第五章 激光加工.ppt

1、第五章 激光加工Laser Beam Machining,第一节 激光加工的原理和特点第二节 激光加工的基本设备第三节 激光加工工艺及应用,激光加工技术,激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学，在材料加工方面，已逐步形成一种崭新的加工方法激光加工（Lasser Beam Machining简称LBM）。激光加工可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理、以及激光存贮等各个领域。由于激光加工不需要加工工具，而目加工速度快、表面变形小，可以加工各种材料。 激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工各种材料的。,第一节 激光加工的原理与特点 （一

2、）光的物理概念及原子的发光过程 1光的物理概念 光具有波粒二象性。根据光的电磁学说，可以认为光实质上是在一定波长范围内的电磁波。 人们能够看见的光称为可见光，它的波长为0.40.76 m。可见光根据波长不同分为红、橙、黄、绿、蓝、青、紫等七种光，波长大于0.76的称红外光或红外线，小于0.4的称紫外光或紫外线。,根据光的量子学说，又可以认为光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流，这种具有一定能量的粒子就称为光子。不同频率的光对应于不同能量的光子，光子的能量与光的频率成正比，即,一束光的强弱与这束光所含的光子多少有关，对同一频率的光来说，所含的光子数多，即表现为强；反之，表现为弱。,2原子的发

3、光 原子由原子核和绕原子核转动的电子组成。原子的内能就是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。如果由于外界的作用，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。 基态：只有电子在最靠近原子核的轨道上运动才是最稳定的，人们把这时原子所处的能级状态称为基态。 激发态：当外界传给原子一定的能量时（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。,下图是氢原子的能级，图中最低的能级E1称为基态，其余E2、E3等都称为高能态。,跃迁：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能级去，原子从高能级回落到低能级

4、的过程称为“跃迁”。 亚稳态能级：有些原子或离子的高能级或次高能级有较长的寿命，这种寿命较长的较高能级称为亚稳态能级。 能级激光器中的氦原子、二氧化碳分子以及固体激光材料中的铬或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。,当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常常会以光子的形式辐射出光能量，所放出光的频率与高能态En和低能态E1之差有如下关系,自发辐射：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。 受激辐射：当一束光入射到具有大量激发态原子系统中，若这束光的频率与 很接近，处在激发能级上的原子，在这束光的刺激下会跃迁回较低能级，同时发出一束光，这束光与入射

5、光有着完全相同的特性，它的频率、相位、传播方向、偏振方向都是完全一致的。这样的发光过程称为受激辐射。,（二）激光的产生 粒子数反转：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“粒子数反转”。,在粒子数反转的状态下，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对应的能量差，这时就能产生受激辐射，输出大量的光能。,二、激光的特性 激光也是一种光，它具有一般光的共性，也有它的特性。激光发射是以受激辐射为主，发光物质中基本上是有组织地、相互关联地产生光发射的，发出的

6、光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系。 （一）强度高 一台红宝石脉冲激光器的亮度要比高压脉冲氙灯高三百七十亿倍，比太阳表面的亮度也要高二百多亿倍。激光的亮度和强度特别高。激光的强度和亮度之所以如此高，原因在于激光可以实现光能在空间上和时间上的亮度集中。,（二）单色性好 “单色”指光的波长（或者频率）为一个确定的数值，实际上严格的单色光是不存在的。单色光都是指中心波长为0谱线宽为的一个光谱范围。称为该单色光的谱线宽，是衡量单色性好坏的尺度，其值越小，单色性就越好。,（三）相干性好 光源的相干性可以用相干时间或相干长度来量度。 相干时间：是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时

7、间间隔。 相干长度：在相干时间这个最大的时间间隔内光所走的路程（光程）就是相干长度。它与光源的单色性密切有关，即,式中 L相干长度；,光源的中心波长；,光源的谱线宽度。,（四）方向性好 光束的方向性是用光束的发散角来表征的。普通光源由于各个发光中心是独立地发光，而且各具有不同的方向，所以发射的光束是很发散的。即使是加上聚光系统，要使光束的发散角小于0.l sr，仍是十分困难的。激光则不同，它的各个发光中心是互相关联地定向发射，所以可以把激光束压缩在很小的立体角内 ，发散角甚至可以小到0.110-3sr左右。,三、 激光加工的原理与特点 1. 激光加工的原理 由于激光的发散角小和单色性好，理论上

