《先进制造技术》-第七讲：特种加工系列-激光加工.ppt

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1、目录一一.激光加工的原理和特点激光加工的原理和特点二二.激光加工的基本设备激光加工的基本设备三三.激光加工工艺及应用激光加工工艺及应用一一. .激光加工（激光加工（Laser Beam Machining LBMLaser Beam Machining LBM）的原理和特点）的原理和特点 激光是激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀最快的刀”、“最准的最准的尺尺”、“最亮的光最亮的光”和和“奇异的激光奇异的激光”。它的亮度为太阳。它的亮度为太阳光的光的100亿倍。它的原理早在亿倍。

2、它的原理早在 1916 年已被著名的物理学家年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到爱因斯坦发现，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。年激光才被首次成功制造。 Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ） 一一. .激光加工（激光加工（LBMLBM）的原理和特点）的原理和特点 1. 激光产生的原理激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程）光的物理概念及原子的发光过程 光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在光是一种人类眼睛可以见的电磁波（可见光谱）。在科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波

3、谱。科学上的定义，光有时候是指所有的电磁波谱。 光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波光是由一种称为光子的基本粒子组成。具有粒子性与波动性，或称为波粒二象性。动性，或称为波粒二象性。 一一. .激光加工（激光加工（LBMLBM）的原理和特点）的原理和特点 1. 激光产生的原理激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程）光的物理概念及原子的发光过程 根据光的电磁学说：根据光的电磁学说： c一一. .激光加工（激光加工（LBMLBM）的原理和特点）的原理和特点 1. 激光产生的原理激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程）光的物理概念及原子的发光过程 根据光的量子学说，光是

4、一种具有一定能量的，以光根据光的量子学说，光是一种具有一定能量的，以光速运动的粒子流，光子能量与光子的频率成正比：速运动的粒子流，光子能量与光子的频率成正比： 其中：其中：E为光子能量为光子能量 h为普克朗常数为普克朗常数 V为光子的频率为光子的频率Eh一一. .激光加工（激光加工（LBMLBM）的原理和特点）的原理和特点 1. 激光产生的原理激光产生的原理（1）光的物理概念及原子的发光过程）光的物理概念及原子的发光过程 原子发光过程：原子发光过程： 原子内能原子内能=电子动能电子动能+电子的位能电子的位能 基态，激发态（高能态）；基态，激发态（高能态）； 跃迁；亚稳态能级跃迁；亚稳态能级1n

5、EEh原子核原子核原子结构一一.激光加工（激光加工（LBM）的原理和特点）的原理和特点物质与光相互作用的规律物质与光相互作用的规律 l受激吸收（简称吸收）受激吸收（简称吸收） l自发辐射自发辐射l受激辐射、激光受激辐射、激光 1. 激光产生的原理激光产生的原理原子核原子核原子核原子核激激励励激激励状態励状態当原子获得高能量时当原子获得高能量时其结构处于其结构处于不不稳定稳定状態状態还原还原光不不稳定的原子放出激光后，稳定的原子放出激光后，还原到原来的稳定状态还原到原来的稳定状态。放電一一. .激光加工原理激光加工原理一一.激光加工（激光加工（LBM）的原理和特点）的原理和特点粒子数反转粒子数反

6、转 （2）激光的产生）激光的产生 当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程吸收两过程同时存在同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较分布规律，处在较低能级低能级E1的粒子数的粒子数大于大于处在较处在较高能级高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会

7、减弱不会加强。弱不会加强。 这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。粒子数反转分布，简称粒子数反转。 如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。条件。 1. 激光产生的原理激光产生的原理一一.激光加工（激光加工（LBM）的原理和特点）的原理和特点（2）激光的产生）激光的产生粒子数反转必须具备的条件：粒子数反转必须具备的条件： 能量的供应过程激励（光泵）能量的供应过程激励（光泵） 1. 激光产生的原理激光产生的原理 低能级的粒子通过比高能级还要高一些的低能级的粒子通过比高能

8、级还要高一些的泵泵能级抽能级抽运到高能级。运到高能级。 一般可以用一般可以用气体放电气体放电的办法来利用具有动能的的办法来利用具有动能的电子电子去激发去激发激光材料激光材料，称为电激励；，称为电激励； 也可用脉冲光源来照射也可用脉冲光源来照射光学谐振腔光学谐振腔内的介质原子，内的介质原子，称为光激励；称为光激励； 为了使激光持续输出，必须不断地为了使激光持续输出，必须不断地“泵泵”以补充高以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。能级的粒子向下跃迁的消耗量。 一一.激光加工（激光加工（LBM）的原理和特点）的原理和特点（2）激光的产生）激光的产生粒子数反转必须具备的条件：粒子数反转必须具备的条件：

