激光加工教案1

数控激光加工技术训练教案山东大学工程训练中心激光加工技术训练部第一节概述激光技术涉及光学、机械学、电子学等学科，是一门综合性高技术。

世界上第一台激光器是美国科学家梅曼于1960年研制成功的红宝石激光器。

我国第一台红宝石激光器于1961年9月在中国科学院长春光机所诞生。

梅曼研制的红宝石激光器是用一根红宝石棒作为发光物质（棒两头镀上银膜形成反射镜面），棒外套上一支螺旋状的氙气灯，为了充分利用氙灯光，梅曼又在螺旋氙灯外套上一个反射率很高的圆柱，以便使更多的氙灯光照到红宝石上。

在世界上第一台红宝石激光器问世不久，1960年年底，由工作在贝尔实验室的贾范发明了世界上第一台氦氖激光器，并且在其影响下产生出一系列气体激光器。

此后，1962年出现了半导体激光器；1964年由帕特尔发明了第一台CO2激光器；1965年发明了第一台YAG激光器；1968年开始发展高功率CO2激光器；直至1971年出现了第一台商用1KWCO2激光器。

上述的一切，特别是高功率激光器的研制成功，为激光加工技术应用的兴起和迅速发展创造了必不可少的前提条件。

激光是自问世后很快在实际中得到应用的高技术。

其后，随着对有关基本理论研究的不断深化，各类激光器件不断地发展，从而使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大，所获得的经济效益和社会效益更加显著。

如今，激光技术已经在工业、农业、医学、军工、科学研究、以及人们的现代生活中得到了广泛应用。

从激光微细加工到激光核聚变，从视听装置、激光通讯到捕捉、跟踪、测量飞行目标，从激光育种到激光美容，激光技术都大有用武之地。

激光技术具有很广又很强的渗透性。

激光应用于检测、测距、准直，可大大提高测量精度和自动化程度，使其在机械、建筑、冶金、汽车、石油和国防等领域得到了广泛应用。

激光应用于通讯，使通讯技术产生了质的飞跃；激光应用于信息储存，已使视听技术发生了重大变革；激光分色、打印促进了印刷技术的发展；激光应用于医学，已可治疗110多种疾病，具有独特的效果，是其它医疗器械无法比拟的。

激光应用于材料加工，如打孔、切割、焊接、热处理、打标和微加工等，解决了许多常规方法无法解决或很难解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量，被誉为未来制造系统共同的加工手段。

到目前为止，我国在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标等方面已有许多非常成功的应用范例。

激光合金化和熔覆、激光制备新材料、激光快速三维立体成型等都已在快速走向实用化阶段。

一、激光的特性激光也是一种光，是通过受激辐射发出的。

它具有一般光的反射、折射和绕射等共性。

还有它本身的特性，概括地说，激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。

激光所具有的优异特性是普通光源望尘莫及的。

1.激光的高亮度和高强度激光的亮度和强度高的原因，在于激光可以实现光能在空间和时间上的高度集中。

一台红宝石巨脉冲激光器的亮度比高压氙灯高370亿倍，比太阳表面的亮度也要高200亿倍。

具有很高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温，这就使其可能加工几乎所有的材料。

2.激光的高方向性激光的高方向性主要指其光束的发散角小。

普通光源由于各个发光中心是独立地发光，而且各具有不同的方向性，所以发射的光束是很发散的。

即使是加上聚光系统，要使光束的发散角小于0.1rad，仍是十分困难的。

激光则不同，它的各个发光中心是互相关联地定向发射，所以可以把激光束压缩在很小的立体角内，发散角可以小到0.1mrad左右。

由于激光的方向性好，可以使光束会聚到直径小于0.01mm的面积上，故可用于微细加工。

激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件。

所谓单色性，是指光的波长或频率在一个确定的极窄的数值范围内。

数值范围（即谱线宽度）为零的单色光是不存在的。

波长为λ0的单色光是指中心波长为λ0，谱线宽度为Δλ的一个光图一谱范围。

Δλ称为该单色光的线宽，是衡量单色性好坏的尺度。

Δλ愈小，单色性愈好，见图一。

光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。

4.激光的高相干性激光的相干性，即在空间的不发散性——在远离光源处仍保持起始的横断面尺寸。

激光单色性愈好，则相干长度愈大，相干性愈好。

氪灯光源的相干长度只有78cm；而激光相干长度一般都达数十km。

应当指出，激光的上述特性不是相互无关的，而是相互联系、互相渗透的。

二、激光的产生任何物质都是由原子、分子等基本粒子组成，这些粒子具有一些不连续的离散分布的能级。

能级较低的粒子可以吸收一定频率的光子而跃迁到较高的能级，这种过程称为吸收。

能级较高的粒子可以通过两种方式向外发射出一定频率的光子。

一种方式是自发辐射，各个发光中心的频率、位相、传播方向和偏振状态等都互不相干，与外界影响没有关系。

普通光源即是由自发辐射产生的。

另一种方式是在相应频率光子的打击下，粒子从高能级跳到低能级，称为受激辐射。

在一般情况下，处于高能级的粒子数总是比低能级的少，因此吸收的概率大于受激辐射的概率，吸收作用占优势。

某些物质如氦（He）、氖（Ne）、氪（Kr）原子，氩（Ar）、铬（Cr）钕（Nd）离子，及二氧化碳分子等，在外来能量的激发下，有可能使处于高能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，实现粒子数反转。

