激光热加工原理
激光加工原理
激光加工原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。
由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。
由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。
目前，公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称冷加工)。
激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。
热加工具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。
光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程。
冷加工具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。
这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。
例如，电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜，在半导体基片上开出狭窄的槽。
第一版激光加工简介激光加工是激光系统最常用的应用。
根据激光束与材料相互作用的机理，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。
激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。
包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。
由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。
激光加工原理的特点和应用
激光加工原理的特点和应用概述激光加工是一种基于激光光束的材料加工技术，具有高精度、高速度、非接触性等特点，因此在许多领域都有广泛的应用。
本文将探讨激光加工的原理、特点以及应用领域。
原理激光加工是利用激光光束照射材料，通过光与物质相互作用来完成材料的加工。
其原理主要包括以下几个方面：光的特性激光是一种具有高度聚焦性、单色性、相干性和高亮度的电磁波。
这些特性使得激光能够将大量的光能集中在极小的面积上，从而实现高精度的加工。
光与物质的相互作用激光与物质相互作用的方式包括吸收、散射和透射。
当激光光束照射到材料表面时，光能会被材料吸收或散射，从而引起相应的热效应或化学反应。
通过控制激光的功率、频率和持续时间，可以实现不同的加工效果。
光与材料的选择激光加工可以应用于不同类型的材料，包括金属、非金属、有机和无机材料等。
不同的材料对激光的吸收和反射程度不同，因此在选择激光加工参数时，需要考虑材料的物理和化学特性。
特点激光加工具有以下几个显著的特点：1.高精度：激光加工的光束可实现高度聚焦，因此可以实现精确的切割、打孔和雕刻等加工操作。
2.高速度：激光加工的光束可以快速地进行加工，因此具有较高的加工效率。
3.非接触性：激光加工是通过光与材料的相互作用来实现加工，不需要直接接触材料表面，从而可以避免刀具对材料的损坏和磨损。
4.热影响区小：激光加工的热影响区相比传统加工方法较小，可以减少材料的变形和热损伤。
应用激光加工在许多领域都有广泛的应用，包括以下几个方面：制造业激光加工在制造业中广泛应用于金属加工、塑料加工和玻璃加工等领域。
例如，激光切割可以实现金属板材的高速切割，激光焊接可以实现金属零件的无缝连接。
电子产业激光加工在电子产业中有着重要的应用，例如，激光打标可以实现对电子元器件进行标记和序列号的刻印，激光切割可以实现电路板的精确切割和修整。
医疗领域激光加工在医疗领域中被广泛应用于手术、治疗和诊断等方面。
例如，激光可以用于进行眼科手术，激光切割可以用于进行组织切割。
激光热处理
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• 3）理想的涂层材料。激光辐照所形成的熔池区域的温度 梯度很大，易导致生成裂纹。金属基体与陶瓷粉末的相容 性差，也容易导致裂纹和空洞。因此选配合适的涂层与基 材，以增进配合，减少界面应力。 • 4）激光热处理过程控制的智能化。智能化是柔性自动化 的新发展和重要组成部分，是将人工智能融入制造过程的 各个环节 通过模拟专家的智能活动。系统能监测其运行状 态 在受到外界或内部激励时，能自动调节其参数，以达到 最佳状态，具备自组织能力，是21世纪的先进制造技术。 激光热处理是一个多变量相互作用的过程。过程控制 中，多个参量常常是在一定范围内波动而又相互影响。没 有绝对分明的定量界限，处于模糊状态，而智能控制是一 种新型控制技术，采用并行处理，它适用于问题中参量排 列组合非常复杂的情况以寻找最佳答案。未来智能控制在 激光热处理的光学检测和自动跟踪方面的应用将是发展方 向。
激光热处理技术
一 原理
