5-1-第5章-激光加工-完成解析

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第五章 激光加工,Laser Beam Machining(LBM),20世纪60年月初进展起来的一门新兴科学;,1960年美国梅曼制造第1台红宝石激光器，随后各种激光器不断涌现；1961年家王之江在长春光机所争论成功我国第一台激光器；激光器被称为20世纪四大制造(原子能、半导体、计算机)之一，为科研、生产供给了新的手段；,20世纪80年后开头在工业领域获得日益广泛的应用：打孔/切割/电子器件微调/焊接/热处理/激光存储等;,重点把握：激光加工的原理、特点、应用；,Laser-Light amplification by stimulated emission of radiation，辐射的受激放射光放大，译音莱塞,20世纪由钱学森建议改为激光 或激光器；,1,1 发光方式：自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式，前者发出的光是随处可见的一般光，后者发出的光便是激光。,1一般太阳光：聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能用于加工，缘由是：,地面上的太阳光的能量密度不高；,太阳光不是单色光，聚焦后不在同一平面内；,2)激光为什么激光可以用于加工？：,可控的单色光，强度高、能量密度大，经过透镜聚焦后在焦点上到达很高的能量密度，依靠光热效应可以在空气介质中高速加工任何材料；,激光加工不需要工具、加工速度快、外表变形小，可加工各种材料。,2,5.1,激光加工的原理和特点,1)电磁学：光是在肯定波长范围内的电磁波，波长波速c/频率f：,0.76 um为红外光；,2)量子学：光是一种具有肯定能量、且以光速运动的粒子流(光子)，其能量E=hf(h为普朗克常数)：光子数一样时，E紫外E红外；频率一样时，含光子数多的光束能量多；,电磁波波谱图,可见光波谱图,频率,f,波长,/m,波长,/um,1,光的物理概念,：具有波动性及微粒性,-,波粒二象性,.,3,5.1,激光加工的原理和特点,2 原子发光：,1)原子能级:电子在原子外层的不同分布使其具有不同的内能，内能最低的状态称为基态E1；基态原子吸取外界能量后被激发到能量较高的激发态或高能态(E2-E8);,通常,原子基态时可长时间存在，而激发态时停留时间很短；,但，,有些原子在,某些能级,上停留时间较长，这些能级称为,亚稳态能级,，其存在是形成激光的重要条件；,由于被激发到高能态的原子通常很不稳定，总试图回到低能态，其从高能态回落到基态的过程称为,跃迁,；,原子的,跃迁,是以,光子,的形式释放能量，产生的光能为：,hf,=,E,n,-,E,1,；,图,5.2,原子的能级,受激,跃迁,4,3)受激辐射是激光产生的根底：,某些具有亚稳态能级构造的物质，受外来光子激发后，可使处于高能级(亚稳态E2)原子数低能级(E1)原子数，这种现象称粒子数反转；,粒子数反转状态下，如再受到能量fh=E2-E1的一束光子照射，即可产生受激辐射，发出频率f(E2-E1)/h、单色性较好、强度高的光激光;,5.1,激光加工的原理和特点,3 原子发光方式：,1)激发：基态原子吸取外界能量被激发到激发态(如E3);,2)自发辐射：原子从高能态自发回落到低能态而发光的过程；如日光灯等的光，其频率/波长不一，单色/方向性差；,图,5.3,粒子数反转的建立和激光形成,hf,hf,hf=E2-E1,5,4 激光的特性：,1具有一般光的共性：反射、折射、绕射及干预等；,2激光是受激辐射，发光物质有组织、相互关联地产生的光放射，发出的光波具有一样的频率、方向、偏振状态和严格的相位；与一般光的差异在于：,强度、亮度高：比太阳外表亮度高20多亿倍;,单色性好：波长根本为一固定值，即谱线宽度 窄，仅为10-8nm;,相干性好：相干性是指光源先后发出的两束光能够产生干预现象的最大时间间隔或所走过的最大光程；激光的相干长度L可达数十千米，故可用于长距离的周密测量；,方向性好:用发散角衡量，可小于1x10-4sr(立体弧度),5.1,激光加工的原理和特点,6,5 激光加工的原理：,通过透镜将激光束聚焦成微小光斑(直径几十几um)，其功率密度极高(108-1010W/cm2);,光能被工件吸取后便快速转化为热能(光斑区温度可达1万以上)，并致使材料熔化甚至气化，这种加工方法即为激光加工。,激光加工原理图,5.1,激光加工的原理和特点,7,6 激光加工的特点:,几乎可加工(熔化、气化)全部金属和非金属；,激光束(光斑)可聚焦到微米级，进展周密微细加工；,属非接触加工，工件不受机械切削力，无弹性变形；不存在工具磨损、振动和机械噪声；在大气中无能量损失，设备简洁，无需真空室；,加工作用时间短，除加工部位外，几乎不受热影响、不产生热变形；,加工效率高，可实现高速、自动化切割和打孔；,可通过空气、惰性气体或者光学透亮介质，可对隔离室或真空室内工件进展加工；,属热加工，影响因素多、精度及Ra不易保证；,材料外表光泽、透亮时需色化或打毛处理(便于吸光),产生金属气体、火星等飞溅物，操作者需戴防护眼镜。