在图示平面内光振动在垂直于图示平面内Institute of Laser Engineering(ILE)二、自然光二、自然光自然光不仅初相位彼此不相关，而且光振动的方向也是随机分布的。自然光不仅初相位彼此不相关，而且光振动的方向也是随机分布的。在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均来在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有。平均来说，光矢量具有轴对称而且均匀分布，各方向光振动的振幅相同。说，光矢量具有轴对称而且均匀分布，各方向光振动的振幅相同。三、部分偏振光三、部分偏振光介于线偏振光和自然光之间，在垂直于光传播方向的平面内，沿各个介于线偏振光和自然光之间，在垂直于光传播方向的平面内，沿各个方向振动的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的光矢量之间没有固定方向振动的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的光矢量之间没有固定的相位关系。的相位关系。在图示平面内的光振动较强在垂直于图示平面内的光振动较强Institute of Laser Engineering(ILE)在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定的频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢一定的频率旋转（左旋或右旋）。如果光矢量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光。量端点轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光。如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫如果光矢量端点轨迹是一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光。椭圆偏振光。四、圆偏振光四、圆偏振光五、椭圆偏振光五、椭圆偏振光 圆偏振光椭圆偏振光圆偏振光和圆偏振光和椭圆偏振光中的光矢量的转动相当于两个相互垂直的振动的椭圆偏振光中的光矢量的转动相当于两个相互垂直的振动的合成，这两个分振动之间有确定的相位关系。具体来说，两束偏振面垂合成，这两个分振动之间有确定的相位关系。具体来说，两束偏振面垂直的线偏振光叠加，当相位固定时，获得椭圆偏振光，当两束偏振光的直的线偏振光叠加，当相位固定时，获得椭圆偏振光，当两束偏振光的强度相等且相位为强度相等且相位为/2或或3/2时，得到圆偏振光时，得到圆偏振光。Institute of Laser Engineering(ILE)反射和折射时光的偏振反射和折射时光的偏振自然光在两种各向同性介质分界面上反射和折射时，不仅光的传播方向要自然光在两种各向同性介质分界面上反射和折射时，不仅光的传播方向要改变，而且偏振状态也要发生变化改变，而且偏振状态也要发生变化。一般情况下，反射光和折射光不再是。一般情况下，反射光和折射光不再是自然光，而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振动多于平行振自然光，而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振动多于平行振动，而在折射光中平行于入射面的光振动多于垂直振动。动，而在折射光中平行于入射面的光振动多于垂直振动。自然光反射和折射后产生部分偏振光Institute of Laser Engineering(ILE)布儒斯特定律：布儒斯特定律：反射光的偏振化程度和入射角有关反射光的偏振化程度和入射角有关。当入射角等于某一特定值。当入射角等于某一特定值i0时，反射时，反射光是光振动垂直于入射面的线偏振光。这个特定的入射角称为起偏角，即光是光振动垂直于入射面的线偏振光。这个特定的入射角称为起偏角，即布儒斯特角。布儒斯特角。