9、工作物质内必须存在亚稳态能级工作物质内必须存在亚稳态能级 亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定。亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定。He,Ne,Ar,Ru,CO2等具有亚稳态，可实现粒等具有亚稳态，可实现粒子数反转。子数反转。 1. 激光产生的原理激光产生的原理光学谐振腔光学谐振腔使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、使某一方向、某一频率的辐射不断得到加强，其它方向、其它频率的辐射受到抑制的装置其它频率的辐射受到抑制的装置全反射镜全反射镜M1部分反射镜部分反射镜M2激光激光工作物质工作物质作用作用选择激光的方向选择激光的方向选择激光的频率选择激光的频率激励能源激励能源1. 激光的产生

10、激光的产生一一. .激光加工原理激光加工原理激光的产生如图所示原子核原子核原子结构放電稳定稳定状態状態当外加能量为零当外加能量为零时，分子处于稳时，分子处于稳定状态。定状态。一一. .激光加工原理激光加工原理原子核原子核原子核原子核激激励励激激励状態励状態当原子获得高能量时当原子获得高能量时其结构处于其结构处于不不稳定稳定状態状態还原还原光不不稳定的原子放出激光后，稳定的原子放出激光后，还原到原来的稳定状态还原到原来的稳定状态。放電一一. .激光加工原理激光加工原理C.H.TownesA.M.Prokhorov N.G.Basov 汤斯汤斯19541954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子

11、数反转，研制了年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫巴索夫1958年几乎同时年几乎同时在量子电子学在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。上工作导致了激光器的发明。The Nobel Prize in Physics 1964朱棣文等发明了用激光冷却原子的方法，并因此获得朱棣文等发明了用激光冷却原子的方法，并因此获得1997年诺年诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖The Nobel Prize

12、in Physics 1997核聚变实验的六路真空靶室核聚变实验的六路真空靶室实验中采用大功率实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器钕玻璃激光器 2.激光的主要特性激光的主要特性 1）方向性好）方向性好-激光的发散角小。激光的发散角小。激光器激光器LaserHe-Ne激光经纬仪激光经纬仪测月红宝石激光器测月红宝石激光器 =0.031mrad =4 10-5mradD=1.6km=25mrad（毫弧度）（毫弧度）rlrl(1km时光斑直径时光斑直径10m)一一. .激光加工原理激光加工原理光源光源StEI太阳太阳123102srWcmI1mW He-Ne激光器激光器1231088srWcm

13、I大功率激光器大功率激光器121791010srWcmI SE光源亮度光源亮度-单位面积、单位时间在垂直于光源单位面积、单位时间在垂直于光源表面的单位立体角内发射的能量。表面的单位立体角内发射的能量。立体角定义：立体角定义： = S /r2Sr P=1mWP=1mW的氦的氦- -氖激光器的亮度约是太阳光的氖激光器的亮度约是太阳光的100100倍倍 2.激光的主要特性激光的主要特性 2）光源亮度大）光源亮度大一一. .激光加工原理激光加工原理可使一切金属熔化可使一切金属熔化可使一切非金属化为一缕青烟可使一切非金属化为一缕青烟激光所包含的波长或频率范围极小激光所包含的波长或频率范围极小一束普通的红

14、光一束普通的红光频率范围：频率范围：Hz1414107 . 4109 . 3Hz14108 . 0Laser6328埃的埃的He-Ne激光激光Hz4102（理论值，实际几赫兹）（理论值，实际几赫兹） 2.激光的主要特性激光的主要特性 3）单色性好）单色性好一一. .激光加工原理激光加工原理4）相干性好）相干性好相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性越好则光场中各点光振动在频率、振动方向的相干性越好则光场中各点光振动在频率、振动方向的一致性越好，相位的关联性也越好。一致性越好，相位的关联性也越好。相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉相干性越