,5.1,激光加工的原理和特点,8,5.2 激光加工的根本设备,1 激光加工机的组成：,激光器：重要设备，其功能是将电能变为光能产生激光束；,激光器电源：供给激光器所需能量及掌握功能；,光学系统：聚焦和瞄准系统(用于观看、调整聚焦点位置),机械系统：包括床身、三坐标工作台及机电掌握系统,2 常用的激光器：,按工作介质分为：,固体激光器红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石,气体激光器二氧化碳激光器、亚离子激光器；,按工作方式分为：连续、脉冲激光器；,9,5.2 激光加工的根本设备,3 固体激光器：,工作物质：红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石；,光泵：为工作介质供给光能，常用氙灯、氪灯；,聚光器：将光泵发出的光聚拢到工作介质上；,谐振腔：一组反射镜构成，使激光沿轴向反射共振，以便加强和改善输出；,玻璃套管及滤光液：滤除有害的紫外线，提高效率;,固体激光器,10,5.2 激光加工的根本设备,固体激光器类型：按工作介质，有三种：,红宝石激光器：可见红光，3能级激光器；易于获得相干性单模输出，稳定性好；一般为脉冲输出、频率小于1次/秒；已渐渐淘汰。,钕玻璃：红外激光，四能级系统因有过渡能级，易于实现粒子数反转；效率23，激光放射角小、适用于精细加工；热导性差、需冷却；脉冲输出、频率小于几次/秒；打孔、焊接、切割等；,掺钕钇铝石榴石激光器：红外激光，四级系统，效率3，脉冲频率10100次/秒，连续输出功率几百瓦，性能优越；打孔、焊接、切割、微调等；,11,5.2 激光加工的根本设备,4 气体激光器：,1二氧化碳激光器：,以二氧化碳气体为介质的分子激光器，参加氮、氦、氙、水蒸气以提高功率，,是目前连续输出功率最高的气体激光器,功率可达万瓦，效率20%；,发出红外光，用于功率与能量较大的场合；,2亚离子激光器：,是惰性气体氩Ar通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子束反转而产生激光的离子激光器；,普线很多(最强为波长0.5145微米的绿光和0.488的蓝光，能量效率仅0.05%；,波长短、发散角小，能聚焦成更小的光斑，故适用于周密微细加工如存储光盘等。,12,5.3,激光加工工艺及应用,打孔,切割,激光打标小功率激光束,激光雕刻图形、图案,激光铣削,激光热处理激光淬火、外表重熔,激光焊接 熔融+冷却,激光快速成形技术光敏树脂固化,外表加工,13,5.3,激光加工工艺及应用,1 激光打孔：,1加工力量：,材料：几乎可以在任何材料上打微型小孔；,孔径：可小于0.01mm；,深径比：可达50:1；,速度：上万个/分钟；,2成功应用领域：,钟表或仪表的宝石轴承；,钻石拉丝模具；,化纤喷丝头；,火箭或柴油发动机的燃料喷嘴等；,14,3 激光打孔性能的影响因素7方面：,输出功率和打孔时间：工件获得能量随功率准时间增加而增加；时间一般为几分之一到几毫秒;,焦距和发散角：减小焦距和发散角光斑尺寸及孔锥度、功率密度和孔深度;,焦点位置：应位于工件外表、或略低；,5.3,激光加工工艺及应用,15,光斑内能量分布：光束聚焦后光斑内部各局部光强不同，导致孔的外形不同；当激光束为基模输出时，能量分布对称，孔也对称；,5.3,激光加工工艺及应用,16,激光照射次数的影响：,一次照射：加工深度约为孔径5倍、锥角大;,屡次照射：孔深、锥度、孔径不变(光管效应);,存在饱和区：当照射次数到达肯定程度后，孔深不随照射次数的增加而增加；可通过提高单脉冲能量增加孔深,5.3,激光加工工艺及应用,后续照射的聚焦光在孔内发散，并在孔壁上向孔内深处反射，故孔径不变、深度增加。,17,工件材料：激光加工中，局部光能因反射透射而损失，吸取率取决于工件材料所能吸取的激光光谱和波长；故反射透射率高的工件应作打毛黑化处理，以增加光能吸取律；,工件外表粗糙度：外表粗糙度值越小光能吸取效率越低光被反射掉，打孔深度越浅。,5.3,激光加工工艺及应用,18,2 激光切割：,原理：与打孔一样，但需工件作相对移动；,可加工材料：金属、非金属；切割金属时承受同轴吹氧工艺可提高切割速度及外表质量；切割非金属时吹CO2爱护气体；,CO,2,激光器切割系统,5.3,激光加工工艺及应用,特点及应用:无机械冲击和压力、切缝小；常用于玻璃、陶瓷、及芯片、集成电路等周密零件加工；,切割速度的主要影响因素：激光功率、吹气压力、材料厚度等。,19,激光 二维精细切割,1mm,厚 不锈钢,铝合金,0.8mm,厚，,小孔直径,0.7 mm,0.7 mm,厚 单晶硅,4 mm,厚 不锈钢,20,激光 焊接,盒体铝合金厚,3mm,锅炉用钢管，厚,7mm,汽车齿轮16MnCr5,不锈钢纸浆过滤器,21,激光 熔覆与热处理,航空发动机叶片修复,熔覆层宽,2mm,，厚,1mm,曲轴花键槽修复18Cr2Ni4W,熔覆层宽4mm，厚0.5mm,线材轧辊修复，熔覆层,8mm,导轨外表强化(材料:高强钢),22,激光加工,生物芯片,多种激光器联合制作具有简单流路的生物芯片,20,个循环,PCR,微流控芯,毛细管微流控芯,23,本章小节,激光加工的原理和特点,激光的产生,激光的特性,激光加工的根本设备,激光加工工艺及应用,需要把握的内容：,1 激光加工原理什么是激光加工？；,2 激光加工的特点？,3 激光加工的典型工艺包括哪些？,24,