• 激光热处理是一种表面热处理技术。强激光照射金属表面 时，若克服高反射，大部分透入金属表面被吸收。激发态 的电子与晶格或其它电子碰撞，将金属表面局部的热量迅 速向内部传递，形成极高的冷却速度，使表面硬化。 • 激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位 面积上集中极高的功率。由于功率密度极高，工件传导散 热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速 升温到奥氏体化温度实现快速加热。当激光加热结束，因 为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加 热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬 火等热处理效果。
四 激光表面处理技术存在的问题及 发展趋势
• 1）激光热处理的基础理论及数学模型。激光处理的快速 加热和随后的快速冷却远远偏离了平衡过程，因此 对其加 热、凝固过程的相变动力学 热力学和原子扩散过程 界面 行为 工艺参数和性能之间的函数关系。粉末粒子的加热、 运动规律及相应的性能控制 都需要进一步的丰富与完善。 • 2）能与大功率激光器相匹配的宽带扫描装置。对于大面 积扫描，因激光光斑面积小，必须采用多次搭接技术或大 面积光斑技术， 散焦法、宽带法和转镜法。 多次搭接时 因其每个相邻扫描带的接合处存在一个区域。因此其显微 硬度是波动的，从金相上看 搭接涂层在整体上呈一种宏观 的周期性性能变化， 对大面积光斑技术。当输出功率一定 时 光斑面积越大 功率密度越低 增大光束直径 可能削弱激 光的高能密度和超快速加热优势 因此，能与大功率激光器 相匹配的宽带扫描装置的研究开发是急待解决的关键问题。
简述激光加工原理
简述激光加工原理
激光加工是利用激光束对材料进行切割、焊接、打孔、刻印等加工工艺，其原理包括以下几个方面：
1. 激光生成：激光加工通常使用气体、固体或半导体等材料产生激光。
通过将能量输入到材料中，激发其原子或分子从低能级跃迁到高能级，从而形成光子的放射。
2. 激光放大：通过光纤、杆状介质等介质，将激光束放大为足够高强度的激光束，以便在加工中产生所需的能量密度。
3. 激光聚焦：通过凸透镜或反射镜等光学组件，将激光束聚焦到一个较小的点上，从而实现高能量密度的集中。
4. 材料与激光相互作用：激光束照射到材料上时，会引起材料的吸收、反射和透射等现象，其中吸收是主要的作用方式。
材料吸收激光能量后，表面温度升高，产生蒸发、熔化或烧蚀等现象。
5. 材料去除或改变：根据加工需求，激光能够将材料表面部分或全部去除，或者改变材料的性质，例如将金属切割成特定形状、将塑料焊接在一起等。
6. 控制系统：激光加工设备配备了高精度的控制系统，可以控制激光束的功率、聚焦距离和扫描速度等参数，从而实现复杂的加工过程。
综上所述，激光加工通过激光束的聚焦和控制，使材料与激光相互作用，从而实现对材料的切割、焊接和加工等操作。
激光加工具有高精度、高效率和无接触等优势，在工业制造、医疗器械和电子等领域得到广泛应用。
浅谈激光热处理技术
浅谈激光热处理技术0.前言激光热处理是一种表面热处理技术。
即利用激光加热金属材料表面实现表面热处理。
激光加热具有极高的功率密度，即激光的照射区域的单位面积上集中极高的功率。
由于功率密度极高，工件传导散热无法及时将热量传走，结果使得工件被激光照射区迅速升温到奥氏体化温度实现快速加热。
当激光加热结束，因为快速加热时工件基体大体积中仍保持较低的温度，被加热区域可以通过工件本身的热传导迅速冷却，从而实现淬火等热处理效果。
激光淬火效果：激光淬火层的硬度分布曲线激光淬火层的硬度分布激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。
适用材料为中、高碳钢，铸铁。
激光淬火的应用实例：激光淬火强化的铸铁发动机汽缸，其硬度提高HB230提高到HB680，使用寿命提高2～3倍。
1.激光热处理技术的特点及原理1.1激光热处理的特点（1）生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。
（2）一般无需真空条件，即使在进行特殊的合金化处理时，也只需吹保护性气体即可有效防止氧化及元素烧损。
（3）依靠零件本体热传导实现急冷，无需冷却介质而冷却特性优异。
（4）与各种传统热处理技术相比具有最小的变形，可以用处理工艺来控制变形量。
（5）可处理零件的特定部位以及其它方法难以处理的部位，以及表面有一定高度差的零件, 可进行灵活的局部强化。
（6）强化层与零件本体形成最佳的冶金结合，解决许多传统表面强化技术难以解决的技术关键。
（7）配有计算机控制的多维空间运动工作台的现代大功率激光器，特别适用于生产率很高的机械化、自动化生产。
（8）在零件表面形成细小均匀、层深可控、含有多种介稳相和金属间化合物的高质量表面强化层。
其应用的潜力首先在于大幅度提高表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳的的能力以及制备特殊的耐腐蚀功能表层。
（9）低碳环保，无需冷却介质，无废气废水排放。
1.2激光热处理的原理激光热处理分为激光硬化、激光熔覆和激光合金化。
7-1激光加工技术-激光热加工原理讲解
§
7 1 激 光 热 加 工 原 理 .
