4激光加工Word文件下载.docx
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由于广泛采用多级放大的结构，目前单棒激光器的输出功率最大可达500W，多级放大后输出功率可达几千瓦。
同时CO2激光器多采用快速轴流结构，输出功率已达几千瓦甚至上万瓦。
这样的激光器已在激光表面改性处理、激光切割与焊接中取得广泛应用。
到了90年代，新的泵浦源激光二极管的发展，对固体激光器的发展开辟了崭新的领域。
二极管泵浦源固体激光器体积大大减小，光束质量高，寿命长，泵浦效率远远超过灯激励等传统的激励方式，它将在很大范围内代替原有的工业应用激光器。
近年来，一些新型激光器也相应进入激光加工领域，其中最主要的是准分子激光器。
准分子激光器工作在紫外波段，它与材料的作用以激光化学反应为主，其作用过程主要借助于高能密度光子引发或控制化学反应而进行。
在我国，1961年研制出第一台红宝石激光器，1963年研制成功激光打孔机。
，1965年正式在拉丝模和手表宝石轴承上采用激光打孔，以后相继采用CO2激光器、钕玻璃激光器、YAG激光器等对不同材料，不同零件进行打孔。
1976年，长春光机所与第一汽车制造厂等单位合作开发了SJ-2500型500W直管式数控激光切割机，用于红旗轿车车身薄板的切割，1978年开始系统地进行激光热处理研究和工业应用。
到目前为止，我国在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、激光快速三维立体成型等方面已有许多非常成功的应用范例，激光合金化和熔覆、激光制备新材料等都开始进入实用化阶段。
激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。
激光的应用已渗透到加工、医疗、通讯、检测、军事、娱乐等众多领域，取得了很好的经济效益和社会效益，对国民经济和社会的发展将发挥越来越重要的作用。
激光加工对传统工业的改造也将发挥越来越显著的作用。
因为21世纪的制造技术首先必须是可持续发展的技术。
20世纪飞速发展的工业技术使人类已面临环境污染、生态破坏和资源短缺的危机。
因此在21世纪必须实行可持续发展的策略，推行无污染、低消耗的绿色制造技术。
激光加工过程是激光与材料相互作用的过程，不像刀具切削加工有大量的切屑产生，消耗掉许多被加工材料并磨损刀具，同时产生较大的加工噪声。
激光加工时激光束照射在被加工工件上与材料相互作用完成加工过程，因此是非接触、无磨损、无噪声、无切屑，基本上对环境不造成污染。
所以激光加工是一种非接触、无污染、低噪声、节省被加工材料的绿色加工技术。
它必然会成为21世纪的一种先进加工技术。
4.2激光产生的原理和概念
激光的产生与原子物理理论的一些基本概念有关。
一、原子的能级和跃迁
原子由原子核和绕原子核转动的电子组成。
原子的内能就是电子绕原子核转动的动能和电子被原子核吸引的位能之和。
电子分布在离核最近的一些轨道时，原子的总能量最低，称为原子处于基态；
由于外界作用使电子重新分布于离核较远的外层轨道时，原子的总能量较高，称为原子处于激发态。
只有电子在最靠近原子核的轨道上运动才是最稳定的。
当外界传给原子一定的能量时，原子的内能增加，外层电子的轨道半径扩大，被激发到高能态。
各种不同的能量状态称为能级，原子可能具有的总能量值不是连续分布的，而是一系列分离的数值，因此其能级也是分立的。
图4-1是氢原子的能级，图中最低的能级E1是基态，其余E2、E3……等都是高能态。
电子在核外的分布不是一成不变的，当原子受外界能量作用时，电子的分布就会发生变化，原子的能量也随之变化。
原子从一种能量状态到另一种能量状态的过程称
为“跃迁”。
原子跃迁时的能量变化以光波的形式发射或吸收。
二、自发辐射
当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常常会以光子的形式辐射出光能量，所放出光的频率与高能态En和低能态E1之差有如下关系
（4.1）
式中h——普朗克常数（h=6.6310-34J·
s）。
在基态时，原子可以长时间地存在，而在激发态的各种高能级的原子停留时间一般都较短（常在0.01s左右）。
但有些原子或离子的高能级或次高能级却有较长的停留时间，这种停留时间较长的能级称为亚稳态能级。
原子从高能态自发跃迁到低能态而发光的过程称为自发辐射，日光灯等光源都是由于自发辐射而发光的。
