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第五章激光加工（录课）
- 1. 第五章 激光加工 主讲：陈荣
- 2. • 5.1 激光加工的原理及特点 • 5.2 激光加工设备 • 5.3 激光加工的应用
- 3. 5.1 激光加工的原理及特点 1. 激光的产生 激光形成必须具备以下三个前提条 件 (1) 激光工作物质 : 提供放大作用的增益介质
- 4. (2) 外界激励源 : 使激光上下能级 之间产生粒子数反转 (3) 激光谐振腔 : 使受激辐射的光 能够在谐振腔内维持振荡。 其中粒子数反转和光学谐振腔 是激光形成的两个基本条件。
- 5. 2. 激光的特点 激光不仅具有一般光的共 性（反射、折射、绕射及干涉 等），也具有与普通光源很不相 同的特性。
- 7. （ 1 ）方向性：光束的方向 θ 性由光束的发散角 来描述， 光束的发散角越小，则方向性 越好。普通光源发出的光是向 各个方向传播的，发散角很大。 激光的发散角却很小，几乎是 一束平行光。
- 8. （ 2 ）单色性：光源的单色性由 光源谱线的绝对线宽 来描述。 ∆ν 由于激光具有相同的相位、相同 的波长，其波长谱线宽度比其他 光源的光的波长谱线宽度要小几 个数量级，因此激光的线宽相当 窄，具有很好的单色性。
- 9. （ 3 ） 相干性：在最大的时间 间隔内光所走的路程为相干长度 ，与光源的单色性有关。单色性 越好，光源的相干性越好。因此 ，激光器的相干性能比普通光源 要强得多，一般称激光为相干光 ，普通光为非相干光。
- 11. 3. 激光加工的原理 激光加工是以激光为热源对工 件材料进行热加工。 其加工过程大致分为几个阶段 ： （ 1 ）激光束照射工件材料， 工件材料吸收光能；
- 12. （ 2 ）光能转为热能使工件材料 无损加热； （ 3 ）工件材料被熔化、蒸发、 气化并溅出去除或破坏； （ 4 ）作用结束与加工区冷凝。 如图 5.1 为激光加工的简单示意 图。
- 13. 图 5.1 激光加工原 理图
- 14. 3. 激光加工的特点 （ 1 ）激光加工材料范围广，适 用于加工各种金属材料和非金属 材料，特别适用于加工高熔点材 料，耐热合金及陶瓷、宝石、金 刚石等硬脆材料。
- 15. （ 2 ） 激光加工性能好，工件可 离开加工机进行加工，可透过透 明材料加工，可在其他加工方法 不易达到的狭小空间进行加工。
- 16. （ 3 ）激光加工属非接触加工， 无明显机械力，也无工具损耗， 工件不变形，加工速度快，热影 响区小，可达高精度加工，易实 现自动化。
- 17. （ 4 ）激光加工常用于精密细微 加工，最高加工精度可达 0.001mm ，表面粗糙度 Ra 值可 达 0.4 ～ 0.1 。
- 18. （ 5 ）激光加工不仅可以进行打 孔和切割，也可进行焊接、热处 理等工作。 （ 6 ）激光加工可控性好，易于 实现自动控制。
- 19. （ 7 ）激光加工速度快，效率高。 能源消耗少，无加工污染，在节 能、环保方面有较大优势。
- 20. 5.2 激光加工设备 1. 激光加工基本设备的组成 激光加工的基本设备包括激光 器、电源、光学系统及机械系统 等四大部分。
- 21. （ 1 ） 激光器：是激光加工的核 心设备，它是把电能转换成光能 ，产生激光束。 （ 2 ） 激光器电源：为激光器提 供电能以及实现激光器和机械系 统自动控制。
- 22. （ 3 ） 光学系统： 主要包括聚焦系统和观察 瞄准系统，后者能观察和调整激 光束的焦点位置并将加工位置显 示在投影仪上。
- 23. （ 4 ）机械系统 包括床身、能在三坐标 范围内移动的数控工作台和数控 系统等。
- 24. 2. 常用激光器 激光器种类比较多，按照 激活介质的种类可以分为固体激 光器、气体激光器、液体激光器 、半导体激光器、自由电子激光 器等。
- 25. 在工业上最常用材料加工的激 光器是 CO 2 激光器和 Nd:YAG 激光器 , 如图 5.2 。
- 26. 图 5.2 Nd:YAG 激光加工系统实物图
- 27. 5.3 激光加工的应用 1. 激光焊接 目前激光焊接技术已广泛应用 于武器制造、船舶工业、汽车制 造等多个领域。激光焊接主要使 用 CO 2 激光器和 Nd ： YAG 激 光器。
- 31. 激光焊接的特点： （ 1) 激光加热范围小，在同等 功率和焊接厚度条件下，焊接速 度高，热输入小，热影响区小， 焊接应力和变形小。
- 32. （ 2) 激光可通过光导纤维、棱 镜等光学方法弯曲传输、偏转、 聚焦，特别适合于微型零件和远 距离或一些难以接近的部位的焊 接。
- 33. （ 3) 一台激光器可供多个工作台 进行不同的工作，既可用于焊接 ，又可用于切割、合金化和热处 理，一机多用。
- 34. （ 4) 激光在大气中损耗不大，可 以穿过玻璃等透明物体，适用于 在玻璃制成的密封容器里焊接能 对人体产生副作用的材料；激光 不受电磁场影响，不存在 X 射线防护，也不需要真空保护。
- 35. （ 5) 可以焊一般焊接方法难以焊 接的材料，如高熔点金属等，甚 至可用于非金属材料的焊接，如 陶瓷、有机玻璃；焊后无需热处 理，适合于某些对热输入敏感的 材料的焊接。
- 36. （ 6) 属于非接触焊接；由于激 光焊接的焊接接头没有严重的应 力集中，表现出良好的抗疲劳性 能和高的抗拉强度。 与电子束 相比，不需要真空设备，而且不 产生 X 射线，也不受磁场干扰。
- 37. 激光焊接的接头方式 : 激光焊接的接头形式有对接 、搭接、端接、角接均可用连续 激光焊接。
- 38. 图 5.4 连续激光焊接时常用的接头形 式
- 39. 影响焊接质量的工艺参数 : 脉冲能量 E 和功率密度 , 激光 脉冲宽度 , 离焦量 , 光束直径 , 焊接速度 , 保护气体。
- 40. 2. 激光打孔 (1) 广泛应用于金刚石拉丝模、 陶瓷、玻璃等非金属材料，和硬 质合金等金属材料的孔加工。
- 42. 图 5.5 激光打 孔
- 44. (4) 激光打孔的特点是速度快、 效率高，现在最快每秒可以实现 打 100 孔；打孔的孔径可以从 几微米到任意孔径；可以实现在 任何材料上打孔；不需要工具， 也就不存在工具磨损和更换工具 。
- 45. 3. 激光切割 (1) 激光切割 ( 如图 5.6 所示 ) 的原理与激光打孔相似，但工件 与激光束要相对移动。在实际加 工中，采用工作台数控技术，可 以实现激光数控切割。
- 46. 平 面 镜 激 光 器 聚 焦 透 镜 激 光 束 喷 嘴 辅 助 气 体 钛 合 金 图 5.6 激光器切割钛合金示意图
- 47. (2) 激光切割特点：具有切缝窄、 速度快、热影响区小、省材料、 成本低、噪声小等优点，并可以 在任何方向上切割，包括内尖角 。