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1、第二章 激光加工的关键技术在以往的生产加工过程中,经常会遇到下面这样的难题: (1) 零件的形状既小又复杂,即便是用最小的刀具也无法进行理想的加工。(2) 为了加工出微型的零件,不得不用很小的铣刀、钻头等刀具,但刀具的寿命非常短,或者很容易断裂,很难保证零件的精度和一致性。(3) 使用电加工的方式来加工一些小型的复杂零件,但所需使用的电极数量太多,准备电极所需的时间大大加长了生产周期,并且生产成本很高。激光加工可以很好的解决这些加工难题。而且生产周期短，生产成本低。目前使用的激光加工工艺方法主要包括：切割、焊接、快速成型、打孔、打标、雕刻、划线、表面处理等等。这一章将主要论述激光加工及激光加工
2、的关键技术激光加工系统和激光加工技术。第一节 激光加工一、激光加工的概念和特点激光加工是指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变，或物体性能改变的加工过程。是利用激烈的局部加热融化和气化材料产生“自由电子的迅速释放，然后与金属的离子结构相互作用引起局部激烈声振子和声子”，结果产生了具有宽顶带辐射的“羽状烟柱”强烈的热效应。按光与物质相互作用机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工系指激光束作用于物体所引起的快速热效应的各种加工过程；激光光化学反应加工系指激光束作用于物体，借助高密度高能量光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，也称为冷加工。热加工和冷加工均可对金
3、属材料和非金属材料进行切割、打孔、刻槽、标记等。热加工对金属材料进行焊接、表面强化、切割均极有利；冷加工则对光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化很合适。激光热加工的光源主要采用红外激光器，如CO2激光器、CO激光器和Nd：YAG激光器。激光光化学反应加工的光源主要采用紫外激光器，如准分子激光器。激光加工与其它方法比较，有如下的一些优越性；1光点小、能量集中、加工点位置以外的热影响小；由于光束照射到物体的表面是局部的，虽然加工部位的热量很大、温度很高，但移动速度快，对非照射的部位没有什么影响因此，其热影响区很小。2无接触加工，对工件不污染；激光加工就是将激光束照射到加工物体的表面，用以去除或熔化材料
4、以及改变物体表面性能从而达到加工的目的，因此属于无接触加工。其主要特点是无惰性，因此其加工速度快、无噪声。由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的，因此可以实现各种加工的目的。3能穿过透光外壳对密封的内部材料进行加工；4加工精确度高，适用于自动化。激光束易于导向、聚焦和发散。根据加工要求，可以得到不同的光斑尺寸和功率密度。通过外光路系统可以使光束改变方向，因而可以与数控机床、机器人连接起来，构成各种极灵活的加工系统。二、激光加工的一般原理激光加工大多基于光对非透明介质的热作用，也即吸收光能引起的热效应。因此，激光光束特性、材料对光的吸收作用和导热性等对激光加工有很大影响。用于激光加工的激光
5、束常用基模(TEM00)，因为，它有轴对称的光强分布，能达到最佳的激光束聚焦。当高斯光束入射到焦距为f的透镜面的光束截面半径为，则由短焦距透镜聚焦后，焦点处的光斑截面半径0近似为从而可以算出经透镜聚焦后焦平面上的功率密度。如果激光是高阶横模，光束具有非轴对称结构，光斑尺寸比基模显著增大，在激光总功率相同的情况下，焦点处的功率密度将减小。由于在大多数金属中等离子频率远大于阻尼因子，因此，在激光频率远小于等离子频率时，折射率和消光系数迅速增大，此时，激光被金属反射，吸收很少；在等离子频率附近时，折射率出现一个极小值，而消光系数值单调下降，因此，在等离子频率附近激光被较好的吸收；激光频率继续上升，远
