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,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,*,*,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,*,*,一、激光加工系统的组成,(3),光泵,是使工作物质发生粒子反转产生受激辐射的激励光源，因此光泵的发射光谱应与工作物质的吸收光谱相匹配。常用的光泵有脉冲氙灯和氪灯，脉冲氙灯的发光强度和频率较高，适用于脉冲工作的固体激光器，而氪灯的发光光谱能与,YAG,的吸收光谱很好匹配，是,YAG,连续激光器的理想光泵。为改善照射的均匀性，光泵可用双灯（如图,1,所示的件,3,有上、下两个）、三灯或四灯。,2024/11/27,1,一、激光加工系统的组成,(4),聚光器罩,在光泵的外围，它是把光泵发生的光有效地、均匀地集中到工作物质上。聚光器中常用的是圆柱聚光器和椭圆聚光器，也有球形、椭球和紧包形的聚光器。其要求为聚光均匀、散热好、结构简单、内壁反射率高，表面粗糙度,R0.04m,以下，通常聚光效率达,80,。,谐振腔,是光学反馈元件，它的作用是为光放大介质产生光振荡。其类型对激光输出能量和发散角有很大影响，常用的平行平面谐振腔由图,1,中反射镜,1,与,4,组成，谐振腔的长度为激光半波长的整倍数，反射镜平行度,10,。,2024/11/27,2,一、激光加工系统的组成,(5),（,2,）气体激光器,常用的工作物质有分子激光的二氧化碳（,CO,2,）和离子激光的氩气（,Ar,），后者输出功率为,25W,，它的,10ns,级短脉冲，使热影响区小，用于半导体、陶瓷和有机物的高精度微细加工。而,CO,2,激光器的功率在连续方式工作时可达,45kW,，脉冲式可达,5kW,，故在加工中应用最广。,CO,2,气体激光器,的波长为,10.6m,，处于红外线领域，因而其激光束为不可见光。它是在氦的体积分数约,80,，氮的体积分数约,15,和,CO,2,的体积分数约,5,的混合气体中进行放电形成粒子数反转的分子激光。它的能量效率通常为,5,10,，高效装置甚至可达,10,15,。,2024/11/27,3,一、激光加工系统的组成,(6),CO,2,激光器的工作原理图如图,2,所示。,气体激光的激励,虽也可用光泵的方法，但大多用直流放电（图,2,）或高频放电的方式。,谐振腔,由放电管两端的镜面构成，一端是镀金凹镜，另一端是锗或砷化镓平镜，它们也兼作密封之用。,2024/11/27,4,CO,2,激光器的输出功率与放电管的长度成正比，低速轴流式的气体流速慢，输出功率小，约,50,70W/m,，但其输出功率稳定，易得到单模，一般用于百瓦级激光器。对于千瓦级的,CO,2,激光器则采用气体循环速度达,100m/s,的高速轴流式的激光器或气流及放电与激光光轴垂直的双轴直交型以及气流、放电与激光光轴三者互相垂直的三轴直交型，可达到使激光器小型化。,一、激光加工系统的组成,(7),2024/11/27,5,2.,聚焦系统,其作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至工件上，并具有调节焦点位置和观察显示的功能。,CO,2,激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化镓等红外材料制造的光学透镜才能通过。为减少表面反射需镀金全反射镜。,一、激光加工系统的组成,(8),2024/11/27,6,一、激光加工系统的组成,(9),图,3,为应用于,CO,2,激光切割机的透射式聚焦系统。图中在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体,N,2,的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。工作台用抽真空方法使薄板工件能紧贴在台面上。