特种加工__12第五、六章 激光加工与电子束、离子束加工修改.ppt

特种加工技术 第五章 激光加工 Laser Beam Maching(LBM) 20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学,可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理以及激光存储等。 “激光”(Laser即Light Amplification by stimula-ted Emission of Radiation的缩写）,意思是利用辐射受激得到的加强光。 相对于普通光，激光有强度高、单色性好，相干性好和方向性好的特性。根据这些特性将激光高度集中起来,聚焦成一个极小的光斑(面积＜1/100mm2,从而获得功率密度极高100,000kW/cm2)这就能提供足够的热量来熔化或汽化任何一种已知的高强度工程材料,故可进行非接触加工,适合各种材料的微细加工。 激光为什么可以用来加工？ 普通太阳光 聚焦后可以点燃木材、纸张，但不能用于加工，原因是：1）地面上的太阳光的能量密度不高；2）太阳光不是单色光，聚焦后不在同一平面内 激光 可控的单色光，强度高，能量密度大，可以在空气介质中高速加工各种材料。 激光现代制造技术前沿综述 激光现代制造技术前沿综述 激光制造是以激光光子作为能量的载体，通过光子与材料的相互作用，引起材料一系列的物理和化学变化，从而实现材料的制备、成型、改性和联结等。迄今为止，激光制造技术已形成了激光焊接、切割、打孔、刻槽、标记等十几种应用工艺，并且迅速取代传统加工方法，在汽车、电子、航空航天、铁路、船舶等工业部门广泛应用。 激光制造的益处缩短制造周期，提高加工效率：传统方法研制开发一代新车一般需要５～７年时间，采用计算机辅助设计和辅助制造技术后，新车型的开发周期缩短到了３年，在此基础上应用激光技术，新车型的开发周期缩短到７个月。 激光现代制造技术前沿综述 １９９８年美国国家研究理事会发布哈里森计划，指出“除了成功应用在信息领域外，激光技术对经济最重要的贡献是在制造业和加工业。因此，各个部门应该支持其发展，使光技术成为一个综合性学科，增进美国经济、军事实力。” 在德国，政府制定了“尤利卡计划”、“激光２０００”、“德国２００２－２００６光学促进计划”等一系列发展规划，德国总理２００２年指出：电子、生物、激光技术是德国新的科技领域的三大发展重点。 从激光加工市场比较来看，２００２年的国际产值为２９．９亿美元（近２５０亿元人民币），而国内仅为１０．３亿元人民币，这说明国内传统工业技术改革和新兴工业市场留给激光加工还有很大空间。   第一节 激光加工的原理和特点 激光的产生原理 激光的特性 激光加工的原理 激光加工的特点 1 激光的产生原理 光的物理概念 原子的发光 激光的产生 光的物理概念 光既具有波动性、又具有微粒性——波粒二象性 根据电磁学，光是在一定波长范围内的电磁波 根据量子学，光是一种具有一定能量得以光速运动的粒子流（光子） 原子的发光 原子的激发、跃迁 基态时原子可长时间存在，激发态时原子停留时间很短。 有些原子在某些能级上停留时间较长，这些能级称为亚稳态能级 亚稳态能级的存在是形成激光的重要条件 原子的跃迁是以光子的形式释放能量 物质发光自发辐射和受激辐射两种 激光的产生 某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转 若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这是就会产生受激辐射，输出大量的光能。 2 激光的特性 激光具有光的共性（反射、折射、绕射及干涉等等） 普通光源的发光是自发辐射，基本上是无秩序的、相互独立地产生光发射。发出的光波的方向、相位和偏振状态都不同。 激光是受激辐射，有组织、相互关联地产生发射，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振状态和严格的相位。所以激光具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好。 3 激光加工的原理和特点 激光加工的原理 经过透镜聚焦后,在焦点上达到很高的能量密 度，光能转化为热能，靠光热效应来加工的。 激光加工的特点 1)聚焦后，激光的功率密度很高，光能转化为热能，几乎可以熔化任何材料。 2）激光光斑大小可以达到微米级，输出功率可调，可以用于精密微细加工。 3）工具是激光束，无损耗，无接触，无明显的机械力。加工速度快、热影响区小，容易实现自动化 激光加工的原理和特点（续） 4）与电子束相比，加工装置较简单 5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多。 精微加工时的精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证。 由于光的反射作用，对于表面光泽或透明的材料的加工，需要先进行色化或打毛处理。激光无法加工出非常光泽的表面