1 激光的产生及其特性 主要内容 2 激光加工的基本原理及特点 3 激光加工的基本设备 4 激光加工技术的应用 1.1激光的产生 n 光的产生与光源内部原子运动状态有关, 原子内的原子核和核外电子间存在着吸引和排 斥的矛盾，电子按一定半径的轨道围绕原子核 运动。当原子接受一定的外来能量或向外释放 一定的能量时，核外电子的运动轨道半径将发 生变化，即产生能级变化，这就是发光的原理 。 n激光是通过入射光子影响处于亚稳态高能级的 原子、离子或分子跃迁到低能级而完成受激辐 射时发出的光，简言之，激光就是受激辐射得 到的加强光。 激光的产生 如图所示 原子核 原子结构 放電 稳定状態 当外加能量为零 时，分子处于稳 定状态。 原子核 原子核 激励 激励状態 当原子获得高能量时 其结构处于不稳定状態 还原 光 不稳定的原子放出激光后 ， 还原到原来的稳定状态。 放電 激光的发生原理 激励还原激励还原 激光的发生原理 電極 電極 激光 熱 1.2 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 2.1激光加工的基本原理 激光加工是一种新型的高能束加工方 法，它是利用激光高强度、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细光 束（直径几微米至几十微米），获得极 高的能量密度（1081010W/cm2）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）熔化甚至气化，以达 到加热和去除材料的目的。 2.激光加工 2.1激光加工的基本原理 固体激光器加工简图 1-全反射镜 2-激光工作物质 3-激励能源 4-不完全反射镜 5-透镜 6-工件 2.2激光加工的特点 1）适应性强： 激光加工的功率密度高，几乎能加工任何 材料，如各种金属、 陶瓷、石英、金刚石、 橡胶等。 2）加工精度高： 激光束可聚焦成微米级的光斑（理论上直 径可小于1um）适合精密微细加工。 3）加工质量好： 激光加工能量密度高,热作用时间很短,整个 加工区几乎不受热的影响,工件热变形极小， 故可加工对热冲击敏感的材料。 4）加工速度快、效率高： 激光打孔只需0.01s，切割比常规方法提 高效率820倍，激光焊接可提高效率30倍， 微调薄膜电阻可提高1000倍，提高精度12数 量级。 5）容易实现自动化加工： 激光束传输方便，易于控制，便于与机器 人、自动检测、计算机数字控制等先进技术相 结合。 6）通用性强： 用一台激光器改变不同的导光系统，可以 处理各种形状和尺寸的工件。也可以选择适当 的加工条件，用同一台装置进行切割、打孔、 焊接和表面处理等多种加工。 7）节能节材： 激光束的能量利用率为常规热加工工艺的 101000倍，激光切割可以节省材料 15%30%。 8）激光可通过光学透明介质（玻璃、空气、惰 性气体和某些液体）对工件进行加工。 激光加工的不足： 激光加工是一种瞬时、局部的熔 化和气化加工，影响因素多。因此， 微细加工时的重复加工精度和表面粗 糙度不易保证。此外对具有高热传导 率材料的加工较困难。 3 激光加工基本设备 1）激光器： 激光器是激光加工的核心设备，通过它可 以把电能转化成光能，获得方向好、能量密度 高、稳定的激光束。 按材料分： 固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导 体激光器及自由电子激光器。 按工作方式分：连续激光器和脉冲激光器 2）激光器电源 激光电源根据加工工艺的要求，为激光提 供所需的能量及控制功能。由于激光器的工作 特点不同，对供电电源的要求也不同。 3）光学系统 包括聚焦系统和观察瞄准系统。聚焦系统 的作用是把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工 工件上；为了使激光束准确地聚焦在加工位置 ，要有焦点位置调节以及观察描准系统。 4）机械系统 主要包括床身、工作台和机电控制系统。 4 激光加工技术的应用 激光加工应范围很广，其原因是其输出功率较大，既可脉冲输出，也可连 续输出；激光束既可以聚焦成小的光斑，也可聚焦成直线或其他开状；功率密 度可调范围大；激光可以在不同的环境下工作；同时也能很方便地用在其他方 法不易加工的地方。 慨述： 材料加热温度的高低主要取决于激光辐射 功率密度。功率在103104/cm2时只能加热材 料，在105106/cm2时，材料开始熔化；到 106107/cm2以上时材料则产生蒸发。 激光辐射在加工材料上引起的作用不仅与 辐射的功率密度有关，还与辐射的延续时间有 关，调节这两个参数，便可以得到不同的工艺 规范，进行加工。 主要的应用有： 打孔 切割 焊接 热处理 雕刻 微调和快速成型 4.1激光打孔 激光打孔特点 1）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 5）容易实现自动化，加工效率高 3）可加工异型孔 4）能在所有金属和非金属材料上打孔 提高打孔精度的措施 1）投影法打孔 2）光柱法打孔 3）激光脉冲的调制 4）喷气加工 4.2激光切割 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 材料 2）切割精度高 5）切割的深宽比高 3）非接触切割 4）切割速度高 6）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 4.3激光焊接 激光焊接特性 1）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 5）能以简单的措施实现光束偏转，更适用于复杂零 件焊接 3）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 4.4激光热处理 激光热处理的特性 1）处理速度快 2）变形小 3）效率高 4.5激光微调 4.6激光雕刻 4.7快速成型 当前机械制造技术不仅在它的信息处理与控 制等方面运用微电子技术、计算机技术、激光加 工技术，在加工机理、切削过程乃至所用的刀具 也无不渗透着当代的高新技术，再也不是原来意 义上的“机械加工”了。随着激光技术的快速发展 ，激光在机械制造领域的应用越来越广泛，越来 越重要，影响越来越大。激光快速找正、激光测 量、激光成型加工、焊接、切割以及热处理等激 光技术在先进制造业中的应用，必将引起机械制 造业各个领域的全面改观。