,2024/11/27,7,3,电气系统,电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，,其作用是供给激光器能量（固体激光器的光泵或,CO,2,激光器的高压直流电源）和输出方式（如连续或脉冲、重复频率等）进行控制。此外，工件或激光束的移动大多采用,CNC,控制。,为了实现聚焦点位置的自动调整，尤其当激光切割的工件表面不平整时，需采用焦点自动跟踪的控制系统，它通常用电感式或电容式传感器来实时检测，通过反馈来控制聚焦点的位置，其控制精度的要求一般为,0.05,0.005mm,。,一、激光加工系统的组成,(10),2024/11/27,8,1,激光打孔尺寸及其精度的控制,（,1,）孔径尺寸控制,采用小的发散角的微光器（,0.001,0.003rad,），缩短焦距或降低输出能量可获得小的孔径。对于熔点高、导热性好的材料可实现孔径,0.01,1mm,的微小孔加工，最小孔径可达,0.001mm,。,（,2,）孔的深度控制,提高激光器输出能量，采用合理的脉冲宽度（材料的导热性越好宜取越短的脉冲宽），应用基模模式（光强呈高斯分布的单模）可获得大的孔深。对于孔径小的深孔宜用激光多次照射，并用短焦距（,15,30mm,）的物镜打孔。,二、激光加工的合理工作参数,(1),2024/11/27,9,（,3,）提高激光加工孔的圆度,激光器模式采用基模加工，聚焦透镜用消球差物镜，且透镜光轴与激光束光轴重合，工件适当偏离聚焦点以及选择适当的激光能量等可提高加工圆度。,（,4,）降低打孔的锥度,通常孔的锥度随其孔深孔径比增大而增加，采用适当的激光输出能量或小能量多次照射，较短的焦距，小的透镜折射率及减少入射光线与光轴间的夹角等措施可减小孔的锥度。,二、激光加工的合理工作参数,(2),2024/11/27,10,（,5,）硬脆材料激光打孔的实用参数,用,YAG,激光加工机对红宝石和金刚石打孔，当孔径为,0.05mm,时，所用的单个脉冲的激光能量分别为,0.05,1J,，每秒的脉冲数约为,20,个；加工,Si,3,N,4,、,SiC,和,Al,2,O,3,等陶瓷，当孔径为,0.25,1.5mm,时，所用单个脉冲激光能量在,5,8J,，每秒的脉冲数为,5,10,个，脉冲宽度,0.63ms,，辅助气体用空气或,N,2,。,二、激光加工的合理工作参数,(3),2024/11/27,11,2,激光切割的合理工作参数,除精细切割如切割硅片可用,YAG,固体激光器外，激光切割一般采用,CO,2,以激光器，其工作参数主要有切割速度、切缝宽度和切割厚度。,（,1,）激光切割速度,它随激光功率和喷气压力增大而增加，而随被切材料厚度增加而降低。切割,6mm,厚度碳素钢钢板的速度达到,2.5m,min,，而厚度为,12mm,的钢板仅为,0.8m/min,。切割,15.6mm,厚的胶合板为,4.5m/min,，切割,35mm,厚的丙烯酸酯板的速度则达,27m/min,。,二、激光加工的合理工作参数,(4),2024/11/27,12,（,2,）切缝宽度,一般在,0.5mm,左右，它与被切材料性质及厚度、激光功率大小、焦距及焦点位置、激光束直径、喷吹气体压力及流量等因素有关，其影响程度大致与对打孔直径的影响相似。切割精度可达,0.02,0.01mm,。,（,3,）切割厚度,它主要取决于激光输出功率。切割碳素钢时，,1kW,级激光器的极限切割厚度为,9mm,，,1.5kW,级为,12mm,，,2.5kW,级为,19mm,；,2.5kw,级切割不锈钢的最大切割厚度则为,15mm,。对于厚板切割则需配置,3kw,以上的高功率激光器。,二、激光加工的合理工作参数,(5),2024/11/27,13,（,4,）辅助气体提高切割效率和切口质量,由于金属表面的激光反射率可高达的,95%,，使激光能量不能有效地射入金属表面。喷吹氧气或压缩空气能促进金属表面氧化，可提高对激光的吸收率来提高切割效率。增加吹氧压力还可使切缝减小，切割石英时，吹氧可防止再粘结。切割易燃材料时，可喷惰性气体防止燃烧，切割带有金属夹层的易燃材料，宜采用无氧空气。当吹气压力未超过某一数值时，增加压力可增大切割厚度。,对于熔点低、分解点低及导热性差的塑料、纤维、木材、布料等，一般应采用长焦距的锗透镜来聚焦激光束。