（机械设计及理论专业论文）高速激光打孔加工的技术研究.pdf

摘要 当今对小孔的需求越来越大，而在机械加工中，孔的加工特别是小孔加工是最为 困难的，本文是基于激光打孔具有许多优点，进行理论和实际分析。 本文通过分析打孔的机理，以便掌握激光与物质相互作用的打孔过程。激光加工 的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，从而达到 打孔的目的。本文详细介绍了激光打孔设备的各组成部分。利用有限元软件a n s y s 对打孔的热场分布进行分析。采用合金钢进行实验，利用测量仪器测量实验数据，并 且利用m a t l a b 软件对激光打孔的工艺进行了分析和研究，得出了激光打孔中的参 数：脉冲能量、脉冲数量、脉冲宽度、离焦量、脉冲重复频率，对激光打孔质量的影 响，总结出激光打孔的最优参数。本文同时讨论了高速激光打孔的基本原理，利用旋 转棱镜对运动工件进行打孔，与传统激光打孔方式相比大大提高了打孔速度。 关键字：激光打孔，打孔设备，热场，高速打孔。 a b s t r a c t n o w a d a y st h en e e do ft h ep i n h o l ei sm o r ea n dm o r eu g e m ，b u ti nm a c h i n i n g , t h e p r o c e s s i n go fh o l ee s p e c i a l l yt h ep i n h o l ei st h em o s td i f f i c u l t b a s e do nt h ea d v a n t a g e so f l a s e rd r i l l i n g , t h i sp a p e rm a d es o m e a n a l y s i si nt h e o r i e sa n dp r a c t i c e sf i e l d b ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fd r i l l i n g , t h i sp a p e rw i l le l a b o r a t et h ed r i l l i n gp r o c e s s w i t hi n t e r a c t i o nb e t w e e nm a t e r i a la n dl a s e r t h ec s s e n c eo fl a s e rp r o c e s si st h a tl a s e r t r a n s f e r se n e r g yt ot h em a t e r i a lb e i n gp r o c e s s e d ，a n dt h em a t e r i a lb e i n gp r o c e s s e du n d e r g o e s s o m ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a n g e ss oa st od r i l lo nt h et a r g e tm a t e r i a l t h i sd i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e se v e r yp a r to ft h ew h o l el a s e r d r i l l i n gs y s t e m i n d e t a i l ，a n da n a l y z e s t h e t e m p e r a t u r ef i e l do fd r i l l i n g i nt h ee x p e r i m e n to fa l l o ys t e e l ，m a k e sr i s eo ft h em e a s u r i n g i n s t r u m e n tf o rg e t t i n gt h ee x p e r i m e n td a t a ，a n d ，m a k e ss o m ea n a l y s i sa n ds t u d i e so nl a s e r d r i l l i n gp r o c e s sb ym a t l a b ，a n dt h e ns o m ep a r a m e t e rh a sb e e no b t a i n e d ，s u c ha sl a s e r e n e r g yd e n s i t i e s ，p u l s en u m b e r , p u l s ew i d t h ，o f f - f o c u so f f s e ta n dr e p e a tf r e q u e n c y , a n dt h e i n f l u e n c et ot h eq u a l i t yo f d r i l l i n g ，s u m su pt h eo p t i m a ll a s e rd r i l l i n gp 盯a m e t e r s m e a n w h i l e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fh