8、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1081011 W/cm2，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。,激光加工示意图,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) 激光能聚焦到微米级，输出功率可以调节，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)

9、是非接触加工，没有明显的机械力，没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化。还能通过透明体进行加工，如对真空管内部进行焊接加工等。,(5) 和电子束加工等比较起来，激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。 (6) 是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多，因此，精微加工时，精度尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证。 (7) 加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。,第二节 激光加工的基本设备,一、激光加工机的组成部分： 激光器：电能光能，产生激光束 激光器电源：提供所需的能量及控制功能 光学系统：激光聚焦系统和观察瞄准系统（观察

10、和调整激光束的焦点位置） 机械系统：床身、能在三坐标范围内移动的工作台、电控系统,2、按工作方式分类,连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1017W ）,激光器的种类：,固体 （如红宝石Al2O3） 液体 （如某些染料） 气体 （如He-Ne、CO2）,1、按激活介质的种类分类,（一） 固体激光器,1.固体激光器的基本组成： 工作物质、光泵（脉冲氙灯）、玻璃套管、滤光液、冷却水、聚光器、谐振腔等,光学谐振腔作用： 是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。如图，凡不沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内

11、继续前进，并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束，这就是激光。,1. 红宝石激光器：红宝石是掺有质量分数为0.05氧化铬的氧化铝晶体，发射=0.6943m的红光，稳定性好。红宝石激光器是三能级系统，主要是铬离子起受激发射作用。 在高压氙灯的照射下，铬离子从基态E1被抽运到E3吸收带，由于E3平均寿命短，在小于10-7s内，大部分粒子通过无辐射跃迁落到亚稳态E2上，E2的平均寿命为310-3s，比E3高数万倍，所以在E2上可贮存大量粒子，实现E2和E1能级之间的粒子数反转，发射激光

12、。,2. 钕玻璃激光器：钕玻璃是掺有少量氧化钕（Nd2O3）的非晶体硅酸盐玻璃，钕离子（Nd3+）的质量分数在15左右，发射=1.06m的红外激光。钕玻璃激光器是四能级系统，有中间过渡能级，比三能级系统更容易实现粒子数反转。,处于基态E1的钕离子吸收氙灯的很宽范围的光谱而被激发到E4能级，E4能级的平均寿命很短，大部分通过无辐射跃迁到E3能级。E3能级寿命可长达310-4s，所以形成E3和E2能级的粒子数反转，当E3能级粒子回到E2能级时，发出红外激光。,3.掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器：YAG是在钇铝石榴石（Y3Al5O12）晶体中掺以1.5左右的钕而成。是四能级系统激光器，产生激光的也是

13、钕离子，也发射=1.06m的红外激光。 其价格比钕玻璃贵，但由于其性能优越，广泛用于打孔、切割焊接、微调等工作。,（二）气体激光器 气体激光器效率高、寿命长、连续输出功率大。 二氧化碳激光器：以二氧化碳气体为工作物质的分子激光器，连续输出功率可达万瓦，是目前连续输出功率最高的气体激光器，它发出的谱线是在10.6m附近的红外区，输出最强的激光波长为10.6m 。 氩离子激光器：是氩（Ar）通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光 。氩离子激光器发出的谱线很多，最强的是波长为的0.5145m绿光和波长为0.4880m的青光。由于波长短，可用于精密微细加工 。,第三节 激光加工工艺及应用,一、激光打孔 二、激光切割 三、激光刻蚀打标记,一、激光打孔,一、 激光打孔,主要影响因素 输出功率和照射时间 焦距与发散角 焦点的位置 光斑内的能量分布 多次照射 工件材料,3.焦点位置,4.光斑内的能量分布 a）基模光束 b ）非基模光束 c）基模和高次模光束,5.激光的多次照射 孔深增加、锥度减小，孔径不变。,6.工件材料,不同的材料吸收的光谱不同，需要根据材料选择激光器。 表面粗糙度对加工深度有影响,二、激光切割,激光切割的原理和激光打孔原理基本相同。激光切割采用重复频率较高的脉冲激光器或连