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1、激光制造技术基础、展望及创新应用,设计：秦应雄,内容提纲,一,二,三,四,五,一、激光概述,什么是 Laser ? 激光与普通光有何区别 ？ 如何产生激光？ 激光发展历史？,激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”和“神奇的光”。,Laser,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射的光放大”,激光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译。 1964年我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。,激光是一种
2、能在空间和时间上高度集中的电磁波。,1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同 研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光， 这是公认的世界上第一台激光器。,激光的发展,1917年，爱因斯坦在玻尔原理结构基础上，提出 了受激辐射理论，为激光出现奠定了理论的基础。,1958年Schawlow和Townes在Phy. Rev. 上发表论 文 “Infrared and Optical Maser”，标志着激光作为 一种新事物登上了历史舞台。-激光之父,1960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器； 1960年12月，BELL实验室的Javan，B
3、ennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器； 1962年，GaAs半导体激光器； 1963年，液体激光器； 1964年，CO2激光器； 1964年，离子激光器； 1964年，Nd：YAG固体激光器； 1965年，HCl化学激光器； 1966年，生物染料激光器； 从1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念到1960年第一台激光器诞生，其间用了近半个世纪，而实际上却没有太多理论上的突破？,激光器的发展史,1、激光的单色性好： 单色性最好的氪灯Kr86 =4.710-3 nm 稳频He-Ne激光器 =1.010-9 nm,激光四个特性：单色性、相干性、方向性、高亮度,激光,普通光,应用：医
4、学、测量、武器。,激光特性,由于受激辐射的光子在振动、频率、相位高度一致，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。应用：光纤通信，全息技术。,2、激光的相干性好；,相位相同,相位不同,3、激光的方向性好； 一束激光射到38万km的月球上，光斑的直径只有2km。 光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。,激光,普通光,利用激光的高方向性，控制和导引武器准确到达目标，是激光制导。激光制导武器，就如同给武器安上了激光“眼睛”，使它们抗电磁干扰能力极强，命中率极高。也就是说，利用激光为导弹、炸弹或炮弹瞄准
5、，可以指哪打哪，百发百中。,应用：测量、武器。,2015年日本大阪的研究人员研制出输出功率达到2拍瓦的激光器激光快速点火实验平台 (LFEX)。激光器释放的能量相当于全世界电力消耗的100倍，最高温度可达到1亿度。,4、激光的高能量密度（高亮度）,2017年10月24日，中科院上海光机所和上海科技大学超强激光光源联合实验室成功实现了10拍瓦激光放大输出，这是目前已知的世界最高激光脉冲峰值功率。,由于激光的空间相干性和方向性，经光学系统聚焦，可以产生极高功率密度，如1051013W/cm2功率密度。,激光产生的条件,激光产生原理：,不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最低的能级称为基态，其余
6、的称为高能态，或激发态。 原子从高能态E2跃迁到低能态E1时，会向外发射某个频率为v 的光辐射，满足普朗克公式： h = E1 - E2 = AE 式中h为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为 的辐射时，就会从低能态E1跃迁到高能态E2。,一般而言 ，激光的产生需要3个条件 ： 工作物质、激励源、 谐振腔。 工作物质在激励源的作用下发生粒子数反转，通过谐振腔内的振荡和放大，产生正反馈式的连锁反应，从而发射出频率、方向、偏振状态、相位一致的光激光。,激光器的组成：,1. 工作物质 2. 激励源 3. 腔镜,三个组成部分,1. 受激辐射 2. 粒子数反转分布 3. 激光谐振腔,二、激光器,按工作物质
7、激光器的分类：,固体激光器、全固态激光器 气体激光器 半导体激光器 染料激光器（液体激光器） 化学激光器 X射线激光器 自由电子激光器等,其他分类方法：激励方式，运转方式，输出波段,光纤激光器？,光纤激光器,半导体激光器,He-Ne激光器,薄片激光器,倍频Nd:YAG激光器,各种激光器的特点,气体激光器 体积较大、寿命较长、高功率、价廉 化学激光器 高功率、大体积 灯泵固体激光器 光束好、高功率、寿命短、大体积 半导体激光器 体积小、寿命长、光束差、功率低 全固态激光器 体积小、寿命长、光束好、高功率,激光波长范围遍布红外、可见、紫外、X射线的所有区域。,激光波长分布,常用工业激光器参数对比,
8、三、激光制造技术,激光与材料的相互作用 常见激光制造技术的分类 典型激光制造工艺及应用,激光与材料的相互作用（Laser- Matter Interaction）,什么是激光与物质相互作用？,激光束投射到物质表面（或内部）时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，从而发生能量的转移与传递，能量转移与传递引起各种物理、化学和生物等效应与过程，从而由此引出了很多新的应用。,能量转移和传递过程,(a) 转移过程：,光能转化热能,光能直接作用在微观粒子上,(b) 传递过程：,热传导、对流、传质,神奇的效应,（a）物理效应：,升温、相变、熔化、气化,激光诱导化
9、学反应,(b) 化学效应：,(c) 生物效应：,光动力、光去除,激光制造,增材制造,等材制造,减材制造,激光制造分类,激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法。,激光熔覆技术,预置铺粉方式,同步送粉方式,同轴送粉,旁轴送粉,数控激光熔覆系统,激光立体成形（3D打印）技术,激光立体成形技术（Laser Solid Forming，LSF）的基本原理是：首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后
10、将该模型按一定的厚度分层“切片”，即将零件的三维数据信息转换成一系列的二维轮廓信息，再采用激光熔覆的方法按照轮廓轨迹逐层堆积材料，最终形成三维实体零件或需进行少量加工的毛坯。,预置粉末打印技术,同步送粉打印技术,3D打印零件,激光焊接技术,激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，可分为热传导和深熔焊。,热传导焊,深熔焊,深熔焊焊缝,热传导焊焊缝,最大熔深：大于50mm,桑塔纳车身激光焊接制造,远距离高速扫描焊接,高功率CO2激光 焊接系统,高功率光纤激光焊接系统,激光焊接应用,激光切割技术,利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随
11、着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的（如0.1mm左右）切缝，完成对材料的切割。,热成型、激光切割、焊接一体自动化生产线,四、激光加工技术特点,激光加工的特点： 由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特性，因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点： 由于它是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形； 高能量激光束的能量及其移动速度均可调，可以实现多种加工的目的。-多用途 激光加工过程中无刀具磨损，无切削力作用于工件； 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响区小、工件热变形小后续加工最小；
12、由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工，可实现高度的自动化和精准化，柔性大； 它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。-难加工材料 它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。,存在的主要问题 面向专业领域的中高端激光加工成套装备和配套技术不能满足行业需求； 产业链各环节之间的合作融合不够； 目前激光器及辅助设备的价格较高。,小结： 随着激光加工技术研究的深入和应用的拓展，正向着更完善和成熟的加工质量实时监控、高光束质量、高可靠性、专用化、智能化和机器人化方向发展，在工业制造领域的应用会越来越广泛，将会逐步取代传统落后的加工方法。,焊接专业,就业,考研,焊接方向,其他专业方向,焊接专业可以考材料加工工程、材料学、材料科学与工程、航空工程、激光工程、机器人自动化等专业,其他专业考焊接专业比较困难,航天，航空、高铁、核电、工程机械石油化工、钢铁、电子通讯、船舶制造、汽车制造、机器人等领域的研究机构或大型国营企业、外资与合资企业以及政府相关职能部门 。,焊接专业发展：,谢谢大家！,