i g hs p e e dl a s e rd r i l l i n g , m a k e su s eo fr o t a t i n gp o l y g o n m i r r o rt od r i l lo nm o v i n gw o r k p i e c e ，i m p r o v et h ed r i l l i n gs p e e dg r e a t l yc o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lw a y k e yw o r d s ：l a s e rd r i l l i n g ，l a s e rd r i l l i n ge q u i p m e n t ，h o tf i e l d ，h i i g hs p e e dl a s e rd r i l l i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所星交的硕士学位论文，高速激光打孔加1 ：的技术研究是本人在指 导教师的指导f ，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识剑本声明的法律结果由本人承担。 作者签名；j ? 逊年- 三月2 汩 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”， 同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权长春理工大学可咀将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：1 矽编杪 指导导师签名： 年三月墨日 年土月丛日 1 1 引言 第一章绪论 激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，也是激光加工的主要应用领域之一 l l j 。随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，许 多高精尖产品的关键部分都有许多小微孔，以提高产品的性能。而传统的加工方法已 不能满足某些工艺需求。例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径，在硬质碳化 钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几十微米的深孔以及金刚石拉丝模具、 化学纤维的喷丝头；在高密度多层柔性线路板微通道及芯片封装设备中，大量微小孔 的加工；在高脆性氧化硅陶瓷材料微小孔加工等。这一类的加工任务用常规的机械加 工方法很难，有时甚至是不可能的，而用激光打孔则不难实现。激光束在空间和时间 上的高度集中，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得很高的功率密度，几乎可以对 任何材料进行激光打孔。 1 2 激光打孔国内外发展现状 激光打孔已有3 5 年的发展历史，已广泛的应用与各种机械加工领域之中，尤其是 8 0 年代采用调q 方法产生高峰值功率窄脉宽的激光脉冲可以打出中o 1 m m 深5 删小 孔。9 0 年代开始采用声光调q 脉冲 r d ：y a g 激光器产生高峰值功率、窄脉宽、高重复 率的激光打孔，由于光束质量好，所以工件打孔重复性好对应于打孔技术的不断进步， 打孔的设备也不断的提高。近年来，国内外激光打孔机整机水平处在一个迅速发展的 阶段，激光器输出功率逐渐提高，脉冲宽度越来越窄，频率范围越来越宽，其他参数 也越来越朝着有利于打孔的方向发展。导光系统和激光打孔机的控制部分的柔性不断 r 1 提高，使得打孔范围不断扩大。h 国内已形成商品的激光打孔机有几十种，除了大专院校和科研院所之外，专门经 营制造激光设备的公司也逐渐增多。这表明中国的激光加工正朝着产业化方向发展。 难题。国内于1 9 6 5 年5 月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。 1 9 7 0 年，国内的几家大手表厂已经使用红宝石激光器和钕玻璃激光器对手表宝石轴承 进行打孔。目前较成熟的激光打孔的应用是在人造会刚石和天然会刚石拉丝模的生产 及手表宝石轴承的生产中。【3 】 长春光机学院于8 6 年完成无烟水松纸高速打孔机柴油机喷油嘴的打孔、啤酒厂用 不锈钢滤片的打孔( 深2 m m ，孔西o 2 m m ) 。吉林工大8 0 年代末研制出超声激光脉 冲打孔，北京6 2 5 所用脉冲c o ，激光器对叶片打孔。 1 9 9 3 年我国的科研人员用激光在8 m m 厚的硬质合金上打出孔径为0 0 1 o 6 m m 的深 微孔；而在多种非金属材料上如人造钻石、陶瓷、玻璃、人类牙齿上打孔也相当的成 功，孔径可以d n0 0 3 r a m ，最小孔径可达到6 朋，深度l o m m ，而且孔的圆度也较 理想。f 】 国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打 孔的迅速发展，主要体现在打孔用y a g 激光器的平均输出功率已由5 年前的4 0 0 w 提 高到了8 0 0 w 至1 0 0 0 w 。