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激光技术-长春工业大学
激光技术-长春工业大学
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3 激光加工基本设备
1)激光器
激光器是激光加工的核心设备,通过它可以把电能转化成光能, 获得方向好、能量密度高、稳定的激光束。按材料分:固体激光 器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器及自由电子激光器。 按工作方式分:连续激光器和脉冲激光器。
2)激光器电源 激光电源根据加工工艺的要求,为激光提供所需的能量及控制 功能。由于激光器的工作特点不同,对供电电源的要求也不同。 3)光学系统 光学系统包括聚焦系统和观察瞄准系统。聚焦系统的作用是把 激光引向聚焦物镜,并聚焦在加工工件上;为了使激光束准确 地聚焦在加工位置,要有焦点位置调节以及观察描准系统。 机械系统主要包括床身、工作台和机电控制系统。
激 光 加 工 技 术
长春工业大学工程训练中心
李晓路
二十世纪四大发明——
半导体; 原子能;
计算机; 激光
主要内容
1 激光的产生及其特性 2 激光加工的基本原理及特点 3 激光加工的基本设备 4 激光加工技术的应用
1.1激光的产生
光的产生与光源内部原子运动状态有关,原子内的原子核 和核外电子间存在着吸引和排斥的矛盾,电子按一定的 半径的轨道围绕原子核运动。当原子接受一定的外来能 量或向外释放一字的能量时,核外电子的运动轨道半径 将发生变化,即产生能级变化,这就是发光的原理。 激光是通过入射光子影响处于亚稳态高能纺的原子、离 子或分子跃迁到低能能而完成受激辐射时发出的光,简 言之,激光就是受激辐射得到的加强光。
2.2激光加工的特点
6)通用性强 用一台激光器改变不同的导光系统,可以处理各种形状和尺寸 的工件。也可以选择适当的加工条件,用同一台装置进行切割、 打孔、焊接和表面处理等多种加工。 7)节能节材 激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10~1000倍,激光切割 可以节省材料15%~30%。 8)激光可通过光学透明介质(玻璃、空气、惰性气体和某些液体)对工件 进行加工。 不足点 激光加工是一种瞬时、局部的熔化和气化加工,影响因素多。因此, 微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保证。此外对具有高 热传导率材料的加工较困难。
主要的应用有:打孔、切割、焊接、热处理、雕刻、微调和快 速成型。
4.1激光打孔
激光打孔特点
1)可加工精度高、深径比大的微小孔 2)能加工小至几微米的小孔 3)可加工异型孔 4)能在所有金属和非金属材料上打孔
5)容易实现自动化,加工效率高
提高打孔精度的措施
1)投影法打孔 2)光柱法打孔 3)激光脉冲的调制 4)喷气加工
2.1激光加工的基本原理
固体激光器加工简图 1-全反射镜 2-激光工作物质 3-激励能源 4-部分反射镜 5-透镜 6-工件
2.2激光加工的特点
1)适应性强 激光加工的功率密度高,几乎能加工任何材料,如各种金属、 陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。
2)加工精度高 激光束可聚焦成微米级的光斑(理论上直径可小于1um)适合 精密微细加工。
4)机械系统
4 激光加工技术的应用
慨述 激光加工应范围很广,其原因是其输出功率较大,既可脉冲输出,也可连 续输出;激光束既可以聚焦成小的光斑,也可聚焦成直线或其他开状;功率密 度可调范围大;激光可以在不同的环境下工作;同时也能很方便地用在其他方 法不易加工的地方。 材料加热温度的高低主要取决于激光辐射功率密度。功率在103~104/cm2时 只能加热材料,在105~106/cm2时,材料开始熔化;到106~107/cm2以上时材料则 产生蒸发。激光辐射在加工材料上引起的作用不仅与辐射的功率密度有关,还 与辐射的延续时间有关,调节这两个参数,便可以得到不同的工艺规范,进行 加工。
5)能以简单的措施实现光束偏转,更适用于复杂零 件焊接
4.4激光热处理
激光热处理的特性
1)处理速度快 2)变形小 3)效率高
4.5激光微调
4.6激光雕刻
4.7快速成型
普通光源 亮度
电灯:约470sb 太阳:约1.65X105 sb 无确定方向、发散角大、难 会聚
激光光源
红宝石激光器,约 1.65X1015sb 功率1000MW/cm2 发散角小到0.1mrad(近似 平行光),光束会聚其焦点处 光斑10um
方向
单色性 相干性
ห้องสมุดไป่ตู้
-7 氪灯的光源谱线宽为0.0047Å 激光的谱线宽度为10 Å
激光的产生
如图所示
放電
-
稳定状態
原子核
当外加能量为零 时,分子处于稳 定状态。
原子结构
・激光的发生原理
激励
放電
- - -
还原
光
-
原子核
原子核
激励状態 当原子获得高能量时 其结构处于不稳定状態
不稳定的原子放出激光后, 还原到原来的稳定状态。
・激光的发生原理
激励
还原
激励
还原
電極
熱
激光
電極
1.2 激光的特性
4.2激光切割
激光切割特性
1)能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆 材料 2)切割精度高 3)非接触切割 4)切割速度高 5)切割的深宽比高 6)切割质量优良
7)可与计算机数控技术结合,实现自动化加工
4.3激光焊接
激光焊接特性
1)激光照射时间短,焊接过程极为迅速 2)具有熔化净化效应,能纯净焊缝金属 3)能量密度高,对高熔点、高导热率材料焊接有利 4)可透过透明体焊接,防止杂质污染和腐蚀
氪灯光源的相干长度78cm
激光的相干长度可达几十公里
2.1激光加工的基本原理
激光加工是一种重的高能束加工方法,它是利 用激光高强度、高亮度、方向性好、单色性好的特 性,通过一系列的光学系统聚焦成平行度很高的微 细光束(直径几微米至几十微米),获得极高的能 量密度(108~1010W/cm2)照射到材料上,使材料在 极短的时间内(千分之几秒甚至更短)熔化甚至气 化,以达到加热和去除材料的目的。
3)加工质量好 激光加工能量密度高,热作用时间很短,整个加工区几乎不受热 的影响,工件热变形极小,故可加工对热冲击敏感的材料。 4)加工速度快 激光打孔只需0.01s,切割比常规方法提高效率8~20倍,激光焊 接可提高效率30倍,微调薄膜电阻可提高1000倍,提高精度1~2 效率高 数量级。 5)容易实现自 激光束传输方便,易于控制,便于与机器人、自动检测、计算 机数字控制等先进技术相结合。 化加工
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