激光加工物理基礎

1、Institute of Laser Engineering (ILE)第三講第三講激光加工物理基礎簡介激光加工物理基礎簡介(一一)Institute of Laser Engineering (ILE)激光加工是以激光光子作為能量的載體，通過光子與材料激光加工是以激光光子作為能量的載體，通過光子與材料的相互作用，引起材料一系列復雜的物理和化學變化，從的相互作用，引起材料一系列復雜的物理和化學變化，從而實現(xiàn)材料的制備、成形、改性、聯(lián)接和去除等。按照光而實現(xiàn)材料的制備、成形、改性、聯(lián)接和去除等。按照光與物質的相互作用機理，激光加工可分為基于光熱效應的與物質的相互作用機理，激光加工可分為基于光熱效

2、應的“熱加工熱加工”和基于光化學效應的和基于光化學效應的“冷加工冷加工”兩種。兩種。 激光加工的基本概念激光加工的基本概念Institute of Laser Engineering (ILE)激光的多維性特征Institute of Laser Engineering (ILE)Dissociation limitIonization limitGround statemolecules Electronic excitation using a UV laserVibrational excitation using an IR laserhvPhoto ionizationhve-hvI

3、onization激光激光“冷冷”加加工工激光熱加工激光熱加工激光加工的物理機制Institute of Laser Engineering (ILE)材料加工用典型激光器材料加工用典型激光器YAG lasersCO2 lasersCO lasersRuby lasersCOIL lasersSolid state lasersGas lasersDiode lasersDouble (triple ) frequency YAG lasersExcimer lasersCOIL Chemical Oxygen-Iodine Laser ( (化學氧碘激光器化學氧碘激光器) )Nd:YAG N

4、eodymium doped Yttrium Aluminium Garnet ( (摻釹釔鋁石榴石摻釹釔鋁石榴石) ) ExcimerExcited Dimer ( (準分子準分子) )Institute of Laser Engineering (ILE)幾種典型激光的光子能量幾種典型激光的光子能量CO2激光器激光器： =10.6 m、 =h =0.12eVCO激光器：激光器： =5.4 m、 =h =0. 23eVCOIL激光器：激光器： =1.32 m、 =0.93eVNd:YAG激光器激光器： =1.06 m、 =h =1.16eV半導體激光器半導體激光器： = 800-980nm

5、、 =1.251.54eV三倍頻三倍頻YAG激光器激光器： =355nm、 =h =3.48eV KrF準分子激光器準分子激光器: =248nm, =h =4.9eV Institute of Laser Engineering (ILE)CO2和和YAG等紅外激光器，光子能量低，加工過程是以熱的形等紅外激光器，光子能量低，加工過程是以熱的形式體現(xiàn)，即材料吸收激光能量引起溫度升高、熔化或汽化，從式體現(xiàn)，即材料吸收激光能量引起溫度升高、熔化或汽化，從而實現(xiàn)材料表面熱處理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割，而實現(xiàn)材料表面熱處理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割，等等，是為激光熱加工。等等，是為激光熱加

6、工。紫外波長的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子紫外波長的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子的結合能相當?shù)慕Y合能相當（高分子聚合物主要由（高分子聚合物主要由H、C、O、N組成，其中組成，其中C-H鍵的鍵能只有鍵的鍵能只有3.5 eV），），因此，紫外激光作用在這類物質上因此，紫外激光作用在這類物質上將可能直接打破分子間的結合鍵，依靠所謂的光化學作用實現(xiàn)將可能直接打破分子間的結合鍵，依靠所謂的光化學作用實現(xiàn)對該種材料的剝蝕加工，是為激光冷加工。但是，對該種材料的剝蝕加工，是為激光冷加工。但是，高聚物中的高聚物中的C-O, N-N, C-N 的鍵能均高于所有紫外光子的能量的鍵能