打孔峰值功率高达3 0 - 5 0 k w ，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重 复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔 速度，也扩大了打孔的应用范围。 对应于打孔技术的不断进步，打孔的设备也不断的提高。近年来，国外激光打孔 机整机水平处在一个迅速发展的阶段，激光器输出功率逐渐提高，脉冲宽度越来越窄， 频率范围越来越宽，其他参数也越来越朝着有利于打孔的方向发展。导光系统和激光 打孔机的控制部分的柔性不断提高，使得打孔范围不断扩大。 随着科学技术的飞跃发展，在机械加工领域中，带有小孔的零件材料越来越多， 并且对孔的精度和尺寸要求越来越高，孔径越来越小。同时，工件的材料多种多样， 既有金属也有非金属，还有许多难加工的材料。国外激光加工机床在8 0 年代发展极为 迅速。例如，激光加工机床的品种在1 9 8 1 年仅有4 种，而到了1 9 8 5 年就增加到了1 9 种，1 9 8 0 年激光加工机床的销售额仅为1 9 7 0 年的1 1 7 倍，而1 9 8 2 年就猛增到了1 9 7 0 年的2 0 7 倍。1 9 8 4 年，美国拥有6 0 0 0 台激光加工机床。机床的销售量，每年平均增 长2 0 ，这在机床工业史上是罕见的。 8 0 年代的中后期，以美国、德国为代表的工业发达的国家已将激光加工深微孔技 术大规模的应用到飞机制造业等行业。例如，1 9 8 4 年美国一家发动机制造厂利用激光 打孔设备对涡轮发动机零件进行数万个冷却孔加工；1 9 8 5 年英国的一家公司用高功率 的激光束精确可控的自l i d , 孔，在0 0 5 英寸厚的不锈钢和钛板上加工出孔径为0 0 2 5 英寸的小孔3 5 万个；1 9 8 2 年国外的某公司在透平压缩机燃科室衬砌里加工直径为 1 1 7 1 2 5 m 小的小孔9 0 0 0 多个，且大多数孔对工件表面成2 5 。角，燃料室衬砌是由 2 3 6 m m 厚的长方形耐高温的镍基合金块组成，加工难度大；1 9 8 6 年原苏联基辅工学院 用工业激光器在硬质合金毛坯上打中心孔，孔径为0 6 1 o m m ，深度为6 m m 。 9 0 年代，国外激光加工机生产技术同趋完善，激光打孔朝着多样化、高速度、孔 径更微小的方向发展。各国开始采用声光调q 脉冲n d ：y a g 激光器产生高峰值功率、 2 窄脉宽、高频率的激光打孔，由于光束质量好，工件打孔重复性好，已广泛的应用与 各种机械加工领域之中。美国休斯公司相干公司、格鲁门公司、美国的b o c 公司、日 本的产业株式会社等均推出5 3 0 j 的激光打孔机产品。丹麦一家公司研究出高速打孔 技术，在3 m m 厚的不锈钢材料上以6 5 孔秒的速度打孔，而在1 m m 厚的不锈钢上以 1 0 0 孔秒的速度打出高质量的孔，以这样超级打孔的速度在1 小时内可加工出以往需 要5 天才能打出的同样数量的孔。日本在厚l 研研的氮化硅板上打出孔径0 2 m m 的孔， 在0 0 5 r a m 的陶瓷薄膜上加工出孔径0 0 2 t o n i 的孔；而在钛、白金、钨、钼等难加工 的材料上也进行了有效的激光加工丹麦一家公司研究出高速打孔技术，在3 m m 厚的不 锈钢材料上以6 5 孔秒的速度打孔，而在1 m n 厚的不锈钢上以1 0 0 孔秒的速度打出高 质量的孔，以这样超级打孔的速度在1 小时内可加工出以往需要5 天才能打出的同样 数量的孔。日本在厚1 m m 的氮化硅板上打出孔径0 2 m m 的孔，在o 0 5 小m 的陶瓷薄膜 上加工出孔径0 0 2 m m 的孔，而在钛、白金、钨、钼等难以加工的材料上也进行了有效 的激光加工。 工业发达国家都把激光加工技术作为提高生产效率和竞争能力的手段之一，希望 能在进入光技术全盛时代的2 1 世纪初期，在光技术领域处于世界领先地位，因此投入 大量的人力和物力展开激烈的竞争。德国大量投资于商品化激光加工机的生产线，目 前有6 5 0 家企业研究和应用激光加工技术，到2 0 0 0 年将增至3 0 0 0 家。据预测，日本 激光加工机床的产值到2 0 0 0 年为1 9 8 0 年的1 7 8 倍。目前，日本己进入激光加工技术 的普及时代。在美国，激光加工技术应用最多的是航空、航天、电子、汽车等行业， 直接或间接从事航空航天工业的3 0 0 0 多家公司均采用了激光n t 技术。1 5 】 但是不论国内或国外激光打孔机都存在着共同缺点：( 1 ) 打孔重复精度差；( 2 ) 打孔锥度大；( 3 ) 孔边产生裂纹；( 4 ) 小于f 0 5 m m ，h d25 小锥度的孔加工仍是 难题。 1 3 激光打孔的优点【6 】 激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级 从而每平方厘米可获得1 0 5 1 0 ”w 的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以对任 何材料实行激光打孔，而且与其它方法如机械钻孔、电火花加工等打孔手段相比，具 有以下显著的优点： 1 ，激光打孔速度快，效率高，经济效益好。