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7.1 激光热加工原理
第 七 章 激 光 加 工 技 术
(2) 材料的加热 如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激 光光斑中心轴线上考察点的温度为 2 2 z r 2 AP kt z 0 ierfc T z, t ierfc r0 2 t 2 kt 2 kt 进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光 光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为 r2 q S r q S 0 exp 2 r 持续加热得到的光斑中心的温度最大值为
7.1 激光热加工原理
第 七 章 激 光 加 工 技 术
1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：
(1) 材料对激光的吸收 激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主 要对材料起加热作用。 不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为 A 1 R 当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为
第 七 章 激 光 加 工 技 术
(4) 激光等离子体屏蔽现象 激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后 在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继 续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。 如图7-2所示，为等离子云变化的过程
cl
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如果光功率的损耗全部变成热量，则有
机械制造中的激光加工技术原理
机械制造中的激光加工技术原理激光加工技术是一种高精度加工方法，被广泛应用于机械制造领域。
它通过高能量密度的激光束对材料进行加热、熔化或蒸发，以达到切割、焊接、打孔、雕刻等目的。
本文将介绍激光加工技术的原理及其在机械制造中的应用。
一、激光加工技术原理激光是一种特殊的光束，具有高纯度、高单色性和高相干性等特点。
它是通过将激光材料激发至激光阈值以上，激活其内部的原子或分子，使它们从高能级跃迁到低能级，释放出带有特定波长和相位的光子。
这些光子经过放大、反射和聚焦等处理后，形成一个高强度、高能量密度的激光束。
激光加工技术利用这种特殊性质，对工件进行高精度加工。
在激光加工中，激光束首先经过准直系统和聚焦系统的处理，使其能够在一个很小的焦点上集中能量。
当激光功率足够大时，材料在激光束照射下将发生熔化、汽化或沉积等物理变化。
二、激光加工技术在机械制造中的应用1. 激光切割激光切割是激光加工技术的一项重要应用。
它可以对金属、塑料、纸板等不同材料进行切割，具有高精度、高速度和无接触等优势。
激光切割常用于金属板材加工、制造业和电子行业等领域。
2. 激光焊接激光焊接是利用激光束对材料进行熔化和固化的加工方法。
它具有快速、高效、无接触等优点，适用于对金属、塑料等材料进行精密焊接。
激光焊接广泛应用于汽车制造、航空航天等行业。
3. 激光打孔与刻蚀激光打孔是利用激光束对材料进行穿孔加工的方法。
激光束可以精确控制孔径和孔的形状，适用于多孔板、钢板和塑料板等材料的加工。
激光刻蚀则是利用激光束对材料进行蚀刻，可以制作出复杂的图形和花纹。
4. 激光表面处理激光表面处理是利用激光束对材料表面进行改性处理的方法。
通过调节激光功率和扫描速度等参数，可以改变材料表面的物理和化学特性。
激光表面处理常用于金属材料的硬化、涂层脱附和喷涂等工艺。
三、激光加工技术的发展趋势随着科学技术的不断进步，激光加工技术在机械制造领域中的应用也在不断拓展。
一方面，激光设备的性能和效率不断提高，使得激光加工更加精确、快速和稳定。
激光加工工艺原理与创新技术探索
激光加工工艺原理与创新技术探索激光加工工艺是一种基于激光技术的加工方法，利用激光束对材料进行热熔、热蒸发或者热氧化等过程，实现对材料的切割、焊接、打孔、雕刻等加工操作。
在工业生产中，激光加工工艺已经广泛应用于各个领域，成为了一种重要的加工方法。
激光加工的原理是利用激光器将能量转换为具有很高能量密度和比较单色性的激光束。
激光束经过聚焦透镜进行聚焦，形成一个热点。
当激光束照射到材料表面时，光能被吸收并转化为热能，使材料表面温度升高。
当温度升高到一定程度时，材料就会发生熔化、蒸发或氧化等反应，从而实现对材料的加工。
激光加工的优势在于可以实现高精度、非接触、无切削力的加工操作。
与传统的机械加工方法相比，激光加工不会对材料产生应力和变形，可以实现对复杂形状和特殊材料的加工。
此外，激光加工速度快、能耗低，具有较高的自动化程度。
因此，激光加工工艺被广泛应用于微电子、光电子、汽车制造、航空航天等领域。
在激光加工工艺方面，近年来出现了一些创新技术。
首先是光纤激光器技术的发展。
传统的激光器通常比较庞大，不能灵活应用于狭小的加工空间。
而光纤激光器则具有体积小、功率稳定等优势，可以满足对高细节精度的加工要求。
其次是激光成形技术的发展。
传统的激光加工通常是通过移动工件来实现加工，而激光成形则是通过移动激光束来实现加工。
激光成形技术可以实现对工件的整体加工，可以大大提高加工效率和加工精度。
再次是激光微纳加工技术的发展。
激光微纳加工是指利用激光加工方法对微米或纳米尺度的结构进行加工。
这种技术可以实现对微机电系统、集成光学器件、微纳传感器等微米尺度器件的制备。
激光微纳加工技术具有加工精度高、加工表面质量好、加工速度快等特点，可以满足精度要求较高的微纳加工需求。
最后是激光增材制造技术的发展。
激光增材制造是一种通过逐层加工的方式，将材料层层叠加形成三维实体的加工方法。
激光增材制造技术可以实现对复杂形状、多材料的器件的制备，具有很大的潜力在航空航天、生物医学等领域得到应用。
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7.1 激光热加工原理
第 七 章
