7.1激光热加工原理.ppt

7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理1.无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图7-1示图7-1 各种参数条件下激光加工的可能应用和影响7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：(1)材料对激光的吸收 激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主要对材料起加热作用。不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为 当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为(2)材料的加热 设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0，则有 激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深度为1/a 7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理(2)材料的加热 为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为 如果光功率的损耗全部变成热量，则有 从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求解十分困难 简化：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面受到均匀的激光垂直照射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温度可以由下式确定 7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理(2)材料的加热 如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激光光斑中心轴线上考察点的温度为 进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为 持续加热得到的光斑中心的温度最大值为(2)材料的熔化与汽化 激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化；激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小7.1 7.1 激光热加工原理激光热加工原理(4)激光等离子体屏蔽现象 如图7-2所示，为等离子云变化的过程激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。图7-2 等离子云变化的过程