由于激光打孔是利用功率密度为每平方 厘米1 0 7 1 0 8 w 的高能激光束对材料进行瞬间作用，作用时间只有1 0 一1 0 - 3 秒，因 此激光打孑l 速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合，通过微处 理机进行程序控制，可以实现高效率打孔。在不同工件上激光打孔与电火花打孔及机 械钻孔相比，效率提高1 0 1 0 0 0 倍。另外，激光打孔过程与工件不接触，省去了一般 3 机械加工方法所造成的钻头断裂、磨损、更换刀具等工序的麻烦。 2 激光打孔可获得大的深径比。一般情况下，机械钻孔和电火花打孔所获得的深 径比值不超过1 0 。使用增设腔内光栏，增加q 开关或调整导光系统参数的方法，来改 变打孔光束质量时，很容易获得高质量、大深径比的小孔。例如：在碳钢上，通过对 导光系统参数进行调整，可加工出深度1 6 2 r a m ，孔径0 2 5 r a m 的小孔，其深径比可达 6 5 ：1 。 3 激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。高能量激光束打孔不受材料的硬 度、钢性、强度和脆性等机械性能限制，它既适于金属材料，也可用于一般难以加工 的非金属材料，如红宝石、蓝宝石、陶瓷、人造金刚石和天然金刚石等。由于难加工 材料大都具有高强度、低热导率、加工易硬化、化学亲和力强等特点，因此在切削加 工中阻力大、温度高、工具寿命短。而用激光在这些难加工材料上打孔，以上问题将 得到解决。 4 激光打孔无工具损耗。激光打孔为无接触加工，避免了机械钻微孔时易断钻头、 废品率高的问题。 5 激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。由于激光打孔机可以和自动控制 系统及微机配合，实现光、机、电一体化，使得激光打孔过程准确无误地重复成千上 万次。通过程序控制可以连续、高效地加工出小孔径、数量大、密度高的群孔板。 6 用激光可在难加工材料倾斜面上! j n l 4 孔。对于机械钻孔和电火花打孔这类接 触式打孔来说，在倾斜面上特别是大角度倾斜面上打小孔是极为困难的。倾斜面上的 小孔加工的主要问题是钻头入钻困难，钻头切削刃在倾斜平面上单刃切削，两边受力 不均，产生打滑难以入钻，甚至产生钻头折断。如果为高强度、高硬度材料打孔几乎 是不可能的。而激光却特别适合于加工件与工件表面成6 。9 0 。角的小孔，即使是在 难以加工材料上打斜孔也很容易。 1 4 研究的目的和意义 机械加工中，孔的加工特别是小孔加工是最为困难的。目前随着汽车、冶金、航 空、航天、微电子工业、化学纤维、自动控制及医疗器械等科学技术和工业生产的发 展。对于深径比较大的小孔的应用日益广泛。同时这些零件的材料多种多样，既有金 属，也有非金属，还有很难加工的金刚石材料等。这些对, j , t l 加工技术提出了新的要 求，迫切需要一种新型、高效的小孔加工技术。目前，已发展了大约有5 0 余种微小深 孔的加工方法，以用于不同情况的小孔加工技术。 由于激光打孑l 过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，无污染。因为这种打 孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残 渣，因而十分卫生。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域 均较小，不需要特殊保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真 4 空中或其它条件下的工件进行打孔。 本文研究来源于“十一五”期间科研项目。课题的主要研究目的是研制激光打孔 装置。并进行打孔实验，测定和评价数控激光打孔机的效果和性能，分析影响小孔质 量的各个主要因素，研究激光打孔工艺。 1 5 本文研究内容 本课题主要从以下三个方面重点研究。 1 激光打孔的机理 激光打孔的过程是激光的热加工过程，它的实质是激光将能量传递给被加工材料， 被加工材料发生物理或化学变化，从而达到打孔的目的。通过分析打孔的机理来掌握 激光打孔的影响的因素，以便打出高质量的孔。 2 热力学仿真 目前对激光打孔的结果，大多是采用加工后的测量评价，或是根据经验对加工工 艺参数进行选择，缺乏科学的依据。本部分基于算法更优的有限元法，利用有限元软 件对激光打孔的热力场进行仿真分析。 3 工艺分析 从实验数据得出激光能量、脉宽、频率、脉冲数目、离焦量、重复频率和辅助气 体对打孔的影响。 4 高速激光打孔技术 与传统激光比高速激光打孔技术不仅提供了非常高的打孑l 结果，也能得到更高的打 孔质量，高速打孔技术打每个孔所耗的成本要比传统的打孔技术所需的成本要低的多。 本部分通过分析打孔速度的影响因素，总结可行方案进行高速打孔。 第二章激光打孔基本原理 2 。1 激光产生的基本原理【，l 原子由原子核和核外电子组成。原子的内能就是电子绕原子核转动的动能和电子 被原子吸引的位能之和。如果由于外界作用，使电子与原子核的距离增大或缩小，则 原子的内能也随之增大或缩小。只有电子在最靠近原子核的轨道上运动才是稳定的， 人们把这时原子所处能级状态称为基态。当外界传给一定的能量时( 例如用光照射原 子) ，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，称为激发态或高 能态。图2 1 是氢原子的能级，图中最低能级e 。称为基态，其余e ：、e ，等都称为高能 态。 