15、好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。和衍射的条纹越清晰。 2.激光的主要特性激光的主要特性 一一. .激光加工原理激光加工原理激光的特性激光的特性 普通光源 激光光源亮度电灯：约470sb太阳：约1.65X105 sb 红宝石激光器，约1.65X1015sb功率1000MW/cm2方向无确定方向、发散角大、难会聚 发散角小到0.1mrad（近似平行光），光束会聚其焦点处光斑10um单色性氪灯的光源谱线宽为0.0047 激光的谱线宽度为10-7相干性氪灯光源的相干长度78cm激光的相干长度可达几十公里 激光加工是一种重的高能束加工方法，它是利激光加工是一种重的高能束加工方法，

16、它是利用激光高强度、高亮度、方向性好、单色性好的特用激光高强度、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），获得极高的能细光束（直径几微米至几十微米），获得极高的能量密度（量密度（10108 8 10101010W/cmW/cm2 2）照射到材料上，使材料在）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。化，以达到加热和去除材料的目的。 3.激光加工的基本原理激光加工的基本原理 一一. .激光加

17、工原理激光加工原理 固体激光器加工简图固体激光器加工简图1-全反射镜全反射镜 2-激光工作物质激光工作物质 3-激励能源激励能源4-部分反射镜部分反射镜 5-透镜透镜 6-工件工件 3.激光加工的基本原理激光加工的基本原理 一一. .激光加工原理激光加工原理一一. .激光加工原理激光加工原理全反射全反射镜镜工作物工作物质质部分反射部分反射镜镜激光束激光束镀镀金反射金反射镜镜透透镜镜工件工件高高压压充充电电源源触发电触发电路路电电容容光光泵泵激光束激光束可以认为，激光加工是以激光为热源对工件材料进行热加可以认为，激光加工是以激光为热源对工件材料进行热加工。其加工过程大体分为如下几个阶段：工。其加

18、工过程大体分为如下几个阶段：激光束照射工件材料、工件材料吸收光能；激光束照射工件材料、工件材料吸收光能； 光能转变为热能使工件材料无损加热；光能转变为热能使工件材料无损加热； 工件材料被熔化、蒸发、气化并溅出去除；工件材料被熔化、蒸发、气化并溅出去除； 作用结束与加工区冷凝。作用结束与加工区冷凝。二二. .激光加工过程激光加工过程激光加工阶段激光加工阶段光能吸收及转化二二. .激光加工过程激光加工过程激光加工阶段光能吸收及转化二二. .激光加工过程激光加工过程激光加工阶段工件材料的加热二二. .激光加工过程激光加工过程激光加工阶段材料熔化气化及溅出二二. .激光加工过程激光加工过程激光加工阶段

19、材料熔化气化及溅出二二. .激光加工过程激光加工过程激光加工特点三三.激光加工特点激光加工特点激光加工特点三三.激光加工特点激光加工特点激光加工特点三三.激光加工特点激光加工特点激光加工特点三三.激光加工特点激光加工特点激光加工的基本设备三三.激光加工特点激光加工特点激光加工的基本设备三三.激光加工特点激光加工特点固体激光器结构示意图固体激光器结构示意图1全反射镜全反射镜 2工作物质工作物质 3玻璃套管玻璃套管 4部分反射镜部分反射镜 5聚光镜聚光镜 6氙灯氙灯 7电源电源激光加工的基本设备三三.激光加工特点激光加工特点激光加工的基本设备三三.激光加工特点激光加工特点He-Ne激光器的工作原理

20、激光器的工作原理反射镜反射镜反射镜反射镜阳极阳极阴极阴极布儒斯特窗布儒斯特窗毛细管毛细管工作物质：氦气工作物质：氦气辅助物质：氖气辅助物质：氖气激励方式：直流气体放电激励方式：直流气体放电激光加工的基本设备三三.激光加工特点激光加工特点激光加工的基本设备三三.激光加工特点激光加工特点激光加工的基本设备三三.激光加工特点激光加工特点激光加工应用 激光打孔；4. 激光打标；3. 激光切割；2. 激光焊接；5. 激光热处理四四.激光加工的应用激光加工的应用激光打孔四四.激光加工的应用激光加工的应用一、激光打孔原理一、激光打孔原理 激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘。

21、激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘。 二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 脉冲宽度对打孔的影响脉冲宽度对打孔的影响 ：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。激光打孔机的基本结构示意图激光打孔机的基本结构示意图激光打孔四四.激光加工的应用激光加工的应用二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的