当入射光通过这样的物质时，受激辐射作用占优势，吸收较小，从而使入射光子数得到增强，并且增加的那些受激辐射光子的频率、位相、传播方向和偏振状态等都同入射光子完全一致，这就是光的受激辐射放大作用，激光就是这样产生的，因此激光是“受激辐射的光”。

第二节激光加工的原理一、基本原理激光由于强度高，方向性好，颜色单纯，这就有可能通过一系列的光学系统，把激光束聚焦成一个直径仅有数um到数十um的极小光斑，从而获得107——1011W/cm2的能量密度以及摄氏上万度的高温，并能在10-3s或更短的时间内使一些难熔材料急剧熔化以致汽化蒸发，以达到加工工件的目的。

激光加工的机理，目前还不十分清楚，说法不一。

但从大量的实验研究来看，可以这样来认识：当能量密度极高的激光束照射在被加工表面时，光能被加工表面大量吸收，并部分地转换成焦耳热能，使照射斑点的局部区域温度迅速升高到熔化以致汽化，并形成陷坑。

随着光能的继续被吸收，陷坑中的金属蒸汽高速膨胀，相当于产生一个微型爆炸，把熔融物高速喷射出来，同时产生一个方向性很强的反冲击波。

工件在高温和反冲击波的同时作用下，被打出一个带椎度的微型小孔。

那么，这个孔是不是单纯地因高温被烧穿的呢？根据计算表明，把孔中的材料全部汽化所需要的能量比激光所提供的能量要多。

而且热的传递时间要比现在打孔所需要的时间长得多。

再说热量还会向四周扩散，因而孔的形状既不会很规则，也不可能太小。

这证明孔不是烧穿的，而是被光子共振所高速打穿的。

二、加工特点由于激光具有的宝贵特性，因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点：1.由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的；2.它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料；3.激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件；4.激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。

因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小；5.它可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；6.由于激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法；7.生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。

激光加工的上述特点可从下述应用实例中看得很清楚。

[例1]美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异性槽，不到4h 即可高质量完成，而原来采用电火花加工需9h以上，仅此一项，每台发动机造价就可节省5万美元。

[例2]激光可在高硬度、高脆性材料上打出高精度孔，它的加工效率是电火花加工效率的12～15倍，是机械钻孔效率的200倍，而且还便于加工微孔、群孔和异性孔等。

[例3]激光切割钢件其切割工效提高8～20倍，节省材料15～30﹪，可大幅度降低生产成本，且加工精度高，产品质量稳定可靠。

第三节激光加工设备一、组成激光加工设备的种类繁多，但其基本部分包括:激光器、电源、光学系统和机械系统等。

1.激光器它的任务是将电能转变成光能，产生所需要的激光束。

激光器的种类很多，一般按工作物质分为固体、气体、液体、半导体和化学激光器等等。

根据工艺要求，激光照射必须是脉冲性的，既要有较大的脉冲能量，又希望有一定的重复频率。

目前较多地应用于激光加工的有CO2气体激光器和红宝石、钕玻璃、YAG等固体激光器。

2.电源为激光发生器提供所需要的能量。

包括时间控制、触发器、电压控制和储能电容器组等。

3.光学系统用来将激光束聚集，并能观察和调整焦点位置。

4.机械系统主要包括床身、坐标精密工作台和机电控制系统等。

为保证加工精度，机床设计时要求传动链短，尽可能减少传动间隙；光路系统的调节部分，在调整好后，须锁紧固定；刚度应能防止受环境温度等因素影响而引起变形。

加工设备性能特点见下表二、CO2激光器二氧化碳激光器是在激光管内充有CO2—N2—Ar混合气体，激活粒子是CO2分子。

它能以大功率连续输出。

激光波长为10.6um。

效率高达10～30％，且方向性好。

但由于体积大，输出瞬时功率较低，所以应用没有固体激光器那样广泛。

CO2激光器的重要特点是：1）高功率，其最大连续输出功率已达25KW；2）高效率，其总效率为10﹪左右，比其它加工用激光器的效率高得多；3）高光束质量，其模式较好且较稳定。

所有这些优点都是激光加工所需要的。

1.快速轴流CO2激光器图2为快速轴流CO2激光器的示意图，它是由工作气体沿放电管轴向流动来实现冷却，且气流方向同电场方向和激光方向一致，其气流速度一般大于100m/s。

其结构主要由细放电管、谐振腔、高压直流放电系统、高速风机、热交换器及气流管道等部分组成。

附：谐振腔——在激光器中，初始的光信号来源于自发辐射，而自发辐射是杂乱无章的。

怎样在其中选取一定传播方向和频率的光信号，使其有最优的放大作用，而把其它方向和频率的光信号抑制住，最后获得单色性和方向性很好的激光呢？为了达到这 图2个目的，可在工作物质的两端加两块相互平行的反射镜。

这对反射镜所构成的装置，称为光学谐振腔。

快速轴流CO 2激光器的主要特点有：1）光束质量好（基模或TEM 01模）2）功率密度高3）电光效率高，可达26％4）结构紧凑5）可以连续和脉冲双制运行。

因此，这种类型激光器使用范围很广。