艟缓8 r j 基杏 1 35 3 能 量 增 加 1 2 1 l 也 l d l 5 图2 1 氢原子能级图 被激发到高能级的原子一般是很不稳定的，它总是力图回到能量较低的去， 原子从高能级回落到低能级的过程称为“跃迁”。 在基态时，原子可以长时间地存在，而在激发状态的各种高能级的原子停留时间 ( 称为寿命) 一般都较短，常在0 0 1ps 左右。但有些原子或离子的高能级或次高能级 却有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级称为亚稳念能级。激光器中的氦原子、二 氧化碳分予以及固体激光器中的钕离子等都具有亚稳态能级，这些亚稳态能级的存在 是形成激光的重要条件。 当原子从高能跃迁到低能级或基态时，常常会以光子的形式辐射出光能量，所放 出光的频率v 与高能态e 。和低能态e ，之差有如下关系： l g 一f v = = l _ 二1 f 2 1 1 h 、 式中h 普朗克常数。 原子从高能态自发地跃迁到低能态而发光的过程称为自发辐射，日光灯、氙灯等 6 光源都是由于自发辐射而发光的。由于各个受激原子自发跃迁返回基态时在时序上杂 乱无章；辐射出来的光子在方向上四面八方。加上它们的激发能级很多。自发辐射出 来光的频率和波长大小不一，所以单色性很差，方向性也很差。 物质的发光，除自发辐射外，还存在一种受激辐射。当一束光入射到具有大量激 发态原予的系统中，若这束光的频率。 v = ( e ：一e ，) 肛很接近，则处在激发能级上的原子，在这柬光的刺激下会跃迁到较低能 级，同时发出一束光，这束光与入射光有完全相同的特性，它的频率、相位、传播方 向、偏振方向都是完全一致的。因此可以认为它们是一模一样的，相当于把入射光放 大了，这样的发光过程叫做受激辐射。 某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的条件下，会吸收光 能，使处在较高能级( 亚稳态) 的原子( 或粒子) 数目大于处于低能级( 基态) 的原 子数目，这种现象称为“粒予数反转”。在粒子反转的状态下，如果有一束光子照射该 物体，而光子的能量恰好等于这两个能级相应的能量差，这时就能产生受激辐射，输 出大量的光能。 例如人工晶体红宝石，基本成分是氧化铝，其中掺有0 0 5 的氧化铬，铬离子镶嵌 在氧化铝的晶体中，发射激光的是正铬离子。当脉冲氙灯照射红宝石时，处于基态e ， 的铬离子大量激发到e 。状态，由于e 。寿命很短，e 状态的铬离子又很快的跳到寿命 较长的亚稳态e ，。如果照射光足够强，就能在千分之三秒时间内把半数以上的原子激 发到高能级e 。，并转移到e ，从而在e ，和e ：之间实现粒子数反转，如图2 2 所示。 e3 三 ， 己 i f _ hvj hv = 己一eu ，77 一 】v 、 f ，77 7 迁 图2 2 粒子数反转的建立和激光形成 这时当有频率为y = ( e ：一) h 的光子去“刺激”它时，就可以产生从能级e ：到 e - 的受激辐射跃迁，出现雪崩式连锁反应，发出频率pi ( ：一曩) h 的单色好的光，这 就是激光。 7 2 2 激光与物质的相互作用机理i s l 2 2 1 激光与物质作用概述 激光加工的前提是激光为被加工材料所吸收并转化为热能。在不同的功率密度等 条件下，材料表面区域发生各种不同的变化。这种变化包括温度升高、熔化、汽化、 形成小孔和等离子体云等。材料表面区域物理状态的变化反过来又极大地影响材料对 激光的吸收。因而有必要讨论各种物理状态下的材料与激光的相互作用。材料在激光 作用下的不同状态如图2 3 所示。 b c d ) 图2 3 材料在激光作用下的不同状态 a ) 周态加热；b ) 表层熔化：c ) 表层熔化，形成增强吸收等离子体云： d ) 形成小孔及阻隔激光的等离子体云 激光功率密度较低( 对钢铁材料，c o ，激光，功率密度i ( 1 0 4w c m 2 ) 、辐照时间 较短时，被辐照材料由表及里温度升高，但维持固相不变。随着激光功率密度的提高 和辐照时间的加长( 对钢铁，1 0 4 缈伽2 1c 1 0 6 w c m 2 ) ，材料表面逐渐熔化，其液相 一固相分界面以一定速度向材料深部移动。进一步提高功率密度和加长作用时间( 对钢 铁，i 一1 0 6w c m 2 ) ，材料表面不仅熔化。而且汽化，汽化物聚集在材料表面附近并 微弱的电离形成等离子体，有助于材料对激光的吸收。在汽化膨胀压力下，液态表面 变形，形成凹坑。再进一步提高功率密度和加长辐照时间( 对钢铁，1 0 6w c m 2 ) ， 材料表面强烈汽化，形成较高电离度的等离子体，它阻隔激光对材料的辐照。在较大 的汽化膨胀压力下，材料表面生成小孔，它有利于增强材料对激光的吸收。 就材料对激光的吸收而言，材料的汽化是一个分界线。表面没有汽化，不论材料 处于固相还是液相，其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化：而一旦材 料出现汽化并形成等离子体和小孔，材料对激光的吸收会发生突变，其吸收率决定于 等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。图2 4 为激光加热过程中测得的工件 表面对激光的反射率变化。当功率密度大于汽化阈值( 1 0 6 w c m 2 ) ，反射率r 突然降 至很低值，材料对激光的吸收剧增，打孔深度突然增加。