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,*,第五章 其他特种加工技术,第六章,高能束加工,-,激光加工,第五章,高能束加工,-,激光加工,*,激光的产生,激光最初被译作“莱塞”，即英语“,Laser”,，是“,Light amplification by stimulated emission of radiation”(,意为“辐射的受激发射光放大”,),的缩写。后来在,20,世纪,60,年代初期，由钱学森建议，把光受激发射器改称为“激光”或“激光器”。,世界上第一台红宝石激光器由美国科学家梅曼于,1960,年发明成功，随后各种激光器不断涌现，我国科学家王之江也于,1961,年在长春光机所研究成功我国第一台激光器。激光器作为,20,世纪四大发明之一，它为人们科学研究、生产提供一个新的方法，也给人类的生活提供了很大方便，特别在是进入,20,世纪,80,年代以来，激光加工技术在工业上获得广泛的应用，成为工业上不可缺少的一种方法,。,1,激光的产生1,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；,光的物理概念,2,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）。,原子的发光,3,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。,原子的发光（续）,4,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。,激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等），也有其特性。（受,5,1.,激光加工的原理与特点,1),激光加工的原理,激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的,(,微米甚至亚微米,),小斑点上，加上它本身强度高，故可以使其焦点处的功率密度达到,10,7,10,11,W/cm,2,，温度可达,10000,以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。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。,1.激光加工的原理与特点,6,图,5-3,激光加工示意图,图5-3 激光加工示意图,7,2),激光加工的特点,(1),几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工。,(2),激光能聚焦成极小的光斑，可进行微细和精密加工，如微细窄缝和微型孔的加工。,(3),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。,(4),加工时不需用刀具，属于非接触加工，无机械加工变形。,(5),无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工，加工效率高，加工变形和热变形小。,2)激光加工的特点,8,4.,激光加工的应用,1),激光打孔,随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械加工方法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比较好地完成任务。,4.激光加工的应用,9,2),激光切割,激光切割,(,如图,6-9,所示,),的原理与激光打孔相似，但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,CO,2,激光器，对于精细切割，也可采用,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。,2)激光切割,10,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。,3),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,6-10,所示,),。,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,11,4),激光焊接,当激光的功率密度为,10,5,10,7,W/cm,2,，照射时间约为,1/100 s,左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起即可。,激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。,4)激光焊接,12,激光熔覆是利用激光的能量在材料表面熔凝耐磨、耐腐蚀的高级、超高级金属或金属陶瓷层，以改善其表面性能的激光工艺。其熔覆层组织细密，微观缺陷少，结合强度高。,激光熔覆是利用激光的能量在材料表面熔凝耐磨、耐腐蚀的,13,5),激光表面处理,当激光的功率密度约为,10,3,10,5,W/cm,2,时，便可实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为,0.7,1.1 mm,，淬火层硬度比常规淬火约高,20%,。激光淬火变形小，还能解决低碳钢的表面淬火强化问题,。,5)激光表面处理,14,返回,返回,15,
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