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第五章高能束加工 激光加工激光加工是利用能量密度很高的激光束,照射工件,使工件材料熔化、蒸发和汽化, 从而去除材料的一种高能束加工方法。激光加工几乎可以加工任何材料,加工速度快,表面变形小,光束方向性好,激光束可聚焦到波长级,可以进行选择性加工、精密加工,在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性。原理特点应用设备激光是可控的单色光,强度高、能量密度大、方向性好。由激光器发射的激光束,可以通过一系列的光学系统,把激光束聚焦成一个极小的光斑,可获得 10 7 - 10 11 W/cm 2的能量密度以及 10000 ℃以上的高温,从而能在千分之几秒甚至更短的时间内熔化甚至气化任何材料。这就是激光加工的基本原理。因此,可以利用激光进行各种材料(金属、非金属)的打孔、切割等加工,使激光加工成为可能。激光加工的原理电磁波波谱图激光的产生固体激光器光是以光速 c运动的光子流,有波粒两相性。可以认为光是一定波长范围内的电磁波。光的波长λ、频率ν、波速 c(真空中, c=3× 10 8 m/s ),三者关系如下: ?? c?光的量子学说认为光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流。光子的能量与光的频率成正比, 其关系如下: ?hE?激光的产生原子中的电子分布在不同的电子轨道上,具有不同的能量,从而形成所谓的能级。距离原子核最近能量最低,运动最稳定,称为基态。当原子的内能增加时外层电子的轨道半径也扩大,被激发到能量更高的能级,称为激发态或高能态。电子跃迁有三种方式: 1)自发辐射:电子自发地通过过释放光子从高能级跃迁到较低能级。 2)受激吸收:电子通过吸收光子从低能级跃迁到高能级。 3)受激辐射:光子射入物质诱发电子从高能级跃迁到低能级,并释放光子。 1)单***好。激光产生中只会有一种频率波长的光。 2)相干性好。所有受激辐射产生的光子都有相同的相,相同的偏振方向,它们迭加起来便产生很大的强度。 3)强度高。激光的光束很狭窄,并且十分集中,所以激光具有很强的威力,它的亮度和强度特别高。 4)方向性好。光源的方向性是通过发散角θ来表示的。激光与普通光源不同,其发散角很小,几乎是一束平行光。固体激光器最常用的激光器有: CO 2激光器和掺钕钇铝石榴石激光器。 CO 2激光器发出的激光波长为 ?m,有连续、脉冲两种工作方式。连续方式产生的激光功率可达 20 kW 以上。 CO 2激光器具有较大的功率和较高的能量转换效率,但其光束的质量不同,聚焦后光腰斑直径和束腰长度不同,加工能力和加工质量存在较大的差别。掺钕钇铝石榴石激光器(简称 Nd:YAG 激光器),它的输出波长为 ?m,为 CO 2激光波长的十分之一,与金属的耦合效率高,加工性能良好(如一台 800 W 的 Nd:YAG 激光器的有效功率相当于 3 kW 的 CO 2激光器的功率)。图 5-4 固体激光器的基本结构固体激光器的基本结构如图 1)激光工作物质 2)谐振腔 3)光泵浦灯 4)聚光腔固体激光器 1)工作物质: 是由发光中心的激活离子和基质材料两部分组成的。工作物质的物理性能主要取决于基质材料,光谱特性由激活离子内的能级结构来决定。 2)谐振腔: 是激光器的重要组成部件,作用是使工作物质受激辐射形成振荡与放大,它由两块平面或球面发射镜按一定方式组合而成的。其中一端面是全反膜片,即反射率接近 100% ;另一端面是具有一定透过率的部分反射膜片。谐振腔是决定激光输出功率、振荡模式、发散角等激光输出参数的重要光学器件。 3)泵浦灯: 供给工作物质光能用的。在固体激光器中,激光工作物质内的粒子数反转是通过光泵的抽运实现的。目前常用的光泵源是脉冲氙灯和连续氪灯。 4)聚光腔: 提高泵浦效率,使泵浦灯发出的光能有效地汇聚并均匀地照射在激光棒上。早期的聚光腔常见的形式有单椭圆腔,双椭圆腔,圆形腔,紧裹形腔。激光加工的特点和应用激光的特点激光的应用 1)激光加工无需加工工具,无工具损耗,无机械加工变形。 2)激光加工功率密度高,加工速度快,热影响区小,可加工任何材料。包括玻璃等透明材料(经过着色或打毛后)。 3)光束能量、光斑直径和光束移动速度可调节,以适应各种加工。 4)透过透明物状或介质加工,有利于安全防氧化和环保。 5)激光易于导向聚焦,可与数控机床、机器人等结合,构成各种灵活的加工系统。 6)一种热加工,影响因素很多, 加工精度难以保证和提高; 7)对人体有害,须防护措施。激光打孔激光存储激光热处理激光涂覆激光微调激光打标记激光切割激光焊接激光激光快速制造利用激光照射电阻膜或电容介质,使之汽化, 从而改变电阻或电容值的一种微调方法。其优点是精度高。利用激光进行音频、文字、数据等的信息的存取, 其特点是: 存储密度高、存取速度快、寿命长、介质成本低。利用激光束