此证实了材料汽化在吸收激 光过程中有突出作用。 8 ，裂协秒妒茹 ， 量巧，幺苈热 图2 4 反射率随激光功率密度的变化 2 2 2 激光与材料相互作用的一般规律 激光入射材料表面，一部分反射，一部分进入材料内部。对于不透明物质，透射 光被吸收。其吸收率或辐射率为： a ，一r ( 2 2 ) 只为反射率。吸收的光在材料内部穿透。按朗伯定律，随穿透路程的增加，光强 按指数规律衰减，深入表面以下x 处的光强为： ，g ) z i o e 一 ( 2 3 ) i 。为表面0 - o ) 处的透射光强，a 为材料的吸收系数。如把光在材料内的穿透深 度定义为光强降至，。扣时的深度，则穿透深度为1 a 。 r 、4 及口之值可由材料的光学常数或复数折射率的测定值进行计算。对光具有 吸收的材料的复折射率为： 肼。打一玻 ( 2 4 ) 垂直入射下的反射率为： r 一黜等 汜的 吸收率为： a 。竺 ( 2 6 ) 。瓦面可 z 6 吸收系数为： a 一旬破肌 ( 2 7 ) 光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料相互作用的结果。 光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电矢量的步调振动起来。由于电子比较 轻，通常被光波激发的是自由电子或束缚电子的振动。红外光的频率较低，它也有可 9 能激起非金属中较重的带电粒子( 离子) 的振动。由于带电粒子的振动，原子将成为振 荡电偶极子而辐射出次电磁波即次波。次波之问以及次波与入射波问是相干的，从而 形成一定的反射波和透射波。 如上所述，物质吸收激光后先产生的不是热、而是某些质点的过量能量一自由电 子动能、束缚电子激发能、或者还有过量声子。这些有序的原始激发能经历两个步骤 转化为热能。第一步是受激粒子运动空间和时间随机化。此过程在粒子碰撞时间( 动量 弛豫时间) 内完成，此时间比最短的激光脉冲宽度还短，甚至可能短于光波周期。第二 步是能量在质点间的均布。这个过程包含有大量碰撞和中间状态，其中可能存在若干 能量转换机制，每种转换又具有特定的时间常数。例如金属中受激运动的自由电子通 过与晶体点阵碰撞将多余能量转化为晶体点阵的振动。 为描述激光辐照的热效果，人们常常忽略复杂的具体的弛豫途径，而用一总的能 量弛豫时间表示辐照区内能量均匀化过程的特征。对于金属，f ，的典型值为1 0 “j ； 而对于非金属，f ，- 1 0 。2 1 0 。8 s - 1 。具体数值与材料和辐照激光的功率密度有关。对 于一般激光加工，均可认为材料吸收的光能向热能的转换是瞬间发生的。在这个瞬间， 热能仅仅局限于材料的激光辐照区。通过随后的热传导，热量由高温区流向低温区。 2 3 金属对激光的吸收【8 】 金属中存在密度很大的自由电子。自由电子受到光波电磁场的强迫振动而产生次 波。这些次波造成了强烈的反射波和比较弱的透射波。而透射波又在很薄的金属表层 被吸收。因而金属表面对激光常有较高的反射率。特别是频率较低的红外光，其光子 能量较低，主要只能对金属中的自由电子起作用反射强烈。而频率较高的可见光和紫 外光，光子能量较大，可对金属中的束缚电子发生作用，束缚电子的固有频率常处在 可见光和紫外光区。束缚电子的作用将使金属的反射能力降低，透射能力增大，增强 金属对激光的吸收。 对于从波长为0 2 5 a n 的紫外光到波长为1 0 6 o n 的红外光这个波段范围的测量结 果表明，光在各种金属内的穿透深度为l o n m 数量级，作用深度很浅。金属对光的吸收 系数很大，约为1 0 5 1 0 6 c m 。金属对激光的吸收与波长、材料性质、温度、表面状 况、偏振特性等一系列因素有关，分别讨论如下。 2 3 1 波长 金属材料的复折射率的实部n 和虚部k 是波长和温度的函数。在 1 0 图2 53 ( o k 。下钛的矗、k 、a 值随波长的变化 3 0 0 k 下钛的一、k 值及相应的吸收率爿值随波长的变化如下图2 6 。在 0 4 , u m a 1 0 , u r n 波段内，n 、k 随a 变化较小，a 值较大。波长较长时，n 和k 值随a 的加大而急剧增加，在1 0 z m 波长处，a 至一个很低的数值【“。 有关钛的测定结果对金属材料有代表性。图2 4 为常用金属在室温下的反射率与 r ，1 波长的关系曲线”。在红外区，近似有a “a7 z ，随着波 2 6 金属反射率与波长的关系 a ：银b ：铜c ：铝d ：镶e ：碳钢 长的增加，吸收率减小。多数金属对1 0 6 9 m 波长红外光反射强，而对1 0 6 n n 波长红外 光反射较弱。室温下各种金属在几种特定激光波长下的吸收率见表2 1 1 6 j 所示。 2 3 2 材料性质 由图2 4 可见，在可见光及其邻近区域，不同金属材料的反射率呈现出错综复杂 的变化。但在a ，2 u r n 的红外光区，所有金属的反射率都表现出共同的规律性。在这 个波段内，光子能量较低，只能和金属中的自由电子耦合。自由电子密度越大，自由 电子受迫振动产生的反射波越强，反射系数越大。同时自由电子密度越大，该金属的 电阻率越低。因此，一般导电性越好的材料，对红外光的反射率越高。计算表明，吸 收率与电阻率问存在以下关系： a ；0 3 6 5 ( p a y 2 0 0 6 6 7 ( p a ) * 0 0 0 6 ( p a ) 纠3 ( 2 8 ) 式中p 为电阻率，单位为q c m ，波长a 的单位为c m 。