(2) 材料的加热 如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激 光光斑中心轴线上考察点的温度为
激 光 加
Tz,t 2AP
r0 2
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进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光
光 加
如图7-2所示，为等离子云变化的过程
工
技
术
§7.1
激
光
热
加
工
图7-2 等离子云变化的过程
原
理
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第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
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§7.1
第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
原
理
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7.1 激光热加工原理
第 七
(4) 激光等离子体屏蔽现象 ➢激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后
章
在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。
分困难
§7.1
➢简化：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面受到均匀的激光垂直照
射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，
以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形
激 光
激光光斑中心的温度可以由下式确定
热 加 工
T 0, AP
r0t
原
理
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光 热 加
➢一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深 度为1/a
工
原
理
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7.1 激光热加工原理
第 七 章
(2) 材料的加热 ➢为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的 均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为
技
光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为
术
qS
r
qS0
exp
r2
2 r
持续加热得到的光斑中心的温度最大值为
§7.1
T 0,0, AqS0r
23 2 t
激 光
(2) 材料的熔化与汽化
热 加 工
➢激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化；激光功率密度过低， 则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小
7.1 激光热加工原理
第
1.无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，
七
使激光与物质相互作用。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图7-1示
章
激 光 加 工 技 术
§7.1
激
光
热
加
图7-1 各种参数条件下激光加工的可能应用和影响
工
原
理
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技
➢当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为
术
R n 1 2 n1 12 n22
n 1 n1 12 n22
(2) 材料的加热
➢设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有
§7.1
q0 Aqi qi 1 R
激
➢激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 qz q0eaz
激 光
cl
T t
x
t
T x
y
t
T y
z
t
T z
Qx,
y,
z,t
加
如果光功率的损耗全部变成热量，则有
工 技
Qx, y, z,t qx, y, z,t
术
从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激
光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求解十
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§7.1
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§7.1
第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
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第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
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§7.1
第 七 章 激 光 加 工 技 术
激 光 热 加 工 原 理
7.1 激光热加工原理
第 1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面：
七 章
(1) 材料对激光的吸收 ➢激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主
激
要对材料起加热作用。
光 加
➢不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为
工
A 1 R