7、均高于所有紫外光子的能量，紫外激光加，紫外激光加工聚合物實際上是同時存在光解和熱解兩個過程。紫外激光加工聚合物實際上是同時存在光解和熱解兩個過程。紫外激光加工金屬和大多數(shù)的非金屬則仍然是基于光熱效應的熱加工。工金屬和大多數(shù)的非金屬則仍然是基于光熱效應的熱加工。 紅外飛秒激光加工是屬于熱加工，還是冷加工？紅外飛秒激光加工是屬于熱加工，還是冷加工？ Institute of Laser Engineering (ILE)激光制造工藝方法1、激光熱加工、激光熱加工固態(tài)加熱固態(tài)加熱 退火、表面相變硬化退火、表面相變硬化 熱應力成形、矯直熱應力成形、矯直 控制斷裂切割控制斷裂切割 激光輔助切削加工激光輔

8、助切削加工 熔化熔化 表面拋光表面拋光 表面重熔改性、表面合金化、熔覆表面重熔改性、表面合金化、熔覆 表面織構化表面織構化 金屬零件增材成形、再制造金屬零件增材成形、再制造 熱傳導焊接熱傳導焊接 2、激光、激光“冷冷”加工加工 刻蝕刻蝕 光固化光固化(多光子聚合多光子聚合)成形成形 激光輔助化學蝕除激光輔助化學蝕除 功能材料激光輻照改性功能材料激光輻照改性 汽化汽化 熔深焊接熔深焊接 切割、制孔、雕刻切割、制孔、雕刻 物理物理/化學氣相沉積、化學氣相沉積、 表面清洗表面清洗 沖擊波改性、沖擊波成形沖擊波改性、沖擊波成形 Institute of Laser Engineering (ILE)激

9、光熱加工基本物理過程示意圖激光熱加工基本物理過程示意圖a. 固態(tài)加熱b. 表面重熔c. 小孔效應d. 等離子體屏蔽103W/cm2108W/cm2Institute of Laser Engineering (ILE)激光焊接熔深激光焊接熔深/熔寬與激光功率（密度）的關系熔寬與激光功率（密度）的關系321040 2 4 6 8 10 12 14 16 18 205激光功率(kW)6深度寬度焊縫深度/寬度( mm)材料: st37-2低碳鋼RS20000 CO2激光器, D=100mm, f=300mm, df=1.1mm, f=0 V=2m/min無輔助氣體 Institute of Lase

10、r Engineering (ILE)表面加熱表面加熱切割切割深熔焊接深熔焊接不同加工方法激光束入射條件示意不同加工方法激光束入射條件示意Institute of Laser Engineering (ILE)實現(xiàn)不同激光加工之簡單方法實現(xiàn)不同激光加工之簡單方法Institute of Laser Engineering (ILE)激光加工工藝與激光功率密度及作用時間的關系激光加工工藝與激光功率密度及作用時間的關系Institute of Laser Engineering (ILE)激光加工的特點激光加工的特點作為加工工具的激光特性作為加工工具的激光特性作用時間短作用時間短沒有力的作用沒有力

11、的作用無磨損無磨損良好的可達性良好的可達性精確的加工軌跡精確的加工軌跡功率密度高，并且精確可控功率密度高，并且精確可控整個工件的熱輸入量小整個工件的熱輸入量小激光加工的優(yōu)點激光加工的優(yōu)點-高的加工速度高的加工速度-高的加工質量高的加工質量精確精確變形小變形小無需后續(xù)加工或后續(xù)加工量小無需后續(xù)加工或后續(xù)加工量小-高的柔性高的柔性加工工藝多加工工藝多材料范圍廣材料范圍廣自由幾何形狀自由幾何形狀-易于實現(xiàn)自動化易于實現(xiàn)自動化-與其它加工方法良好的結合性與其它加工方法良好的結合性Institute of Laser Engineering (ILE)激光加工的應用特別適合于以下情況激光加工的應用特別適

12、合于以下情況-改變加工流程改變加工流程降低成本降低成本提高質量提高質量-其它方法無法實現(xiàn)其它方法無法實現(xiàn)-要求沒有力的作用和要求沒有力的作用和/ /或熱輸入或熱輸入量小的情況量小的情況-小批量、多品種小批量、多品種-自動化程度要求高自動化程度要求高激光的應用必然是激光的應用必然是充分地利用充分地利用激光獨有的激光獨有的特性特性,尋找尋找KILLER APPLICATIONS！Institute of Laser Engineering (ILE)金屬對金屬對激光吸收的一般規(guī)律激光吸收的一般規(guī)律Institute of Laser Engineering (ILE)吸收系數(shù)與穿透深度吸收系數(shù)與穿

