1、Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.15 激光加工Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.2高能束（High Energy Density Beam: HEDB）加工v 利用高能量密度的束流（激光束、電子束、離子束）作為熱源，對材料或構件進行加工的特種加工技術。v 主要包括：w 激光加工（Laser Beam Machining: LBM）w 電子束加工（ Electron Beam Machining: EBM）w 離子束加工（Ion Beam Machining: IBM）Precision Enginee

2、ring Lab., Xiamen Univ.35 激光加工v激光（Laser）是二十世紀60年代發展起來的一門新興科學。自1960年七月美國T.梅曼制成世界第一臺紅寶石激光器，激光技術迅速發展。v激光加工可以用于焊接、切割、打孔、打標、熱處理、快速原型等。 v激光是可控的能量密度大的單色光。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.45 激光加工5.1 激光加工的原理和特點5.2 激光加工的基本設備5.3 激光加工工藝及應用Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.55.1 激光加工的原理和特點5.1.1 激光的產生

3、原理5.1.2 激光的特性5.1.3 激光加工的原理和特點Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.65.1.1 激光的產生原理v光的物理概念w 光的電磁學說在一定波長范圍內的電磁波。 波長； 頻率； 波速；cvcvPrecision Engineering Lab., Xiamen Univ.75.1.1 激光的產生原理v光的物理概念（續）w 光的量子學說w 光是一種具有一定能量的以光速運動的粒子流（光子）。不同頻率的光對應不同能量的光子：E光子能量；v光的頻率；h普朗克常數；EhvPrecision Engineering Lab., Xiamen U

4、niv.85.1.1 激光的產生v原子的發光w 基態與激發態電子在最靠近原子核的軌道上運動時，原子所處的能級狀態稱為基態。當外界傳給原子一定的能量時，原子的內能增加，外層電子的軌道半徑擴大，被激發到高能級，稱為激發態（高能態）。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.95.1.1 激光的產生v 原子的發光（續）w 躍遷原子從高能級回到低能級的過程稱為“躍遷”。被激發到高能級的原子不是很穩定，總是力圖回到能量較低的能級去。具有亞穩態能級的原子和離子的存在是形成激光的重要條件。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.1

5、05.1.1 激光的產生v原子的發光（續）w 光輻射當原子從高能級躍遷回到低能級或基態時，常常以光子的形式輻射出光能量：w 自發輻射原子從高能級自發地躍遷到低能級而發光的過程稱為自發輻射。（日光燈發光）各受激原子躍遷回到基態的時序先后不一，且具有多個能級，因此方向性、單色性都很差。1nvEEhPrecision Engineering Lab., Xiamen Univ.115.1.1 激光的產生v原子的發光（續）w 受激輻射滿足一定頻率要求的一束光入射到具有大量激發態原子的系統中，刺激處在激發能級上的原子躍遷回到低能級，同時發出一束與入射光具有相同特性（頻率、相位、傳播方向、偏振方向等）的光

6、。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.125.1.1 激光的產生v激光的產生條件w 粒子數反轉具有亞穩態能級結構的物質，在一定外來光子能量激發條件下，吸收光能，使處于亞穩態（高能級）的原子數目大于處于基態（低能級）的原子數目的現象。w 受激輻射在粒子數反轉的狀態下，一束光子入射該物體，當光子能量恰好等于兩個能級相對應的能量差時，產生受激輻射，輸出大量光能。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.135.1.1 激光的產生Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.145.1.

7、2 激光的特性v 激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等），也有其特性。（受激輻射）w 強度、亮度和能量密度高：一臺紅寶石激光器的亮度是太陽表面亮度的兩百多億倍。空間上和時間上的集中w 單色性好：具有很窄的譜線寬度。w 相干性好：單色性越好，相干長度越長。w 方向性好：具有很小的發散角。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.155.1.3 激光加工的原理和特點v激光加工原理w 利用高強度、方向性好、單色性好的相干光，獲得極高的能量密度（1081010W/cm2）和10000以上的高溫，使材料在極短的時間內（千分之幾秒甚至更短）熔化甚至氣化，以達到去除

8、材料的目的。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.165.1.3 激光加工的原理和特點v激光加工特點w 聚焦后，激光加工的功率密度非常高，光能轉化為熱能幾乎可以熔化、氣化任何材料。w 激光光斑可以聚焦到微米級，輸出功率可調，能夠實現精密微細加工。w 非接觸式加工，無機械力，無工具損耗，易實現加工過程自動化。w 與其他高能束加工比較，加工裝置比較簡單。1324Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.175.2 激光加工的基本設備v激光加工的基本設備包括以下四部分：w 激光器：將電能轉變成光能。w 電源：為激光器提供