22、影响 激光打孔中离焦量对打孔的影响激光打孔中离焦量对打孔的影响当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时，相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大位置时，相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔。大降低，以至打成盲孔。 离焦量对打孔质量的影响离焦量对打孔质量的影响激光打孔四四.激光加工的应用激光加工的应用二、激光打孔工艺参数的影响二、激光打孔工艺参数的影响 被加工材料对打孔的影响被加工材料对打孔的影响 脉冲激光的重复频率

23、对打孔的影响脉冲激光的重复频率对打孔的影响用调用调QQ方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高方法取得巨脉冲时，脉冲的平均功率基本不变，脉宽也不变，重复频率越高，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。，脉冲的峰值功率越小，单脉冲的能量也越小。这样打出的孔深度要减小。 材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同材料对激光的吸收率直接影响到打孔的效率。由于不同材料对不同激光波长有不同的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。的吸收率，必须根据所加工的材料性质选择激光器。 激光打孔特点激光打孔特点1）可加工精度高、

24、深径比大的微小孔可加工精度高、深径比大的微小孔2）能加工小至几微米的小孔能加工小至几微米的小孔5）容易实现自动化，加工效率高容易实现自动化，加工效率高3）可加工异型孔可加工异型孔4）能在所有金属和非金属材料上打孔能在所有金属和非金属材料上打孔激光打孔 激光打孔 激光打孔大功率电子管栅极大功率电子管栅极钼厚钼厚300微米，直径微米，直径300微米微米航空发动机叶形孔航空发动机叶形孔不锈钢厚不锈钢厚1mm，孔，孔100微米微米激光焊接四四.激光加工的应用激光加工的应用一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。一、激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。 其优点：其优点

25、：1 1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。的材料实施焊接。 2 2）在激光焊接过程中无机械接触）在激光焊接过程中无机械接触, ,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形易保证焊接部位不因热压缩而发生变形 3 3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。 二、图为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。二、图为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。 阴极芯的激光焊接设备原理图阴极芯的激光焊接设备原理图

26、1:1:光束分束器；光束分束器；2:2:聚焦透镜；聚焦透镜；3 3：阴极芯：阴极芯激光焊接四四.激光加工的应用激光加工的应用三、激光热导焊三、激光热导焊 1 1）激光热导焊的原理）激光热导焊的原理2 2）激光热导焊的工艺以及部分参数）激光热导焊的工艺以及部分参数热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热导焊时，激光辐射能量作用于材料表面，激光辐射能在表面转化为热量。表面热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶热量通过热传导向内部扩散，使材料熔化，在两材料连接区的部分形成溶池。溶池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。

27、池随着激光束一道向前运动，溶池中的熔融金属并不会向前运动。 激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊 激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图图图 激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系速度、熔化深度的关系激光焊接四四.激光加工的应用激光加工的应用三、激光热导焊三、激光热导焊 2 2）激光热导焊的工艺以及部分参数）激光热导焊的工艺以及部分参数脉冲激光热导焊的脉冲宽度：脉冲激光热导焊的脉冲

28、宽度：脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等脉冲宽度影响到焊接熔深，热影响区的宽度等焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要焊接的质量要求。脉宽时间长，焊接熔深热影响区都大，反之则小。因此，要根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲根据激光功率的大小，要求的焊接熔深和热影响区的宽度大小来适当选择脉冲宽度。宽度。 离焦量对焊接质量的影响：离焦量对焊接质量的影响：因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激因为焦点处激光光斑中心的光功率密度过高，激光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分布相对均匀。光热导焊通常需要一定的离焦量，使得光功率分

29、布相对均匀。 正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方正离焦：焦平面位于工件上方；负离焦：焦平面位于工件下方 脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲激光热导焊的脉冲波形：脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响脉冲波形对于焊接质量也有很大的影响激光焊接四四.激光加工的应用激光加工的应用四、激光深熔焊四、激光深熔焊 1 1）激光深熔焊的原理）激光深熔焊的原理2 2）激光深熔焊工艺参数）激光深熔焊工艺参数当激光功率密度达到当激光功率密度达到10106 610107 7WWcmcm2 2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图

30、），孔内金属蒸汽压力与四周液散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图），孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。 临界功率密度：临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度功率密度 深熔焊深熔焊小小孔示意图孔示意图 激光深熔焊的熔深激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输出激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数功率密度密切相关，也是功率和光

