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1、第五章 激光加工,激光加工产生于上世纪60年代初，目前主要用于打孔，切割 焊接，表面热处理，激光刻字等领域。,Lasser Beam Machining,激光加工是利用光的能量经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材料的。,阳光聚焦后为什么不能进行加工呢？ 地面阳光的能量密度不高； 阳光不是单色光；,本章的主要内容： 第一节 激光加工的原理和特点 第二节 激光加工工艺及应用,第一节 激光加工的原理和特点,一 激光产生的原理,1 光的物理概念,根据光的电磁学说，光实质上是一定波长范围内的电磁波。,根据光的量子学说，可以认为光是一种具有一定能量的光速运动的光子流，光子的能量为：,
2、一束光的强弱与所含的光子数量有关。,2 原子的发光,基态：原子内电子在最靠近原子核的轨道上运动最稳定，原子内能最低。,当原子接受一定的外部能量 时，其内能增加，外层电子 轨道半径扩大，被激发到高 能态，称为激发态或高能态。 除了基态的其他状态都被称为 高能态。,处于高能态的原子一般是不 稳定的，它总是力图回到较低 的能级去，这一过程成为“跃迁”,在基态时，原子可以长时间稳定存在，但在高能态时原子停留的时间一般都较短（0.01us）,但有些原子或离子却能在高能级或次高能级有较长的寿命，这种具有较长寿命的较高能级称为亚稳态能级。这为激光的产生创造了物质条件。,3 激光的产生,以人工晶体红宝石产生激
3、光为例来说明激光的产生。,人工晶体红宝石基体成分为氧化铝，其 中掺有0.05%的氧化铬，铬离子镶嵌在氧 化铝的晶体中，能发射激光的就是铬离 子。当用脉冲氙气灯照射红宝石时，使 处于基态E1的铬离子大量激发到En状态， 由于En状态寿命很短，铬离子又很快跳 到寿命较长的亚稳态E2。这时如果有一束 频率为 的光子去照射“刺激”它时， 就可以产生从能级E2到E1的受激辐射跃迁， 出现雪崩式连锁反应，发出频率为 的单色性很好的光，即激光。,二 激光的特性,1 激光强度高。原因在于激光可以实现在空间和时间上的亮度 集中。,2 激光单色性好。激光光子的频率几乎相同。,3 激光相干性好。 激光的相干性可以用
4、相干时间和相干长度来衡量。相干时间 是指光源先后发出两束光能够产生干涉现象的最大间隔时间。 在相干时间内光所走过的路程（光程）就是相干长度。,4 激光方向性好。,三 激光加工的特点,1 聚焦后，激光加工的功率密度可达到108-1010W/cm2，转化成 热能后，几乎可以熔化、气化任何材料。耐热合金，陶瓷，石英、 金刚石等都能加工。,2 激光光斑的大小可以聚焦到微米级。可以用作微细加工。,3 激光加工用的是激光束，是非接触式加工，没有明显的机械 切削力，没有工具损耗问题，加工速度快，热影响区小。,4 和电子束加工相比，加工装置简单，不需要复杂的抽真空系统。,5 激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化
5、加工，加工过程影响因 素较多，在微细加工时，重复精度和表面粗糙度不容易保证。,6 加工中产生金属气体和火星等飞溅物，要注意通风，戴防护镜。,第二节 激光加工工艺及应用,一 激光打孔加工 二 激光切割加工,一 激光打孔加工,影响激光打孔精度和质量的主要因素有：,1 激光输出功率和照射时间,输出功率越大，照射时间越长，工件获得的激光能量越大。,2 焦距和发散角,为了获得较好的孔的质量和精度，要求减少激光的发散角 以实现能量集中，并尽可能采用短焦距加工（20mm）。,3 焦点位置,结论：激光打孔时，焦点应处于工件表面或略微低于工件表面为宜。,4 光斑内的能量分布,5 激光多次照射,结论：多次照射的焦点位置宜固定在工件表面而不宜逐渐下移。,二 激光切割加工,激光可以用于切割各种各样的材料，如金属材料，还可以切割 非金属；既可以切割无机物，也可以切割有机物，如皮革。还 可以切割布料、纸张、木头等。,在切割金属时，采用同轴吹氧工艺，可以大大提高切割速度。,在切割布匹、纸张、木材等易燃材料时，采用同轴吹保护气， 如二氧化碳或氮气等，以防止烧焦和缩小切缝。,
