第五章激光加工特种加工课件.pptVIP

Precision Engineering Lab., Xiamen Univ. 高能束（High Energy Density Beam: HEDB）加工 利用高能量密度的束流（激光束、电子束、离子束）作为热源，对材料或构件进行加工的特种加工技术。 主要包括： 激光加工（Laser Beam Machining: LBM） 电子束加工（ Electron Beam Machining: EBM） 离子束加工（Ion Beam Machining: IBM） 现在是1页\一共有36页\编辑于星期五 §5 激光加工 激光（Laser）是二十世纪60年代发展起来的一门新兴科学。自1960年七月美国T.梅曼制成世界第一台红宝石激光器，激光技术迅速发展。 激光加工可以用于焊接、切割、打孔、打标、热处理、快速原型等。 激光是可控的能量密度大的单色光。 现在是2页\一共有36页\编辑于星期五 §5 激光加工 §5.1 激光加工的原理和特点 §5.2 激光加工的基本设备 §5.3 激光加工工艺及应用 现在是3页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1 激光加工的原理和特点 §5.1.1 激光的产生原理 §5.1.2 激光的特性 §5.1.3 激光加工的原理和特点 现在是4页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.1 激光的产生原理 光的物理概念 光的电磁学说 在一定波长范围内的电磁波。 ——波长； ——频率； ——波速； 现在是5页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.1 激光的产生原理 光的物理概念（续） 光的量子学说 光是一种具有一定能量的以光速运动的粒子流（光子）。不同频率的光对应不同能量的光子： E——光子能量； v——光的频率； h——普朗克常数； 现在是6页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.1 激光的产生 原子的发光 基态与激发态 电子在最靠近原子核的轨道上运动时，原子所处的能级状态称为基态。 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，被激发到高能级，称为激发态（高能态）。 现在是7页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.1 激光的产生 原子的发光（续） 跃迁 原子从高能级回到低能级的过程称为“跃迁”。 被激发到高能级的原子不是很稳定，总是力图回到能量较低的能级去。 具有亚稳态能级的原子和离子的存在是形成激光的重要条件。 现在是8页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.1 激光的产生 原子的发光（续） 光辐射 当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，常常以光子的形式辐射出光能量： 自发辐射 原子从高能级自发地跃迁到低能级而发光的过程称为自发辐射。（日光灯发光） 各受激原子跃迁回到基态的时序先后不一，且具有多个能级，因此方向性、单色性都很差。 现在是9页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.1 激光的产生 原子的发光（续） 受激辐射 满足一定频率要求的一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，刺激处在激发能级上的原子跃迁回到低能级，同时发出一束与入射光具有相同特性（频率、相位、传播方向、偏振方向等）的光。 现在是10页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.1 激光的产生 激光的产生条件 粒子数反转 具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发条件下，吸收光能，使处于亚稳态（高能级）的原子数目大于处于基态（低能级）的原子数目的现象。 受激辐射 在粒子数反转的状态下，一束光子入射该物体，当光子能量恰好等于两个能级相对应的能量差时，产生受激辐射，输出大量光能。 现在是11页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.1 激光的产生 现在是12页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.2 激光的特性 激光具有一般光的共性（反射、折射、干涉等），也有其特性。（受激辐射） 强度、亮度和能量密度高：一台红宝石激光器的亮度是太阳表面亮度的两百多亿倍。 空间上和时间上的集中 单色性好：具有很窄的谱线宽度。 相干性好：单色性越好，相干长度越长。 方向性好：具有很小的发散角。 现在是13页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.3 激光加工的原理和特点 激光加工原理 利用高强度、方向性好、单色性好的相干光，获得极高的能量密度（108~1010W/cm2）和10000℃以上的高温，使材料在极短的时间内（千分之几秒甚至更短）熔化甚至气化，以达到去除材料的目的。 现在是14页\一共有36页\编辑于星期五 §5.1.3 激光加工的原理和特点 激光加工特点 聚焦后，激光加工的功率密度非常高，光能转化为热能几乎可以熔化、气化任何材料。 激光光斑可以聚焦到微米级，输出功率可调，能够实现精密微细加工。 非接触式加工，无机械力，无工具损耗，易实现加工过程自动化。 与其他高能束加工比较，加工装置比较简单。