由于各个受激原子自发跃迁返回基态时在时间上有早有晚；
辐射出来的光子在方向上四面八方；
而且它们的激发能级很多，自发辐射出来光的频率和波长大小不一，所以单色性和方向性都很差。
自发辐射是普通光源的发光机理。
三、受激吸收
处于低能级的粒子，在频率为的入射光（满足4.1式）诱发下，吸收入射光的能量而跃迁到高能级的过程称为受激吸收。
四、受激辐射
物质发光除自发辐射外，还有一种是受激辐射。
当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，若这束光的频率与
很接近，则处于激发态能级上的原子，在这束光的刺激下会跃迁到较低能级，同时发出一束光，这束光与入射光有着完全相同的特性，它的频率、相位、传播方向以及偏振方向都是完全一致的。
因此相当于把入射光放大了，这样的发光过程称为受激辐射。
受激吸收和受激辐射概念是由爱因斯坦首先提出的，是激光产生的理论基础。
应当指出，受激辐射与自发辐射是两种本质不同的物理过程。
自发辐射的几率只与原子本身有关，而受激辐射的几率不仅与原子性质有关还与入射光频率、光强等因素有关，而且它们发出的光性质也不相同，这便是激光区别于普通光的根本原因。
五、粒子数反转
通常情况下，物质体系处于热力学平衡状态，受激吸收和受激辐射同时存在，其吸收和辐射的总几率取决于高低能级上的粒子数。
在平衡态下任意两个高低能级上的粒子数分布服从玻尔兹曼统计规律：
（4.2）
式中n1、E1——低能级上的粒子数和该能级的能量；
n2、E2——高能级上的粒子数和该能级的能量；
T——平衡态时的绝对温度
k——玻尔兹曼常数
显然，高能级能量大于低能级能量，因而在热平衡状态下，体系高能级上的粒子数恒小于低能级上的粒子数（如图4-2所示）。
所以，在热平衡状态时，对于入射到粒子体系的相应频率的外界光，体系受激吸收的几率恒大于受激辐射的几率，体系对光的吸收总是大于发射，对光起衰减作用。
吸收了外界光子而跃迁到高能级的粒子再以自发辐射的形式将能量消耗掉。
因此，通常情况下，我们只见到原子的光吸收现象，而看不到光的受激辐射现象。
激光器中利用辉光放电、光辐射等手段激励粒子体系，使其突破通常的热平衡状态，即将基态上的粒子有选择的激发到某一个或几个高能级上去，使这些高能级上的粒子数大大增多，从而超过低能级，这种状态称为粒子数反转。
此时，体系的受激辐射几率超过受激吸收几率，受激辐射占优势，对外界入射光的反应效果是总发射大于总吸收，体系具备放大功能，通过该体系的光将会得到放大。
因此粒子数反转是实现激活和光放大的必要条件。
六、激光的产生
实现粒子数反转的工作物质具有光放大作用，经工作物质的放大而射出的光强与入射光强之比称为光放大系数，光强很弱时的放大系数叫小信号增益系数，用G°
表示。
工作物质内部也存在损耗，单位长度的损耗用损耗系数α表示。
激活物质内沿Z轴的光放大行为可表示为：
I（Z）＝I0e（G°
-α）Z（4.3）
式中I0——初始光强
I（Z）——传播到Z处的光强
由于光放大是由高能级粒子向低能级受激辐射跃迁而产生的，受激辐射要消耗高能级粒子数。
因此，光强的增大是以粒子数反转值的减少为代价的。
光强I越大，受激跃迁掉的高能级粒子就越多，粒子数反转值就越少，光的放大就越慢，增益系数也就变小，这种现象称为增益饱和。
含有增益饱和效应的放大系数G可表示为光强I的函数，即
G（I）=G°
/（1+I/Is）（4.4）
式中Is——饱和光强
由于自发辐射，激活物质内总存在微弱光强I0。
最初，光强按小信号放大规律增大，但随着I（Z）的增大将出现增益饱和效应，增益系数将按式（4.4）减少，I（Z）的增大将逐渐减慢。
最后当G（I）=α时，I（Z）不再增加而达到一个稳定的极限值Im，即
G（Im）=G°
/（1+Im/Is）=α（4.5）
Im=（G°
－α）Is/α（4.6）
Im只与放大物质本身的参数有关，而与初始光强无关。
也就是说，不管初始光强多么微弱，只要激活物质足够长，就能不断得到放大，总能形成确定大小的光强Im。
激光能实际形成和增大的条件为：
－α）Is/α≥0（4.7）
即G°
≥α（4.8）
当G°
=α时，光强维持在初始光强水平上；
只有当G°
>
α时，光强才能增大，G°
－α越大，输出功率越高。
七、激光模式
激光是一种电磁波。
由激活物质两端的反射镜组成的光腔将对电磁场加上一定的限制，根据电磁波理论，一切被约束在有限空间范围内的电磁场都只能存在于一系列分列的特征状态（即本征态）之中，每一个本征态都有自己的振荡频率和空间分布。
