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1、第五章 激光加工 激光加工產(chǎn)生于上世紀 60年代初，目前主要用于打孔，切割 焊接，表面熱處理，激光刻字等領(lǐng)域。 Lasser Beam Machining 激光加工是利用光的能量經(jīng)透鏡聚焦后在焦點上達到很高 的能量密度靠光熱效應(yīng)來加工材料的。 陽光聚焦后為什么不能進行加工呢？ 地面陽光的能量密度不高； 陽光不是單色光； 本章的主要內(nèi)容： 第一節(jié) 激光加工的原理和特點 第二節(jié) 激光加工工藝及應(yīng)用 第一節(jié) 激光加工的原理和特點 一 激光產(chǎn)生的原理 1 光的物理概念 根據(jù)光的電磁學說，光實質(zhì)上是一定波長范圍內(nèi)的電磁波。 fc 根據(jù)光的量子學說，可以
2、認為光是一種具有一定能量的光速 運動的光子流，光子的能量為： hfE 一束光的強弱與所含的光子數(shù)量有關(guān)。 2 原子的發(fā)光 基態(tài)： 原子內(nèi)電子在最靠近原子核的軌道上運動最穩(wěn)定，原子 內(nèi)能最低。 E1 E2 E8 0 10.15 13.53 能 量 增 加 比 氫原子的能級 當原子接受一定的外部能量 時，其內(nèi)能增加，外層電子 軌道半徑擴大，被激發(fā)到高 能態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)或高能態(tài)。 除了基態(tài)的其他狀態(tài)都被稱為 高能態(tài) 。 E1 E2 E8 0 10.15 13.53 能 量 增 加 比 氫原子的能級 處于高能態(tài)的原子一般是不 穩(wěn)定的，它總是力圖回到較低 的能級去，這一過程成
3、為“躍遷” h EEf n 1 在基態(tài)時，原子可以長時間穩(wěn)定存在，但在高能態(tài)時原子停留 的時間一般都較短（ 0.01us） ,但有些原子或離子卻能在高能級 或次高能級有較長的壽命，這種具有較長壽命的較高能級稱為 亞穩(wěn)態(tài)能級 。這為激光的產(chǎn)生創(chuàng)造了物質(zhì)條件。 3 激光的產(chǎn)生 以人工晶體紅寶石產(chǎn)生激光為例來說明 激光 的產(chǎn)生。 人工晶體紅寶石基體成分為氧化鋁，其 中摻有 0.05%的氧化鉻，鉻離子鑲嵌在氧 化鋁的晶體中，能發(fā)射激光的就是鉻離 子。當用脈沖氙氣燈照射紅寶石時，使 處于基態(tài) E1的鉻離子大量激發(fā)到 En狀態(tài)， 由于 En狀態(tài)壽命很短，鉻離子又很快跳 到壽命較長的亞穩(wěn)
4、態(tài) E2。這時如果有一束 頻率為 的光子去照射“刺激”它時， 就可以產(chǎn)生從能級 E2到 E1的受激輻射躍遷， 出現(xiàn) 雪崩式連鎖反應(yīng)，發(fā)出頻率為 的單色性很好的光，即激光。 h EEf 12 h EEf 12 21hf E E E1 E3 E2 二 激光的特性 1 激光強度高。原因在于激光可以實現(xiàn)在空間和時間上的亮度 集中。 2 激光單色性好。激光光子的頻率幾乎相同。 3 激光相干性好。 激光的相干性可以用 相干時間 和 相干長度 來衡量。相干時間 是指光源先后發(fā)出兩束光能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的最大間隔時間。 在相干時間內(nèi)光所走過的路程（光程）就是相干長度。
5、 4 激光方向性好。 三 激光加工的特點 1 聚焦后，激光加工的功率密度可達到 108-1010W/cm2，轉(zhuǎn)化成 熱能后，幾乎可以熔化、氣化任何材料。耐熱合金，陶瓷，石英、 金剛石等都能加工。 2 激光光斑的大小可以聚焦到微米級?？梢杂米魑⒓毤庸ぁ? 3 激光加工用的是激光束，是非接觸式加工，沒有明顯的機械 切削力，沒有工具損耗問題，加工速度快，熱影響區(qū)小。 4 和電子束加工相比，加工裝置簡單，不需要復雜的抽真空系統(tǒng)。 5 激光加工是一種瞬時、局部熔化、氣化加工，加工過程影響因 素較多，在微細加工時，重復精度和表面粗糙度不容易保證。 6 加工中產(chǎn)生金屬氣體和火星等飛濺
6、物，要注意通風，戴防護鏡。 第二節(jié) 激光加工工藝及應(yīng)用 一 激光打孔加工 二 激光切割加工 一 激光打孔加工 影響激光打孔精度和質(zhì)量的主要因素有： 1 激光輸出功率和照射時間 輸出功率越大，照射時間越長，工件獲得的激光能量越大。 2 焦距和發(fā)散角 為了獲得較好的孔的質(zhì)量和精度，要求減少激光的發(fā)散角 以實現(xiàn)能量集中，并盡可能采用短焦距加工（ 20mm）。 3 焦點位置 結(jié)論：激光打孔時，焦點應(yīng)處于工件表面或略微低于工件表面為宜。 4 光斑內(nèi)的能量分布 5 激光多次照射 結(jié)論：多次照射的焦點位置宜固定在工件表面而不宜逐漸下移。 二 激光切割加工 激光可以用于切割各種各樣的材料，如金屬材料，還可以切割 非金屬；既可以切割無機物，也可以切割有機物，如皮革。還 可以切割布料、紙張、木頭等。 在切割金屬時，采用 同軸吹氧工藝 ，可以大大提高切割速度。 在切割布匹、紙張、木材等易燃材料時，采用 同軸吹保護氣 ， 如二氧化碳或氮氣等，以防止燒焦和縮小切縫。
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