激光加工的关键技术

二、激光加工的一般原理
激光加工大多基于光对非透明介质的热作用， 也即吸收光能引起的热效应。 因此， 激光 光束特性、材料对光的吸收作用和导热性等对激光加工有很大影响。
用于激光加工的激光束常用基模 (TEM00)，因为，它有轴对称的光强分布，能达到最佳 的激光束聚焦。当高斯光束入射到焦距为 f 的透镜面的光束截面半径为 ω ，则由短焦距透镜
这一章将主要论述激光加工及激光加工的关键技术——激光加工系统和激光加工技术。
第一节
激光加工
一、激光加工的概念和特点
激光加工是指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变，
或物体性能改变的加工
过程。 是利用激烈的局部加热融化和气化材料产生 “自由电子的迅速释放， 然后与金属的离
子结构相互作用引起局部激烈声振子和声子”，结果产生了具有宽顶带辐射的“羽状烟柱”
非金属材料的反射率和吸收系数
则在很大的范围内变化。
因为金属表面层吸收的光能转化为热能，而热能又以热传的导热性对材料的加热影响很大。 根据热传导理论可以计算激光照射下被加工
材料表面的温度和内部的温度分布。 知道温度场分布对判断能进行什么加工提供依据。
例如
进行焊接必须达到材料的熔化温度， 而打孔、 切割一般必须达到汽化 ( 沸点 ) 温度。 长脉冲或
来说，在光学波段上有高的反射率 (70 ％一 95％ ) ，大的吸收系数 〔 105— 106／ cm)。一般认为
光在金属表面层里， 能量就被吸收掉了， 并把吸收的光能转化为热能， 使材料局部温度升高，
然后以热传导方式把热传到金属内部。 此外， 金属的反射率与金属的表面状况有关， 粗糙的
表面和有氧化物膜层的表面较之光滑表面有更小的反射率。
无噪声。由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的， 因此可以实现各种加工的目的。
3．能穿过透光外壳对密封的内部材料进行加工；
4．加工精确度高，适用于自动化。 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。
通过外光路系统可以使光束改变方向， 灵活的加工系统。
因而可以与数控机床、 机器人连接起来， 构成各种极
(3) 使用电加工的方式来加工一些小型的复杂零件
, 但所需使用的电极数量太多 , 准备电极
所需的时间大大加长了生产周期 , 并且生产成本很高。激光加工可以很好的解决这些加工难 题。而且生产周期短，生产成本低。
目前使用的激光加工工艺方法主要包括：切割、焊接、快速成型、打孔、打标、雕刻、 划线、表面处理等等。
1．光点小、能量集中、加工点位置以外的热影响小；
由于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， 但移动速
度快，对非照射的部位没有什么影响．因此，其热影响区很小。
2．无接触加工，对工件不污染；
激光加工就是将激光束照射到加工物体的表面， 用以去除或熔化材料以及改变物体表面 性能从而达到加工的目的， 因此属于无接触加工。 其主要特点是无惰性， 因此其加工速度快、
刻槽、标记等。热加工对金属材料进行焊接、表面强化、切割均极有利；冷加工则对光化学
沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化很合适。
激光热加工的光源主要采用红外激光器，如 CO2激光器、 CO激光器和 Nd： YAG激光器。
激光光化学反应加工的光源主要采用紫外激光器，如准分子激光器。
激光加工与其它方法比较，有如下的一些优越性；
连续激光正入射时，光点中央的温度值 T与被吸收的光功率、导热系数、表面吸收率之间的
关系为：
AP T
kr0
式中， A为表面吸收率， P为被表面吸收的光功率， r 0为光斑半径， k为导热系数。
在一个脉冲作用时间内，材料通过单位面积吸收，使深度为
h的材料温度升高到汽化所
需的能量 ( 未考虑传导、辐射等损耗 ) 为
率时，折射率和消光系数迅速增大，此时，激光被金属反射，吸收很少；在等离子频率附近
时，折射率出现一个极小值，而消光系数值单调下降，因此，
在等离子频率附近激光被较好
的吸收；激光频率继续上升，远大于等离子频率时，折射率迅速趋近于
1，而消光系数迅速
变为 0，因此，金属对激光是透明的。 事实上，金属对除了极高能紫外线和更高频的
第二章 激光加工的关键技术
在以往的生产加工过程中 , 经常会遇到下面这样的难题 : (1) 零件的形状既小又复杂 , 即便是用最小的刀具也无法进行理想的加工。 (2) 为了加工出微型的零件 , 不得不用很小的
铣刀、钻头等刀具 , 但刀具的寿命非常短 , 或者很容易断裂 , 很难保证零件的精度和一致性。
W h[Cs Tm T0 C p TB Tm Lm Lr ]
式中， T0是起始温度， Tm是熔化温度， TB是沸点温度， Cs是固体的比热． Cp是液体的比热， Lm和Lr分别是熔解热和汽化热， ρ是材料密度， h是孔的深度。 三、激光加工系统
激光加工系统主要包括激光发生器（简称激光器）、数控工作台（加工机床）和导光系 统（光束传输、聚集装置）、控制系统及检测系统。此外，还有冷水机组、气体（包括激光 工作气体和切割、焊接用辅助气体） 供应 （包括净化）站以及计算机辅助设计及编程等配套 设备。图是激光加工系统的示意图。
聚焦后，焦点处的光斑截面半径 ω 0’近似为
f
0
从而可以算出经透镜聚焦后焦平面上的功率密度。
如果激光是高阶横模， 光束具有非轴
对称结构， 光斑尺寸比基模显著增大， 在激光总功率相同的情况下， 焦点处的功率密度将减
小。 由于在大多数金属中． 等离子频率远大于阻尼因子， 因此， 在激光频率远小于等离子频
强烈的热效应。 按光与物质相互作用机理， 大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应
加工两类。 激光热加工系指激光束作用于物体所引起的快速热效应的各种加工过程；
激光光
化学反应加工系指激光束作用于物体， 借助高密度高能量光子引发或控制光化学反应的各种
加工过程，也称为冷加工。热加工和冷加工均可对金属材料和非金属材料进行切割、打孔、
x射线激光是透明的外，对其余辐射都是
不透明的； 而金属的等离子频率处于紫外到近红外波段， 因此．从近红外激光、可见激光到
紫外激光对金属加工较为有利； 对远红外激光， 金属儿乎是反射的， 因此对金属进行加工时，
若是用远红外激光， 就必须对表面采取必要的增强吸收的有效措施， 或者使用超高能激光束。 当光波照射在不透明物体表面时， 使一部分光被反射， 另一部分光被吸收。 对多数金属