13、透深度I0I(z)R ：材料表面的反射率；材料表面的反射率； ： 材料的吸收系數(shù)（材料的吸收系數(shù)（cm-1）zeR)I(I(z)01k4k：材料吸收指數(shù)：材料吸收指數(shù) ：激光波長：激光波長 iknnckl41Institute of Laser Engineering (ILE)光在介質界面上的反射和折射光在介質界面上的反射和折射電場強度電場強度E和磁場強度和磁場強度H的切的切線分量在界面上連續(xù)；線分量在界面上連續(xù)；電位移矢量電位移矢量D和磁感應強度和磁感應強度B的法向分量在界面上連續(xù)的法向分量在界面上連續(xù)ttEE21ttHH21vvDD21vvBB21EDHBEckB12EIsinsin20

14、1nin12i0 Institute of Laser Engineering (ILE)垂直入射時的反射率和吸收率垂直入射時的反射率和吸收率 22222)()(knknnnRcc22)(41knnRAInstitute of Laser Engineering (ILE)金屬對激光的吸收金屬對激光的吸收金屬中存在大量的自由電子，如果光子的能量較低（金屬中存在大量的自由電子，如果光子的能量較低（CO2和和YAG等紅外激光等紅外激光屬于此類），通常只對金屬中的自由電子發(fā)生作用，也就是說能量的吸收是通過屬于此類），通常只對金屬中的自由電子發(fā)生作用，也就是說能量的吸收是通過金屬中的自由電子這個中間體

15、，然后電子通過碰撞將能量傳遞給晶格。金屬中的自由電子這個中間體，然后電子通過碰撞將能量傳遞給晶格。21icnnikcc122kn221nkInstitute of Laser Engineering (ILE)212122210121DRARDD12101 2221 21 2 Drude反射率和吸收率反射率和吸收率我們可以很直觀地看出，輻射激光的波長越短（即圓頻率越大）、導電性越差（即電導率0越小），金屬對入射激光的吸收率越高。 Institute of Laser Engineering (ILE)Hagen-Rubens關系式關系式 在低頻輻射時，即22 21021222pkn21021N

16、R2102NA上述反射率和吸收率是Drude反射率和吸收率的一種特例，其適應范圍是十分有限的。對于高導電性金屬，僅在長波輻射時有效（如金屬Ag，波長須大于500m），對于弱導電性金屬，公式的適應范圍可以擴大到中紅外（如金屬Hg，波長大于7m即可）。因此，就現(xiàn)有的可用于金屬材料加工的激光器件而言，只有在CO2激光輻射弱導電性金屬時，才可以采用以上公式計算金屬的反射率和吸收率。 216 .102 .11AInstitute of Laser Engineering (ILE)帶間吸收帶間吸收 當激光的波長較短(0.5m)時，由于激光光子的能量較大，激光除與自由電子發(fā)生相互作用之外，還可對金屬中的束

17、縛電子發(fā)生作用，引起價帶電子向導帶電子的躍遷，從而使金屬的反射能量降低，透射能量增強，金屬對激光的吸收率增大。因此，對可見和紫外激光，必須考慮帶間躍遷(interband transitions)引起的吸收增加，即帶間吸收AIB (Interband absorption)。因此，金屬的吸收率由以下二部分組成，稱為金屬的內(nèi)在吸收或固有吸收，用Ai表示： AAAiDIBInstitute of Laser Engineering (ILE)激光垂直入射時室溫下金屬的吸收率Institute of Laser Engineering (ILE)反射率和吸收率反射率和吸收率 與激光偏振狀態(tài)和入射角的