31、斑直径的函数。 激光焊接四四.激光加工的应用激光加工的应用优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，优点：没有焊渣，不需去除工件氧化膜，可实现不同材料之间的焊接，特别适宜微型机械和精密焊接。特别适宜微型机械和精密焊接。五、激光焊的优点五、激光焊的优点 激光焊接四四.激光加工的应用激光加工的应用激光焊接激光焊接盒体铝合金厚盒体铝合金厚3mm锅炉用钢管厚锅炉用钢管厚7mm汽车齿轮（汽车齿轮（16MnCr5）纸浆过滤器不锈钢纸浆过滤器不锈钢激光焊接特性激光焊接特性1）激光照射时间短，焊接过程极为迅速激光照射时间短，焊接过程极为迅速2）具有熔化净化效应，能纯净焊缝金属具有熔化净化效

32、应，能纯净焊缝金属5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零件焊接件焊接3）能量密度高，对高熔点、高导热率材料焊接有利能量密度高，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可透过透明体焊接，防止杂质污染和腐蚀激光焊接激光切割四四.激光加工的应用激光加工的应用一、激光切割的原理与特点一、激光切割的原理与特点 1 1、切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于切割过程中激光光束聚焦成很小的光点（最小直径可小于0.1mm0.1mm）使焦点处）使焦点处达到很高功率密度（可超过达到很高功率密度（可超过10106 6W/cm

33、W/cm2 2）。）。如图所示为激光切割头的结构，除了如图所示为激光切割头的结构，除了透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴透镜以外它还有一个喷出辅助气体流的同轴喷嘴。 激光切割头的结构示意图激光切割头的结构示意图激光切割四四.激光加工的应用激光加工的应用二、激光切割分类及其机理二、激光切割分类及其机理 激光功率激光功率: : 激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。激光切割时所需功率的大小，是由材料性质和切割机理决定的。 三、激光切割的工艺参数及其规律三、激光切割的工艺参数及其规律 汽化切割汽化切割: :工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分工件在激光

34、作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机制所需激光功率密度一般为10108 8/cm/cm2 2左右，是无熔化材料的切割方式左右，是无熔化材料的切割方式 熔化切割熔化切割: : 激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为将熔化材料从切缝中吹掉。熔化切割所需的激光功率密度一般为10107 7/cm/cm2 2左右左右 氧助熔化切割氧助熔化切割: : 金属被激

35、光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。压力将氧化物从切缝中吹掉。 切割速度切割速度: : 在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表在一定功率条件下，板厚越大，切割速度越小。切割速度对切口表面粗糙度也有较大影响。面粗糙度也有较大影响。 激光切割四四.激光加工的应用激光加工的应用 喷嘴：喷嘴：喷嘴是影响激光切割质量和效率的喷嘴是影响激光切割质量和效率的个重要部

36、件。激光切割一般采用个重要部件。激光切割一般采用同轴同轴( (气流与光轴同心气流与光轴同心) )喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷喷嘴，喷嘴出口直径大小应依据板厚加以选择。另外，喷嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个嘴到工件表面的距离对切割质量也有较大影响，为了保证切割过程稳定，这个距离必须保持不变。距离必须保持不变。 三、激光切割的工艺参数及其规律三、激光切割的工艺参数及其规律 气体的压力：气体的压力：在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切在功率和切割材料板厚一定时，有一最佳切割气体流量，这时切割速度最快。随着激光功率的增加，

37、切割气体的最佳流量是增大的。割速度最快。随着激光功率的增加，切割气体的最佳流量是增大的。 光束在质量、透镜焦距和离焦量：光束在质量、透镜焦距和离焦量：激光器输出光束的模式为基横模时对激光切激光器输出光束的模式为基横模时对激光切割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较割最为有利。光斑大小与聚焦透镜的焦距成正比。短焦距的透镜虽然可以得到较小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须小光斑，但焦深很小。离焦量对切割速度和切割深度影响较大，切割过程中必须保持不变，保持不变，一般离焦量选用负值一般离焦量选用负值，即焦点位置置于切割板面下面某一点。，