对于a 1 0 6 p m 的红外光，上 式可变换并简化为： a 1 0 6 1 1 2 p v 2 ( 2 9 ) 此关系已经为不同抛光金属表面的吸收率的测定试验所证实【9 】。 表2 - 1 室温下各种金属在几种特定激光波长下的吸收率 激光器氢离子红宝石l “g c 0 2 波长5 0 0 h m7 0 0 n m1 0 6 p r o1 0 6 p m 铝 o 0 9o 1 l0 0 80 0 1 9 铜o 5 60 1 7o 1 0o 0 1 5 金 0 。5 8o 0 7o 0 1 7 铁0 6 80 6 40 0 3 5 铅 0 3 8o 3 50 1 60 0 4 5 镍o 4 0o 3 20 2 6o 0 3 铂 o 2 lo 1 5o 1 1 0 0 3 6 银 0 0 50 0 4o 0 4o 0 1 4 钨o 5 5 o 5 0 0 4 10 0 2 6 锌0 1 60 0 2 7 2 3 3 温度 在不同的光波波段内，吸收率与温度的关系呈现出不同的趋势。a t l z m 时，吸收 率与温度的关系比较复杂，但总的来说。其变化比较小。在可见光区，吸收率通常随 温度的升高而稍有减小。某些金属对l p t n 波长光波吸收率随温度变化的实验结果如图 2 7 【1 q 所示。 a ，2 p t m 时，吸收率与电阻率怕j 存在式( 2 1 0 ) 的关系。电阻率随温度升高而加大， 有 p - p 2 0 ( 1 + r 丁) ( 2 1 0 ) 式中p 。为室温下的电阻率，为电阻率的温度系数，r 为温度。将式( 2 1 0 ) 代入( 2 9 ) ， 可计算不同温度下的吸收率。吸收率随温度升高而增加。 对于波长为1 0 6 p m 的激光，有 a 一1 1 2 l o 。( 1 + r 丁2 ( 2 1 1 ) 此关系不仅适用于固态金属，对液态合属也是正确的。 1 2 图2 7 几种金属对1 0 6 u m 波长光吸收率与温度关系 各种金属材料的p 。和，值列于表2 - 2 8 1 。 表2 - 2 各种金属材料的p 2 0 值和r 值 淄度，c 材料 p r 材料 p rl o o “q 硎 ( 1 0 。q c 研、 ( 1 0 。q 册1f 1 0 。q 册1 【o c - -j【o c 一- j 铝2 8 23 6镍7 2 45 4 黄铜 8 o o 1 5 锌5 9 2 3 5 青铜 8 0 03 5 银 1 6 23 6 康铜 4 9 00 0 1 合金钢 1 5 o1 5 铜 1 7 24 o 低碳钢 1 5 03 3 金 2 4 23 6 结构钢 1 2 03 2 殷钢 7 82 o 锡 1 1 44 o 铁9 8 05 0 钨 5 5 05 2 现举例计算如下：低炭钢的p 2 0 - 1 5 x l o 。q c n ，一3 3 x 1 0 - 3 q c m 。c ，由此算 得其室温下的吸收率为4 ，在1 5 0 0 。c 下的吸收率增至l o 。按照式( 2 1 5 ) 算得的若 干金属对1 0 6 a n 红外光吸收率随温度的变化如图2 6 所示。大部分固相金属材料的光 洁表面对1 0 6 朋l 波长激光的吸收率均不超过1l 。 温度，c 图2 8 几种金属对1 0 6 i 删波长光吸收率与温度关系 2 3 4 表面状况 由表2 - 2 可见，室温下金属表面对可见光的吸收率比对1 0 6 肼波长红外光的吸收 率几乎大一个数量级。表中的吸收率是采用光洁的金属表面测得的。而在激光加热的 实际应用中，由于氧化和表面污染，实际金属表面对红外激光的吸收率比上述数值要 大得多。而表面状况对可见光吸收率的影响则较小。因而实际上金属表面对1 0 6 o n 波 长红外光和可见光的吸收率之间并没有那么大的差别。 图2 9 为3 0 4 不锈钢( 美国牌号) 表面在不同温度下在空气中氧化一分钟后对 1 0 6 l 堋波长红外光的吸收率与氧化温度的关系。在高温下形 氧化温度，c 图2 93 0 4 不锈钢对1 0 6 a n 波跃光吸收率与表面氧化情况的关系 成的氧化膜使吸收率显著增加。在一定温度下氧化层厚度是时问的函数，因而对激光 的吸收率也是( 氧化) 时间的函数。 金属材料对c o ，激光的吸收率随温度升高而显著增加，其原因之一是金属的电阻 率随温度增加，另一方面也是金属在高温下更易氧化所致。此外，表面粗糙度对吸收 率亦有显著影响，试验表明，粗糙表面与镜面相比，吸收率可提高一倍。表面涂层是 增加金属表面对激光吸收的有效方法。 1 4 2 4 光致等离子体 2 4 1 光致等离子体的形成 由激光辐照材料所产生的等离子体为光致等离子。激光加工过程中形成光致等离 子体的前提是材料被加热至汽化。 例如，当用高斯光束辐照半无限体表面，光斑中心处的温升为： r ( o ，删一面a o j 毗孚 ( 2 1 2 ) 式中，为光斑中心处的激光功率密度，甜为光斑半径，k 为材料的导热系数，口为 材料的热扩散率。 图2 1 0 汽化阅值功率密度与作用时阃 图2 1 0 为按式( 2 1 2 ) 所得的钢材汽化阈值功率密度，。与辐照时间，( 激光脉冲 宽度) 的关系曲线。当脉冲宽度短时，几乎不存在横向热传导的影响，。与光斑半径 无关。当脉冲较长时，横向热传导变得显著起来，小光斑半径的光束要在较高功率密 度下才能实现汽化。图中还标出了采用y a g 和k r f 脉冲激光的试验结果。