通常将光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为光腔的模式，激光模式也就是光腔内可区分的光波的状态。
只要光腔的结构确定，腔内振荡模式的特征也就随之确定。
光波场的空间分布可分解为沿腔轴方向的分布和沿垂直于腔轴方向的分布。
沿轴向的场分布称为纵模，垂直于轴向的场分布称为横模，光腔模式是横模和纵模的组合。
横模用代表横向电磁波的TEMmn表示，m表示沿辅角φ方向场经过零值的次数，n表示沿半径r方向光场过零值的次数。
m、n值也对应于横模的传播方向，m、n较小的模与腔轴构成的夹角较小，因而值m、n也表征横模发散角的大小。
TEM00模称为基模，它的发散角最小，能量最集中。
在激光加工中最为有利。
其它m、n值较大的模称为高阶模。
纵模也就是光腔内的驻波场分布，应满足谐振条件：
L=q·
λq/2
式中L为腔长；
q为半波长数。
凡是满足谐振条件能在光腔内稳定存在的驻波场就是一种纵模，每种纵模用q标记。
纵模的谐振波长和频率由下式确定：
λq=2L/q，fq=q·
C/2L
4.3激光的特性
激光也是一种光，它具有一般光的共性，如光的反射、折射、衍射以及干涉等。
激光还具有不同于普通光的一些基本特性，即高强度、单色性、相干性和方向性。
普通光源的发光是以自发辐射为主，发光物质中大量的发光中心基本上是无秩序地、相互独立地产生光发射的，各个发光中心发出的光波无论方向、相位或者偏振状态都是不同的，亦即在全部发光过程中，发光中心的相互独立的个体行为占主导地位。
而激光不同，它的发光是以受激辐射为主，发光物质中大量的发光中心基本上是相互关联地产生光发射，各个发射中心发出的光波具有相同的频率、方向、相位和偏振状态，亦即在全部发光过程中，发光中心的相互关联的集体行为占主导地位。
1.高强度
光的强度通常是指单位时间内通过单位面积的光能量，光强度用W/cm2作单位。
光源的亮度B通常是指在光源表面的单位面积S上，在垂直于表面的方向，单位时间T在单位立体角Ω内发射出的光能W，即B=W/STΩ。
用W/（cm2•sr）作单位。
就光能在空间上的集中而论，如果能将分散在180°
立体角范围内的光能全部压缩到0.18°
立体角范围内发射，则在不必增加总发射功率的情况下，发光体在单位立体角内的发射功率就可提高一百万倍，亦即其亮度提高一百万倍。
就光能在时间上的集中而论，如果把一秒钟时间内所发出的光压缩到亚毫秒数量级的时间内发射，形成短脉冲，则在总功率不变的情况下，瞬时短脉冲功率又可以提高几个数量级，从而大大提高了光的亮度。
激光的亮度和强度之所以如此高，原因就是激光可以实现光能在空间上和时间上的高度集中。
2.单色性好
在光学领域中，“单色”是指光的波长（或频率）为一个确定的数值。
实际上严格的单色光是不存在的。
波长为0的单色光是指中心波长为0、谱线宽为的一个光谱范围。
称为该单色光的谱线宽，它是衡量单色性好坏的尺度，越小，单色性就越好。
在激光出现以前，单色性最好的光源是氪86灯，它发出的单色光0=605.7nm，在低温条件下，只有4710-5nm。
激光出现后，单色性有了很大的飞跃。
因为工作粒子数反转和激光振荡只能发生在数目有限的高低能级之间，只有少数几个振荡频率能维持振荡，并且每个振荡频率的振荡宽度远比整个荧光谱线宽度小得多。
用选模技术可使激光器实现单频振荡，单纵模稳频激光的谱线宽度可以小于10-8nm。
单色性比氪灯提高了几万倍到几十万倍。
3.相干性好
光源的相干性可以用相干时间或相干长度来度量。
相干时间是指光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔。
在这个最大的时间间隔内光所走的路程（光程）就是相干长度，它与光源的单色性密切有关，即
式中，L是相干长度；
0为光源的中心波长；
为光源的谱线宽度。
这就是说，单色性越好，相干长度就越大，光源的相干性也越好。
某些单色性很好的激光器所发出的光，采取适当的措施以后，其相干长度可以达到几十公里。
而单色性很好的氪灯所发出的光，相干长度仅为78厘米，用它进行干涉测量时最大可测长度只有38.5厘米，其它光源的相干长度就更小了。
4.方向性好
光束的方向性是用光束的发散角来表征的。
普通光源由于各个发光中心是独立地发光，而且具有不同的方向，所以发射的光束是很发散的。