18、關系與激光偏振狀態(tài)和入射角的關系什么是光的偏振什么是光的偏振電磁波中起光作用的主要是電場矢量，所以電場矢量又叫光電磁波中起光作用的主要是電場矢量，所以電場矢量又叫光矢量。在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，光矢量可能有各種不矢量。在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，光矢量可能有各種不同的振動狀態(tài)，這種振動狀態(tài)通常稱為光的偏振態(tài)。同的振動狀態(tài)，這種振動狀態(tài)通常稱為光的偏振態(tài)。光波為橫向電磁波，電場、磁場、傳播速度三者相互垂直：光波為橫向電磁波，電場、磁場、傳播速度三者相互垂直：2cEcBInstitute of Laser Engineering (ILE)五種常見的光的偏振態(tài)：五種常見的光的偏振態(tài)：一、線偏振

19、光一、線偏振光光矢量只沿一個固定的方向振動，也就是說光矢量只在光矢量只沿一個固定的方向振動，也就是說光矢量只在同一個平面內(nèi)振動，因此線偏振光也稱為平面偏振光。同一個平面內(nèi)振動，因此線偏振光也稱為平面偏振光。E偏振面偏振面：光矢量的方向和光的傳播方向構成的平面光振動在圖示平面內(nèi)光振動在垂直于圖示平面內(nèi)Institute of Laser Engineering (ILE)二、自然光二、自然光自然光不僅初相位彼此不相關，而且光振動的方向也是隨機分布的。自然光不僅初相位彼此不相關，而且光振動的方向也是隨機分布的。在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各個方向振動的光矢量都有。平均來在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)

20、，沿各個方向振動的光矢量都有。平均來說，光矢量具有軸對稱而且均勻分布，各方向光振動的振幅相同。說，光矢量具有軸對稱而且均勻分布，各方向光振動的振幅相同。三、部分偏振光三、部分偏振光介于線偏振光和自然光之間，在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各介于線偏振光和自然光之間，在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各個方向振動的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的光矢量之間沒有固個方向振動的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的光矢量之間沒有固定的相位關系。定的相位關系。在圖示平面內(nèi)的光振動較強在垂直于圖示平面內(nèi)的光振動較強Institute of Laser Engineering (ILE)在垂直于光的傳播方向的平面

21、內(nèi)，光矢量按在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光矢量按一定的頻率旋轉（左旋或右旋）。如果光矢一定的頻率旋轉（左旋或右旋）。如果光矢量端點軌跡是一個圓，這種光叫圓偏振光。量端點軌跡是一個圓，這種光叫圓偏振光。如果光矢量端點軌跡是一個橢圓，這種光叫如果光矢量端點軌跡是一個橢圓，這種光叫橢圓偏振光。橢圓偏振光。四、圓偏振光四、圓偏振光五、橢圓偏振光五、橢圓偏振光 圓偏振光橢圓偏振光圓偏振光和圓偏振光和橢圓偏振光中的光矢量的轉動相當于兩個相互垂直的振動的橢圓偏振光中的光矢量的轉動相當于兩個相互垂直的振動的合成，這兩個分振動之間有確定的相位關系。具體來說，兩束偏振面垂合成，這兩個分振動之間有確定的相位關系。

22、具體來說，兩束偏振面垂直的線偏振光疊加，當相位固定時，獲得橢圓偏振光，當兩束偏振光的直的線偏振光疊加，當相位固定時，獲得橢圓偏振光，當兩束偏振光的強度相等且相位為強度相等且相位為 /2或或3 /2時，得到圓偏振光時，得到圓偏振光。Institute of Laser Engineering (ILE)反射和折射時光的偏振反射和折射時光的偏振自然光在兩種各向同性介質分界面上反射和折射時，不僅光的傳播方向要自然光在兩種各向同性介質分界面上反射和折射時，不僅光的傳播方向要改變，而且偏振狀態(tài)也要發(fā)生變化改變，而且偏振狀態(tài)也要發(fā)生變化。一般情況下，反射光和折射光不再是。一般情況下，反射光和折射光不再是自