测得值为产 生光致等离子体的功率密度和作用时间。 材料蒸汽的密度与激光将材料加热到其汽化温度后的剩余功率成正比。对于上述 情况，材料表面的蒸汽密度为 n “卜，- 风乒r c 喀譬】 ( 2 1 3 ) 式中瓦为材料的汽化温度。 材料蒸汽中有一定的自由电子。处在激光辐照区的自由电子通过反韧致辐射吸收 激光能量而被加速，直至其有足够的能量来碰撞电离材料蒸汽和周围气体，电子密度 从而雪崩式地增长。这个过程可以近似地用微波加热和产生等离子体的经典模型描述。 决定电子密度，l 。的是以下速率方程 鲁础j r 研一r 。 ( 2 1 4 ) 式中r 1 为电离速率，r 研为扩散速率，r 。为复合速率 决定电子平均能量f 的方程为： 阼，i d e 。a 一只一r i 0 乏+ 歹) + r 。( e l e 。+ 手) ( 2 1 5 ) a l 式中口为等离子体对激光的吸收系数，为电子弹性碰撞的功率损失，e 为电离能，e 。 为激发能，j k 为电子、离子、电子三体碰撞的复合的速率。 等离子体内电子密度的最大值由下式确定 t o ，- f p 2 以( 帆) r ( 2 1 6 ) 式中为激光频率，。为等离子体振荡频率，e 为电子电荷，占。为真空介电常数， m 。为电子质量。如果m n ，。，则入射激光为等离子体所反射，等离子体不能维持。 激光加工过程中的光致等离子体一般为材料蒸汽的等离子体，因为材料蒸汽温度 高，常用金属材料的电离能又比较低，低于保护气体的电离能，因而材料蒸汽较周围 气体易于电离。但在激光功率密度很高及周围气体流动不畅时，也可能发生周围气体 击穿产生等离子体。 2 4 2 等离子体在能量传输中的作用 等离子体通过反韧致辐射吸收激光能量，其吸收系数由下式确定 口。，羔生、 石嘲 ( 2 1 7 ) 式中v 。为电子一原子离子间的碰撞频率，c 为光速。对于，t o 。，匕的通常情 况，有 a k 护。，l ，a 2 ( 2 1 8 ) k 。为常数，以。为蒸汽密度。 等离子体吸收激光，只有部份激光能穿透它，到达工件表面。从而降低了工件对 激光总的吸收率。但是等离子体吸收的光能又可以通过下列不同渠道传至工件：( 1 ) 等 离子体与工件接触面的热传导；( 2 ) 等离子体辐射易为金属材料吸收的短波长光波：( 3 ) 材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。如果等离子体传至工件的能量大于 等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失，则等离子体反而增强了工件对激光能量 的吸收。否则，就是等离子体阻隔了激光，减弱了工件对激光的吸收。 以上情况可以通过图2 1 1 形象地加以说明。设在工件表面存在厚度为h 的等离子 体云，入射光的功率密度，经过等离子体吸收，射到工件表面的激光功率密度为，。 i 。t i e x p ( 一础) 等离子体吸收的功率密度( ，一，) 中有声部分经过上述各种机制传a i 1 6 件，则注入工件的总功率密度可近似表示为 一。，。( ，一只) ，+ 卢( ，一，。) - ， ( ，一r - 卢) e x p “一砌) + 卢) 】 式中a 。为当量吸收率。它的大小由下式决定： a i 。( ，一只一卢) e x p ( 一砌) + 卢 圈 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 图2 1 1 弱等离子体影响工件对激光吸收 不存在等离子体时，工件表面对激光的吸收系数4 - ，一r 。对于c o ：激光，金属 表面的反射率很高，吸收率很低。当户大时。有可能出现4 ，a 的情况，等离子体加 强了工件对激光的吸收。而当芦很小以至趋近于零时，4 - ( ，一r ) e x p ( 一a h ) ，显然有 4 ( 爿，等离子体阻挡了工件对激光的吸收。卢的大小取决于等离子体云是否贴近工 件表面，这是由激光功率密度的大小决定的。 激光功率密度较低，处于形成光致等离子体的阀值附近时，较稀薄的等离子体云 聚集于工件表面，工件通过等离子体吸收能量。当材料汽化和形成的等离子体浓度间 形成稳定的平衡状态时，工件表面有一较稳定的等离子体层，如图2 1 2 所示。它的存 在有助于加强工件对激光的吸收。对于y a g 激光加工钢材，与上述情况相应的激光功 率密度为1 。l x l 0 6 t e c m ：。由于等离子体的作用，工件对激光的总吸收率可由1 0 左 右增至3 0 一5 0 。 | 璺j2 1 2 等离子体云对激光与j ：件耦合的不同影响 激光功率密度较高时( ，：1 0 6 1 0 7w c m 2 ) ，等离子体的温度高，电子浓度大，对 激光的吸收系数大，而且高温等离子体迅速膨胀，逆着激光入射方向传播，其速度可 j 2 5 _ l o o m s 数量级，形成所谓激光维持的吸收波。由于卢小、a 大，当量吸收系数爿减 1 7 小以至降到零时，激光对工件表面的辐照完全被等离子体所截断，工件表面的汽化过 程终止，等离子体逐渐减少以至消失。与此同时，逆着激光入射方向传播的等离子体 扩散到激光功率密度较低的区域，温度和密度降低，变得透明，激光加热工件表面的 过程重新开始。等离子体的形成和消失形成周期性的振荡，如图2 1 2 上部所示。这种 激光维持的吸收波最易出现于激光焊接。必须加以抑制。 进一步增加激光功率密度( y a g 激光i