即使是装上聚光系统，要使光束的发散角小于0.1sr仍是十分困难的。
而激光则不同，激光的高方向性主要是由受激辐射机理和光学谐振腔对振荡光束方向的限制作用所决定的。
在最好的情况下，输出光束的方向性可以达到由光束截面直径D所决定的衍射极限，即光束的立体发散角Ω≈（2.44/D）2。
光束的方向性越好，意味着激光束可以传播到越远的距离或在焦点上获得越小的光斑尺寸。
激光的高方向性使得激光能有效低传递较长的距离，能聚焦到极小的光斑尺寸（焦点光斑面积直径可以<
10μm），获得极高的能量密度，这些是激光加工的重要条件。
基模高斯分布光束直径和发散角最小，其方向性最好，在激光切割、焊接中也最有效。
4.4激光加工材料的物理过程及激光加工的特点
一、激光加工的基本原理
人们在日常生活中发现，太阳光经过凸透镜以后可以聚焦成一个很小的光点，如果把纸张等易燃物放到凸透镜下焦点的地方，很快就会燃烧。
这说明光本身就是一种能量，经过聚焦以后，能量集中到焦点附近，使温度达到300℃以上。
然而，直接利用太阳光聚焦进行材料加工是困难的，因为照射到地面的太阳光能量密度不够大，再者，照射到地面上的太阳光虽近似于平行光，但因为其是非单色光，经过透镜折射时，不同色光焦距各不相同，很难聚焦成很细的光束，更不能聚焦成只有几十微米的小光斑。
这样就不可能在焦点附近获得足够大的能量密度和足够高的温度来加工工件。
激光则不同，由于它的强度高，方向性好，单色性好。
可以通过一系列的光学系统，把激光束聚焦成一个很小的光斑（直径仅有几微米到几十微米），获得107~1011W/cm2的能量密度以及10000℃以上的高温。
从而能在几毫秒甚至更短的时间内使各种物质熔化和气化，以达到蚀除材料的目的。
激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。
它即包括复杂的微观量子过程，也包含激光作用于各种介质材料所发生的宏观现象——激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉、偏振、光电效应、气体击穿等。
激光束与材料相互作用过程可形成多种加工工艺，例如，有的要求激光对材料加热并去除材料，如切割、打孔等；
有的要求将一种或多种材料加热到熔化程度而不要求去除材料，如焊接和合金化等连接过程；
有的则要求加热到一定温度是使材料组织发生相变，如表面强化和硬化等。
但无论哪种加工工艺，它们所涉及的激光与材料相互作用的原理基本是一致的，即当一束空间强度和时间特性分布确定的激光照射到金属表面时，随着照射时间的推移将产生如下几个过程：
1.激光强化过程。
这时激光脉冲能量足够高，作用时间足够短，并具有相应的初试条件。
激光束对材料表面产生局部压应力而形成表面强化过程。
2.激光的反射、吸收、加热过程
当一束激光照射到材料表面时，一部分能量将被反射掉。
金属对激光的反射因激光的波长不同而不同，各种金属对常用的CO2激光和YAG激光的反射率的实验结果如表4-1所示。
表4-1主要金属对常用激光的反射率
反射率%
金属材料
波长0.9~1.1μm
波长9~11μm
Au
94.7
97.7
Ag
96.4
99.0
Cu
90.1
98.4
Fe
65.0
93.8
Mo
58.2
94.5
Al
73.3
96.9
W
62.3
95.5
Sn
54.0
87.0
Si
28.0
钢铁（1%C）
63.1
92.8~96.0
康铜
72.4
94.2
从表中可以看到：
Au、Ag、Cu的反射率特别高，常用来作反射镜。
一般而言，电导率高的材料对光波的反射率也高。
此外，反射率与金属表面的粗糙度有关，镜面的反射率最高。
钢铁对红外波长的激光的反射率也很高，给激光加工带来不利的影响，但钢铁工件的表面经过黑化处理后，能吸收90%以上的激光。
除了一部分能量被反射掉，其余部分能量透入材料内部而被材料所吸收，透入材料内部的能量主要对材料起加热作用。
由于大量光子是通过与金属晶格的相互作用使其产生振动而转换成热能，所以，吸收系数与材料结构、激光波长以及是否偏振有关。
表面粗糙、具有人为涂层的表面、加工中金属表面形成的液相和气相等都有利于提高材料对光能的吸收。
被金属表面吸收的功率密度会深入材料内部，其规律为：
式中，q（z）表示沿光束轴线方向，距金属表面深度z处的光功率密度；
α表示光在材料中的吸收系数；
qi为入射激光束的光功率密度；
R为材料表面的反射率。
多数金属的吸收系数α=105~106cm-1。