6、大于等离子频率时，折射率迅速趋近于1，而消光系数迅速变为0，因此，金属对激光是透明的。事实上，金属对除了极高能紫外线和更高频的x射线激光是透明的外，对其余辐射都是不透明的；而金属的等离子频率处于紫外到近红外波段，因此从近红外激光、可见激光到紫外激光对金属加工较为有利；对远红外激光，金属儿乎是反射的，因此对金属进行加工时，若是用远红外激光，就必须对表面采取必要的增强吸收的有效措施，或者使用超高能激光束。当光波照射在不透明物体表面时，使一部分光被反射，另一部分光被吸收。对多数金属来说，在光学波段上有高的反射率(70一95)，大的吸收系数105106cm)。一般认为光在金属表面层里，能量就被吸收掉了
7、，并把吸收的光能转化为热能，使材料局部温度升高，然后以热传导方式把热传到金属内部。此外，金属的反射率与金属的表面状况有关，粗糙的表面和有氧化物膜层的表面较之光滑表面有更小的反射率。非金属材料的反射率和吸收系数则在很大的范围内变化。因为金属表面层吸收的光能转化为热能，而热能又以热传导的方式继续向材料深处传递，所以金属的导热性对材料的加热影响很大。根据热传导理论可以计算激光照射下被加工材料表面的温度和内部的温度分布。知道温度场分布对判断能进行什么加工提供依据。例如进行焊接必须达到材料的熔化温度，而打孔、切割一般必须达到汽化(沸点)温度。长脉冲或连续激光正入射时，光点中央的温度值T与被吸收的光功率、
8、导热系数、表面吸收率之间的关系为：式中，A为表面吸收率，P为被表面吸收的光功率，r0为光斑半径，k为导热系数。在一个脉冲作用时间内，材料通过单位面积吸收，使深度为h的材料温度升高到汽化所需的能量(未考虑传导、辐射等损耗)为 式中，T0是起始温度，Tm是熔化温度，TB是沸点温度，Cs是固体的比热Cp是液体的比热，Lm和Lr分别是熔解热和汽化热，是材料密度，h是孔的深度。三、激光加工系统激光加工系统主要包括激光发生器（简称激光器）、数控工作台（加工机床）和导光系统（光束传输、聚集装置）、控制系统及检测系统。此外，还有冷水机组、气体（包括激光工作气体和切割、焊接用辅助气体）供应（包括净化）站以及计算
9、机辅助设计及编程等配套设备。图是激光加工系统的示意图。激光加工系统示意图激光加工时，是将光束与物体表面作相对运动。既可以是光束运动，也可以是工件运动，也可以是光束和工件同时运动。在运动中，要求光斑尺寸可调、功率或能量可调、以达到各种加工的目的。有时还要求光束与工件表面成法线方向。1、激光器激光器是整个加工系统的核心。对激光器的共同要求是稳定、可靠，只有长期稳定运行的激光器才能承担加工任务同时，针对不同加工任务，对激光器还提出了一些要求例如，对于切割和焊接而言，要求激光器构模式为低阶模或基模；有时要求激光器为连续运行，有时又要求脉冲运行，为此激光器必须具备连续运行和脉冲运行的能力；激光器的功率和
10、能量既要求稳定，同时根据加工的不同要求，对输出功率和能量、脉宽等参数进行精密调节。 当前用于激光加工的激光器主要有三类：CO2激光器、Nd:YAG激光器和准分子（KrF、ArF）激光器。（1）CO2激光器CO2激光器结构示意图CO2分子激光器是目前实际应用中最重要的激光器，其发展极为迅速，应用最为广泛。自1964年问世以来，封离型、流动型、气动型、大气压型、横向激励型、波导列阵型等各种形式的CO2激光器相继出现，并已使其中的大部分器件实现系列化和商品化。激光功率在500W20KW(甚至更高功率)的电激励CO2激光器近年来发展迅速，技术日趋成熟，它既可连续工作又可脉冲工作，在材料加工工业中得到广
11、泛的应用。CO2激光器中通常充以CO2、N2、和He的混合气体，激光振荡发生在CO2的两个振动能级间，N2和He是辅助气体，它们改善了激光作用的效率。密封式CO2激光器一般都有水冷套，且放电管长度和孔径一般都较大。工作气体混合比例对输出功率影响较大，放电管较粗时，N2、He的比例较高(分别为400Pa和2000Pa)；管径较细时比例较低(分别为330Pa和1360Pa)；CO2气压约130260Pa。此外，还可加入少量氙(Xe)和氢分子(H2)，以提高能量转换效率。放电电流和放电管壁温度对增益有很大影响，存在一最佳放电电流，通常由实验决定，管壁温度要求越低越好，因此需要冷却。密封式普通CO2激