9、能量和控制功能。w 光學系統：聚焦系統和觀察瞄準系統。w 機械系統：床身、工作臺、機電控制系統。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.185.2 激光加工的基本設備v激光器的分類w 按激活介質的種類固體激光器和氣體激光器w 按工作方式連續激光器和脈沖激光器Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.195.2 激光加工的基本設備v固體激光器的基本組成1 1全反射鏡全反射鏡 2 2工作物質工作物質 3 3玻璃套管玻璃套管 4 4部分反射鏡部分反射鏡 5 5聚光鏡聚光鏡 6 6氙燈氙燈 7 7電源電源Precision

10、Engineering Lab., Xiamen Univ.205.2 激光加工的基本設備Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.215.2 激光加工的基本設備v固體激光器的分類w 紅寶石激光器w 釹玻璃激光器w 摻釹釔鋁石榴石激光器Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.225.2 激光加工的基本設備v氣體激光器w 二氧化碳激光器以二氧化碳氣體為工作物質的分子激光器，目前目前連續輸出功率最連續輸出功率最高的氣體激光器高的氣體激光器。w 氬離子激光器Precision Engineering Lab., Xiame

11、n Univ.235.3 激光加工工藝及應用5.3.1 激光打孔5.3.2 激光切割5.3.3 其他應用Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.245.3.1 激光打孔v激光打孔原理w 基于聚焦后的激光具有極高的功率密度使得工件材料融化、氣化等熱物理現象綜合的結果。v激光打孔特點w 幾乎可以在任何材料上打微型微型小孔;w 適合于自動化連續打孔，加工效率高；w 直徑可小到0.01um以下，深徑比可達50:1。直徑10m的精密微孔，機械加工很難達到0.25mmPrecision Engineering Lab., Xiamen Univ.255.3.1 激光

12、打孔v激光打孔的主要影響因素w 輸出功率與照射時間輸出功率大，光照時間長，則工件獲得的激光能量大。照射時間為幾分之一到幾毫秒，時間不能太短也不能太長。1Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.265.3.1 激光打孔v激光打孔的主要影響因素（續）w 聚焦與發散角盡可能減小激光的發散角，使其在聚焦以后獲得很小的光斑和更高的功率密度，從而加工直徑更小、深度更深的孔。2Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.275.3.1 激光打孔v激光打孔的主要影響因素（續）w 焦點位置焦點位置對于孔的形狀和深度都有很大影響。3Pre

13、cision Engineering Lab., Xiamen Univ.285.3.1 激光打孔v激光打孔的主要影響因素（續）w 光斑內的能量分布4Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.295.3.1 激光打孔v激光打孔的主要影響因素（續）w 激光的多次照射激光照射一次，加工深度約為孔徑的五倍，且錐度很大；多次照射則深度大大增加、錐度減小、孔徑幾乎不變。5Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.305.3.1 激光打孔v 激光打孔的主要影響因素（續）w 工件材料各種工件材料吸收光譜不同，相當一部分能量將被反射或

14、透射掉，必須根據工件材料的吸收光譜合理選擇激光器。對于高反射率和透射率的工件，采用打毛或黑化，增大對激光的吸收效率。工件表面粗糙度值越小，吸收效率越低，打的孔也就愈淺。6Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.315.3.1 激光打孔Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.325.3.1 激光打孔Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.335.3.2 激光切割v激光切割原理w 基于聚焦后的激光具有極高的功率密度使得工件材料瞬時氣化蝕除。w 工件和激光束具有相對移動（一般移動工

15、件）。w 一般采用高重復頻率的脈沖激光器。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.345.3.2 激光切割v激光切割的特點w 能夠加工各種各樣的材料，金屬、玻璃、陶瓷、木材、布、紙張等；w 適合于異形孔加工，精密零件的窄縫切割切割；w 切割深寬比大；w 切口質量良好，邊緣平滑，無切割殘渣，熱影響區域小；w 具有較高的加工效率，加工成本可顯著降低。國外汽車70%的部件切割焊接采用激光加工Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.355.3.2 激光切割Precision Engineering Lab., Xiamen

16、 Univ.365.3.2 激光切割Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.375.3.3. 其他應用v激光焊接w 利用聚焦后的激光，將工件的加工區“燒熔”，使其粘合在一起。所需能量密度較低，功率密度一般為105106W/cm2。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.385.3.3. 其他應用v激光焊接的特點w 激光照射時間短，焊接過程極為迅速，不僅有利于生產率的提高，而且被焊材料不易氧化，熱影響區域小熱影響區域小。w 可以透過透明體進行焊接，防止雜質污染和腐蝕，適適宜于精密儀表宜于精密儀表、真空儀器元件的焊接。w 具有熔化凈化效應，能純凈焊縫金屬純凈焊縫金屬，無焊渣，無需去除工件的氧化膜，焊縫的機械性能在各方面都相當于甚至優于母材。Precision Engineering Lab., Xiamen Univ.395.3.3. 其他應用v激光淬火w 采用功率密度為103105W/cm2的激光，短時間（102min