吸收过程只限于被照射表面下0.01~0.1μm范围内。
根据现代的研究认为：
光子的能量主要被导电电子所吸收，并在与晶格的碰撞中，在很短的时间内（10-11~10-10s）把电子的能量传给晶格，结果引起材料温度的上升。
然后按热传导的机理向周围和内部传播，从而改变材料表面及内部各点的温度。
3.材料的熔化与气化
激光对金属的加热可以看作是一种表面热源，在表层光能变为热能，其向金属深处的传播遵循一般的热传导规律。
在足够高的功率密度和激光束照射下，材料加工表面达到熔化甚至气化温度，从而使材料熔融溅出或气化蒸发，与此同时，材料内部的微裂纹与缺陷由于受材料熔融和其它场强变化而进一步萌生和扩展，从而导致周围材料的疲劳和破坏。
激光功率密度过高时，材料在表面上气化，而不在深层熔化。
如果功率密度过低，则能量就会扩散而加热较大的体积，这时会使焦点处熔化深度很小。
金属材料在系列脉冲激光束的作用下，当第一个脉冲到达材料表面并被吸收时，由于材料表面的温度梯度很陡，表面上先产生熔化区域，接着产生气化区域。
当下一个脉冲来临时，光束能量在熔融状态材料的一定厚度内被吸收，此时较内层材料就能达到比表层气化更高的温度，使材料内部气化压力加大，促使材料外喷，把熔融状的材料也一起喷了出去。
所以，在一般情况下，材料是以蒸气和熔融态两种形式被蚀除的。
如果功率密度更高而脉冲很窄时，在很短时间内多次将气化能量输给材料，引起局部过热现象，从而引起爆炸性的气化，此时材料完全以气化的形式被蚀除，而几乎不出现熔融状态。
非金属材料在激光照射下的蚀除十分复杂。
一般来说，非金属材料的反射率比金属低得多，因而非金属吸收到材料内部的能量比金属多，加上非金属材料的导热性较差，使得热影响区的热动力学过程与金属材料有本质差别。
二、激光加工的特点
激光加工是将激光束照射到加工物体的表面，用以去除或熔化材料或改变物体表面性能，从而达到加工的目的。
因此激光加工属于无接触加工，它的主要特点包括：
1.激光加工的功率密度高达107~1011W/cm2，几乎可以加工任何材料。
例如各种金属材料、石英、陶瓷、金刚石等，如果是透明材料（如玻璃）也只需采取一些色化和打毛措施，仍可加工。
2.加工精度高。
激光束易于导向、聚焦和发散，根据加工要求，可以得到不同的光斑尺寸和功率密度。
由于激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可以加工微孔和窄缝，适合于精密微细加工。
3.加工质量好。
激光束照射到物体的表面是局部的，虽然加工部位的热量很大、温度很高，但光束和工件的相对移动速度快，对非照射的部位几乎没有影响，因此，激光加工的热影响区小。
如热处理、切割、焊接过程中，加工工件基本无变形。
4.激光加工所用的工具是激光束，是非接触加工，加工时没有明显的机械力，没有工具损耗问题，加工速度快，容易实现加工过程自动化。
此外还可以通过透明体进行加工，如对真空管内部进行焊接加工等。
5.加工中易产生金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应带防护眼镜。
4.5激光加工的基本设备
激光加工时，是将光束与加工工件表面作相对运动，既可以是光束运动，也可以是工件运动，也可以是光束与工件同时运动。
在运动中，要求光斑尺寸可调、功率或能量可调，以达到各种加工的目的。
有时还要求光束与加工工件表面成法线方向。
要完成这些功能，必须有完整的激光加工系统。
一、激光加工机的基本组成部分
激光加工系统的基本组成部分包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部分，其结构原理如图4-3所示。
1.激光器是整个激光加工系统的核心，它的任务就是把电能转变成为光能，产生所需要的激光束。
对激光器的基本要求是稳定、可靠，只有长期稳定运行的激光器才能完成加工任务。
不同的应用对激光束的质量和波长有不同的要求。
波长越短，金属表面对激光的吸收越大。
目前常用的激光器分类方法有按工作物质、工作方式和输出特性3种分类方法：
1）按工作物质的形态可以分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器以及液体激光器4类。
2）按激光器的工作方式不同又可以分为连续激光器和脉冲激光器两类。
3）按
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