当光以布儒斯特角入射时，反射光和折射光垂直，有：i0i0 n1n2Institute of Laser Engineering(ILE)反射率和吸收率反射率和吸收率 与激光偏振态和入射角的关系与激光偏振态和入射角的关系Institute of Laser Engineering(ILE)吸收率吸收率 与激光偏振状态和入射角的关系与激光偏振状态和入射角的关系吸收率%入射角铁Institute of Laser Engineering(ILE)切割前沿激光的偏振状态切割前沿激光的偏振状态切割方向切割方向Institute of Laser Engineering(ILE)切割前沿不同位置的吸收率与激光偏振切割前沿不同位置的吸收率与激光偏振状态的关系状态的关系切割前沿位置方位角()吸收率Institute of Laser Engineering(ILE)线偏振光切割时切口质量不均匀线偏振光切割时切口质量不均匀Institute of Laser Engineering(ILE)切割前沿能量耦合效率与偏振状态的关系切割前沿能量耦合效率与偏振状态的关系吸收率倾斜角Institute of Laser Engineering(ILE)偏振态对焊接的影响偏振态对焊接的影响Institute of Laser Engineering(ILE)采用平行偏振光进行表面处理采用平行偏振光进行表面处理Institute of Laser Engineering(ILE)采用垂直偏振光进行焊接采用垂直偏振光进行焊接实验理论入射角吸收率不锈钢FdfF压力，df聚焦光斑直径焊接区聚焦镜激光束Institute of Laser Engineering(ILE)激光束激光束激光束导带槽压力轮传送轮导带轮激光束带材聚焦镜导带槽Institute of Laser Engineering(ILE)线偏振激光的获得线偏振激光的获得a)b)Institute of Laser Engineering(ILE)圆偏振激光的获得圆偏振激光的获得入射激光入射激光线偏振光线偏振光圆偏振光圆偏振光圆偏振镜圆偏振镜Institute of Laser Engineering(ILE)表面状态对吸收率的影响表面状态对吸收率的影响室温下不同金属对CO2激光的吸收率金属(AD10-3)实测最小值(Amin10-3)Ag3.864.77.72Al10.610.018.2Au5.96.08.15Cu4.946.611.4Institute of Laser Engineering(ILE)实际金属表面的吸收率由两部分组成实际金属表面的吸收率由两部分组成 金属的光学性质所决金属的光学性质所决定的固有吸收率定的固有吸收率Ai和表面光学性质所决定的附加吸收率和表面光学性质所决定的附加吸收率Aext Ai 金属的固有吸收率Aext 表面状态引起的附加吸收率Ar表面粗糙度引起的附加吸收率Aid 杂质与缺陷引起的附加吸收率Aox 表面氧化物引起的附加吸收率Institute of Laser Engineering(ILE)表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响室温下35NCD16钢不同表面状态时对不同波长激光的吸收率表面状态Ra m平均粗糙度对CO2激光的吸收率(%)=10.6m对CO激光的吸收率(%)=5.35.5m对YAG激光的吸收率(%)=1.06m抛光碾磨碾磨磨削磨削磨削磨削磨削砂纸打磨0.020.210.280.871.102.052.933.351.655.15-5.257.45-7.557.70-7.805.95-6.056.35-6.458.10-8.2511.60-12.1012.55-12.6533.85 34.308.55-8.7012.85-12.9513.10-13.2010.15-10.3510.85-11.0013.50-13.7019.85-20.6021.35-21.5042.40-42.8029.75-30.0038.90-40.1040.20-41.4033.80-34.2034.10-34.4041.80-42.5052.80-53.2051.40-51.7068.20 68.40Institute of Laser Engineering(ILE)缺陷和杂质的影响缺陷和杂质的影响不同表面加工方法制造的铜镜的特性加工方法p (cm-2)吸收率 A磨粒抛光(机械抛光)11080.0120.001退火61070.0140.001电化学抛光31070.0090.001Institute of Laser Engineering(ILE)氧化物的影响氧化物的影响当暴露于空气中时，常规金属表面多数情况下覆盖着一层氧化物。氧化层的厚度X和结构取决于金属试件的准备和经历的时间，相当厚的氧化层可以使试件的吸收率增加一个数量级甚至更高。氧化层对吸收的影响还取决于激光波长。例如，通常情况下，铝表面的自然氧化铝层是很薄的(XrF2/a，就可以认为作用时间充够长。计算表明，当激光的作用时间t0.01s，光斑中心温度基本上达到稳定状态。比较匀强光斑和高斯光斑计算公式，可以发现，对于具有相同功率和光斑大小的高斯光束和匀强光束，高斯光斑中心处所能达到的最高温度高于匀强光斑，其比值为Institute of Laser Engineering(ILE)谢谢谢谢 ！