工程材料的激光加工开放实验优秀课件

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1—激 光 ； 2—被 焊 接 零 件 ； 3—被 熔 化 金 属 ； 4—已 冷 却 的 熔 池
图7-12 激光焊接过程示意图
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（四）激光表面处理 当激光的功率密度约为103～105 W/cm2时，便可实现对铸铁、 中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.7～1.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光淬火变形小，还能解决低碳钢 的表面淬火强化问题。图7-13为激光表面淬火处理应用实例。
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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的过程，称为“跃迁”。
在基态时，原子可以长时间的存在，而在激发状态的各种高能级的 原子停留的时间一般都较短。但有些原子或离子的高能级或次高能级却有着 较长的寿命，这种寿命较长的较高能级，称为亚稳定能级。
内的200 多种疾病。
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固体激光器的基本结构示意图
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封离式CO2激光器结构示意图
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（二）导光聚焦系统 根据被加工工件的性能要求，光束经放大、整形、聚焦后作用于加工部 位，这种从激光器输出窗口到被加工工件之间的装置称为导光聚焦系统。 （三）激光加工系统 激光加工系统主要包括床身、能够在三维坐标范围内移动的工作台及机 电控制系统等。随着电子技术的发展，许多激光加工系统已采用计算机来控制 工作台的移动，实现激光加工的连续工作。
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（简称LBM lasser beam machining）。激光加工可以用于打孔、切割、焊接、热处理等各 个领域。

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二、激光加工的合理工作参数 (2)
（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。
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二、激光加工的合理工作参数 (3)
（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Si3N4、SiC和Al2O3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N2。
一、激光加工系统的组成(1)
激光加工机床如激光打孔机和激光切割机除具有一般机 床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装 置外，主要应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦 系统和电气系统三部分组成的。
1．激光器 激光器由激光光源、光泵、聚光器和谐振腔组成，应 用于加工的激光器主要有： (1)固体激光器 具有稳定性好的特点，但能量效率低， 一般<3%。由于输出能量小，主要用于打孔和点焊及薄 板的切割。
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三、激光焊接技术（7）
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CO2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。

激光加工技术1）CO2和Nd:YAG激光器。

激光器1.Nd:YAG激光器N d:Y A G激光器的激光工作物质为固态的N d:Y A G棒，其激光波长为1.06μm。

由于该种激光器的激光转换效率较低，同时受到Y A G棒体积和导热率的限制，其激光输出平均功率不高。

但由于N d:Y A G激光器可以通过开关压缩激光输出的脉冲宽度，在以脉冲方式工作时可获得很高的峰值功率（108W），适用于需要高峰值功率的激光加工应用；N d:Y A G 激光器另一大优点是可以通过光纤传输，避免了复杂传输光路的设计制作。

2.CO2激光器C O2激光器的激光工作物质为C O2混合气体，其主要应用的激光波长为10.6μm。

由于该种激光器的激光转换效率较高，同时激光器工作产生的热量可以通过对流或扩散迅速传递到激光增益区之外，其激光输出平均功率可以做到很高的水平，满足大功率激光加工的要求。

国外用于激光加工的大功率C O2激光器，主要是横流、轴流激光器。

横流激光器的光束质量不太好，为多模输出，主要用于热处理和焊接；轴流激光器的光束质量较好，为基模或准基模输出，主要用于激光切割和焊接。

由于CO2和Nd:YAG激光器具有巨大的功率输出，能够通过热积累效应使得大量热能沉积在辐照区域导致材料熔融、蒸发、去除。

用这种激光作用到加工材料上时，由于光波产生的电磁场与材料要相互作用，光能可以转化为热能并进一步转化为化学热、机械能，因此材料的被加工区域通常会发生升温、熔化、汽化、等离子化等多种物理或化学变化，所以可以被广泛用于切割、打孔、焊接、淬火和切削加工等机械制造领域。

激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光热处理和表面处理技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光打标技术、、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术等。

激光加⼯课件资料讲解激光加⼯课件⼀、激光介绍1.1 激光的产⽣1.1.1光的物理状态㈠光的电磁学说：在⼀定波长范围内的电磁波。

λ——波长 C ——频率 V ——波速㈡光的量⼦说：光是在⼀定波长范围内的电磁波，⼀种具有⼀定能量的以光速运动的粒⼦流（光⼦）。

不同频率的光对应不同能量的光⼦。

E ——光⼦能量；v ——光的频率；h ——普朗克常数；1.1.2原⼦的发光㈠基态：电⼦在最靠近原⼦核的轨道上运动时，原⼦所处的能级状态称为基态。

㈡激发态：当外界传给原⼦⼀定的能量时，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（⾼能态）。

㈢跃迁：原⼦从⾼能级回到低能级的过程称为“跃迁”。

被激发到⾼能级的原⼦不是很稳定，总是⼒图回到能量较低的能级去。

具有亚稳态能级的原⼦和离⼦的存在是形成激光的重要条件。

㈣光辐射：当原⼦从⾼能级跃迁回到低能级或基态时，常常以光⼦的形式辐射出光能量。

㈤⾃发辐射：原⼦从⾼能级⾃发地跃迁到低能级⽽发光的过程称为⾃发辐射。

（⽇光灯发光）各受激原⼦跃迁回到基态的时序先后不⼀，且具有多个能级，因此⽅向性、单⾊性都很差。

㈥受激辐射：满⾜⼀定频率要求的⼀束光⼊射到具有⼤量激发态原⼦的系统中，刺激处在激发能级上的原⼦跃迁回到低能级，同时发出⼀束与⼊射光具有相同特性（频率、相位、传播⽅向、偏振⽅向等）的光。

1.1.3激光产⽣的条件㈠粒⼦数反转：具有亚稳态能级结构的物质，在⼀定外来光⼦能量激发条件下，吸收光能，使处于亚稳态（⾼能级）的原⼦数⽬⼤于处于基态（低能级）的原⼦数⽬的现象。

㈡受激辐射：在粒⼦数反转的状态下，⼀束光⼦⼊射该物体，当光⼦能量恰好等于两个能级相对应的能量差时，产⽣受激辐射，输出⼤量光能。

㈢激光具有⼀般光的共性（反射、折射、⼲涉等），也有其特性。

（受激辐射） c v λ=E hv =()1n v E E h =-强度、亮度和能量密度⾼：⼀台红宝⽯激光器的亮度是太阳表⾯亮度的两百多亿倍。