12、光器输出功率与放电管长度成正比平均每米长度可获得连续输出功率(多模)为4050W(最佳条件下)。CO2激光器的主要特点是输出功率和能量相当大。可连续波工作和脉冲工作。其脉冲输出能量达数万焦，脉冲宽度可压缩到纳秒(ns)级，脉冲功率密度高达1012W，可以与高功率固体激光器的水平相媲美。CO2 激光器的能量转换效率可高达2025，是能量利用率最高的激光器之一。（2）Nd:YAG激光器Nd：YAG激光器结构示意图Nd：YAG激光器又称为掺钕钇铝石榴石激光器，激活粒子是Nd3+，基质是钇铝石榴石（YAG）晶体。YAG是一种复杂的氧化物，它的化学组分是Y3Al5O12，金属离子被Nd3+取代的量是12
13、，激光波长为106m。Nd3+参与激光作用的能级如图所示，这是一种四能级系统，所以达到必需的粒子数反转的阈值能量较低，再加上YAG的热导率较高，因此可以连续或高重复率运转，平均功率输出可达1kw，连续功率达几百瓦。所以这种激光器具有激光形成的阈值低、输出能量大、峰值功率高、结构较紧凑、牢固耐用等优点。但是由于工作物质的不均匀性和热效应以及能级结构的限制，输出光束质量较差，工作波长局限于较短的波段。又由于采用灯泵，效率和可靠性较低。（3）准分子激光器准分子激光器的工作粒子是一种在激发态复合为分子，而在基态离解为原子的不稳定缔合物。电子辐射跃迁在束缚的激发态与排斥的基态之间发生。激光波长多在紫外区
14、和真空紫外区，所以又称紫外激光器。准分子寿命非常短，从产生到消失仅经历10-8s数量级，且激光下能级寿命更短(10-13 s量级)。所以，可期望准分子激光器的饱和强度非常高(每平方厘米达兆瓦量级)；即使在超短脉冲运转时，激光下能级仍可视为空的。准分子激光器的量子效率接近10D，这是高效激光器的前提条件，并可制成可调谐器件。因此，作为高效率、高功率紫外激光器，准分子激光器具有良好的发展前景。CO2激光器主要应用于切割、焊接、打孔、表面热处理等；Nd:YAG激光器主要应用于激光打孔、焊接、热处理、切割、划片、微调以及半导体加工等；而准分子激光器主要应用于半导体加工和其他的微细加工等。2、光路系统光
15、路系统是激光加工设备的主要组成部分之一，是激光器和加工机的连接部分。光路系统包括光束的直线传输通道、光束的折射部分和聚焦或发散系统。它的特性直接影响激光加工的性能。在加工系统中，它的作用如下：(1)将激光束从激光器输出窗口引导至加工工件表面，并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度。(2)指示加工部位。由于大多数用于激光加工的激光器工作在红外波段，光束不可见。为便于激光束对准加工部位，多采用可见的氦氖激光器或白炽灯光同轴对准，以指示激光加工位置，并便于整个光路系统的调整。(3)观察加工过程及加工零件。尤其在微、小型件的加工，这是必不可少的。直线传输通道主要是空气传输通道和光纤传输。迄今已
16、采用的光纤传输主要是紫外到近红外波，例如YAG激光的光纤传输可以高达几百瓦，都是成功的。这种传输方式既安全又方便，大部分还是采用空气传输通道。这种传输方式要改变方向，只有采用折射的办法，比较复杂。在大功率、大能量传输时，必须采用屏蔽手段，否则会造成对人的伤害。聚焦和发散系统在小功率系统中多采用透镜，在大功率系统中，最好采用金属反射、折射系统。这主要是考虑避免热透镜效应。在多坐标加工系统中，有时采用光束移动的方法，这就还要有调节光路的机械传动部分。以上这些都属于光路系统。3、加工机加工机是承受加工件的部分。加工件与激光束作相对运动而进行加工，因此加工的精度在很大程度上决定于加工机的精度和激光束运动时可调节的精度。光束运动的调节和加工机运动轨迹