23、然光，而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振動多于平行振自然光，而是部分偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振動多于平行振動，而在折射光中平行于入射面的光振動多于垂直振動。動，而在折射光中平行于入射面的光振動多于垂直振動。自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光Institute of Laser Engineering (ILE)布儒斯特定律：布儒斯特定律：反射光的偏振化程度和入射角有關反射光的偏振化程度和入射角有關。當入射角等于某一特定值。當入射角等于某一特定值i0時，反射時，反射光是光振動垂直于入射面的線偏振光。這個特定的入射角稱為起偏角，即光是光振動垂直于入射面的線偏振光。這個特定的入射角

24、稱為起偏角，即布儒斯特角。布儒斯特角。0090i當光以布儒斯特角入射時，反射光和折射光垂直，有：02201cossinsininnin21120nnntgii0i0 n1n2Institute of Laser Engineering (ILE)反射率和吸收率反射率和吸收率 與激光偏振態(tài)和入射角的關系與激光偏振態(tài)和入射角的關系1cos2cos)(1cos2cos)()(222222nknnknRp1cos2cos)(cos4)(1)(222nknnRApp222222coscos2)(coscos2)()(nknnknRv222coscos2)(cos4)(1)(nknnRAvvInstitu

25、te of Laser Engineering (ILE)吸收率吸收率 與激光偏振狀態(tài)和入射角的關系與激光偏振狀態(tài)和入射角的關系吸收率%入射角鐵Institute of Laser Engineering (ILE)切割前沿激光的偏振狀態(tài)切割前沿激光的偏振狀態(tài)E/EEE/E/E切割方向切割方向Institute of Laser Engineering (ILE)切割前沿不同位置的吸收率與激光偏振切割前沿不同位置的吸收率與激光偏振狀態(tài)的關系狀態(tài)的關系切割前沿位置方位角()吸收率Institute of Laser Engineering (ILE)線偏振光切割時切口質量不均勻線偏振光切割時切口

26、質量不均勻Institute of Laser Engineering (ILE)切割前沿能量耦合效率與偏振狀態(tài)的關系切割前沿能量耦合效率與偏振狀態(tài)的關系吸收率傾斜角Institute of Laser Engineering (ILE)偏振態(tài)對焊接的影響偏振態(tài)對焊接的影響Institute of Laser Engineering (ILE)采用平行偏振光進行表面處理采用平行偏振光進行表面處理Institute of Laser Engineering (ILE)采用垂直偏振光進行焊接采用垂直偏振光進行焊接實驗理論入射角吸收率不銹鋼FdfF壓力，df聚焦光斑直徑焊接區(qū)聚焦鏡激光束Instit

27、ute of Laser Engineering (ILE)激光束激光束激光束導帶槽壓力輪傳送輪導帶輪激光束帶材聚焦鏡導帶槽Institute of Laser Engineering (ILE)線偏振激光的獲得線偏振激光的獲得a)b)Institute of Laser Engineering (ILE)圓偏振激光的獲得圓偏振激光的獲得入射激光入射激光線偏振光線偏振光圓偏振光圓偏振光圓偏振鏡圓偏振鏡Institute of Laser Engineering (ILE)表面狀態(tài)對吸收率的影響表面狀態(tài)對吸收率的影響室溫下不同金屬對CO2激光的吸收率金屬(AD10-3)實測最小值(Amin10-

28、3)Ag3.864.77.72Al10.610.018.2Au5.96.08.15Cu4.946.611.4Institute of Laser Engineering (ILE)實際金屬表面的吸收率由兩部分組成實際金屬表面的吸收率由兩部分組成 金屬的光學性質所決金屬的光學性質所決定的固有吸收率定的固有吸收率Ai和表面光學性質所決定的附加吸收率和表面光學性質所決定的附加吸收率Aext AAAiextAAAAextridoxAi 金屬的固有吸收率Aext 表面狀態(tài)引起的附加吸收率Ar表面粗糙度引起的附加吸收率Aid 雜質與缺陷引起的附加吸收率Aox 表面氧化物引起的附加吸收率Institute of Laser Engineering (ILE)表面粗糙度的影響表面粗糙度的影響室溫下35NCD16鋼不同表面狀態(tài)時對不同波長激光的吸收率表面狀態(tài)Ra m平均粗糙度對CO2激光的吸收率(%) = 10.6m對CO激光的吸收