,二、激光加工的合理工作参数,(6),2024/11/27,14,三、激光焊接技术（,1,）,1,激光焊接的工艺特点,按焊接熔池形成的机理区分，激光焊接有两种基本模式：,热导焊,和,深熔焊。热导焊,所用激光功率密度较低（,105-106 W/cm,2,），工件吸收激光后，仅达到表面熔化，然后依靠热传导向工件内部传递热量形成熔池。热导焊焊接模式熔深浅，深宽比较小。,深熔焊,激光功率密度高（,106-107W/cm,2,），工件吸收激光后迅速熔化乃至气化，熔化的金属在蒸汽压力作用下形成小孔激光束可直照孔底，使小孔不断延伸，直至小孔内的蒸气压力与液体金属的表面张力和重力平衡为止。小孔随着激光束沿焊接方,2024/11/27,15,三、激光焊接技术（,2,）,方向移动时，小孔前方熔化的金属绕过小孔流向后方，凝固后形成焊缝（图,1,）。这种焊接模式熔深大，深宽比也大。在机械制造领域，除了那些微薄零件之外，一般应选用深熔焊。,2024/11/27,16,深熔焊,过程产生的金属蒸气和保护气体，在激光作用下发生电离，从而在小孔内部和上方形成,等离子体,。等离子体对激光有吸收、折射和散射作用，因此一般来说熔池上方的等离子体会削弱到达工件的激光能量，并影响光束的聚焦效果，对焊接不利。通常,可辅加侧吹气,驱除或削弱等离子体。小孔的形成和等离子体效应，使焊接过程中伴随着具有特征的声、光和电荷产生，研究它们与焊接规范及焊缝质量之间的关系，和利用这些特征信号对激光焊接过程及质量进行监控，具有十分重要的理论意义和实用价值。,三、激光焊接技术（,3,）,2024/11/27,17,由于经聚焦后的激光束,光斑小,(0.1,0.3mm),，,功率密度高,，比电弧焊,(5102,104W/cm,2,),高几个数量级，因而激光焊接具有传统焊接方法无法比拟的显著,优点,：加热范围小，焊缝和热影响区窄，接头性能优良；残余应力和焊接变形小，可以实现高精度焊接；可对高熔点、高热导率、热敏感材料及非金属进行焊接；焊接速度快，生产率高；具有高度柔性，易于实现自动化。,激光焊与电子束焊有许多相似之处,，但它不需要真空室，不产生,X,射线，更适合生产中推广应用。激光焊接实际上已取得了电子束焊接,20,年前的地位，成为高能束焊接技术发展的主流。,三、激光焊接技术（,4,）,2024/11/27,18,三、激光焊接技术（,5,）,2,激光焊接设备,激光焊接设备主要由激光器、导光系统、焊接机和控制系统组成。,(1),激光器,用于激光焊接的激光器主要有,CO,2,气体激光器和,YAG,固体激光器两种。两者优缺点比较如下表所示。,2024/11/27,19,激光器,最重要的性能是输出功率和光束质量。从这两方面考虑，,CO,2,激光器比,YAG,激光器具有很大优势，是目前深熔焊接主要采用的激光器，生产上应用大多数还处在,1.5,6kW,范围，但现在世界上最大的,CO,2,激光器已达,50kW,。而,YAG,激光器在过去相当长一段时间内提高功率有困难，一般功率小于,1kW,，用于薄小零件的微联接。但是，近几年来，国外在研制和生产大功率,YAG,激光器方面取得了突破性的进展，最大功率已达,5kW,，并已投入市场。由于其波长短，仅为,CO,2,激光的,1/10,，有利于金属表面吸收，可以用光纤传输使导光系统大为简化。,三、激光焊接技术（,6,）,2024/11/27,20,可以预料，大功率,YAG,激光焊接技术在今后一段时间内将获得迅速发展，成为,CO,2,激光焊接强有力的竞争对手。,(2),导光和聚焦系统,导光聚焦系统,由圆偏振镜、扩束镜、反射镜或光纤、聚焦镜等组成，实现改变光束偏振状态、方向、传输光束和聚焦的功能。这些光学零件的状况对激光焊接质量有极其重要的影响。在大功率激光作用下，光学部件，尤其是透镜性能会劣化使透过率下降；会产生热透镜效应,(,透镜受热膨胀焦距缩短,),；表面污染也会增加传输损耗。所以光学部件的质量、维护和工作状态监测对保证焊接质量至关重要。,三、激光焊接技术（,7,）,2024/11/27,21,三、激光焊接技术（,8,）,(3
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