38、即焦点位置置于切割板面下面某一点。 激光切割激光切割激光切割四四.激光加工的应用激光加工的应用激光切割四四.激光加工的应用激光加工的应用不锈钢厚不锈钢厚1mm不锈钢厚不锈钢厚4 mm切割陶瓷厚切割陶瓷厚1.7mm色片工装色片工装铝合金厚度铝合金厚度4mm激光切割激光切割激光切割四四.激光加工的应用激光加工的应用不锈钢厚不锈钢厚1mm单晶硅厚单晶硅厚0.7 mm不锈钢厚不锈钢厚4 mm激光切割特性激光切割特性1）能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆能切割任何难加工的高熔点材料、耐高温和硬脆材料材料2）切割精度高切割精度高5）切割的深宽比高切割的深宽比高3）非接触切割非接触切割4）切割速度高

39、切割速度高6）切割质量优良切割质量优良7）可与计算机数控技术结合，实现自动化加工可与计算机数控技术结合，实现自动化加工激光切割四四.激光加工的应用激光加工的应用激光打标 激光标记的特色便于对原材料、半成品、在制品、产品进行分类便于使用、防止假冒 激光标记特点可标记条形码、数字符号图案四四.激光加工的应用激光加工的应用激光加工设备 激光打标机四四.激光加工的应用激光加工的应用激光打标机加工举例 -工件四四.激光加工的应用激光加工的应用激光打标机加工举例 -工件四四.激光加工的应用激光加工的应用激光热处理四四.激光加工的应用激光加工的应用激光热处理的特性激光热处理的特性1）处理速度快处理速度快2）

40、变形小变形小3）效率高效率高四四.激光加工的应用激光加工的应用三维激光内雕刻激光内雕刻 在计算机控制下利用激光作为加工手段，在各种形状的透明水晶玻璃中雕刻出各种立体图案、文字、人物肖像等的设备。激光内雕技术主要用于水晶工艺品的激光内雕刻有传统的机械雕刻方法有无法比拟的优点： 采用计算机控制技术和高精度、高效率的伺服控制系统，适应了采用计算机控制技术和高精度、高效率的伺服控制系统，适应了现代化生产的高效率、快节奏的要求现代化生产的高效率、快节奏的要求 采用激光加工手段，在水晶玻璃内部雕刻出由精细明亮的点组成采用激光加工手段，在水晶玻璃内部雕刻出由精细明亮的点组成的精美立体图案的精美立体图案 利用

41、激光聚焦技术，与水晶体不接触却可在水晶内雕刻出永不磨利用激光聚焦技术，与水晶体不接触却可在水晶内雕刻出永不磨灭的立体图案灭的立体图案激光玻璃内雕刻或标识系统可广泛应用于玻璃装饰行业（如玻璃隔墙、玻璃屏风等）、玻璃制品行业（如玻璃杯、酒杯等）、艺术品行业（如将人像、风景等照片刻入玻璃内）、玻璃家具行业（如玻璃台桌、家具玻璃门等）、防伪（如酒瓶、调味瓶等） 四四.激光加工的应用激光加工的应用激光雕刻的水晶作品四四.激光加工的应用激光加工的应用激光雕刻的水晶作品四四.激光加工的应用激光加工的应用激光雕刻 特点 适用于多种金属/非金属材料 复杂平面艺术图形激光的其它应用 激光快速成型加工 医学应用：眼

42、科手术等 军事应用：对抗演习、雷达、高能束武器 信息技术：激光存储（光盘）、光纤通讯采用激光加工必然性 激光加工，如：焊接、切割、打孔、打标、热处理和微加工等，解决了许多常规方法无法解决的难题 大大提高了工作效率和加工质量，是先进加工系统必不可少的 发达国家的制造业已经步入“光加工”时代激光加工熔覆与热处理航空发动机叶片修复航空发动机叶片修复熔覆层宽熔覆层宽2mm，厚，厚1mm曲轴花键槽修复（曲轴花键槽修复（18Cr2Ni4W）熔覆层宽熔覆层宽4mm，厚，厚0.5mm线材轧辊修复，线材轧辊修复，熔覆层熔覆层8mm8mm导轨表面强化导轨表面强化 (材料材料: 高强钢高强钢) 快速成型快速成型机载激光武器机载激光武器(ABL)(ABL)，ABLABL的目标是研制装的目标是研制装在经过改造的波音在经过改造的波音747747飞机上安装激光飞机上安装激光武器，用于从高空攻武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导击敌方的战区弹道导弹。弹。 美军移动型战术高能激光系统（美军移动型战术高能激光系统（THEL）的激光）的激光发射部分发射部分