第一章激光先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)

第一章激光先進(jìn)制造技術(shù)基礎(chǔ)

4.激光加工的熱源模型

3.材料的吸收和反射特性2.激光與固體材料的相互作用1.激光束特性

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金玉名言成功者找方法，失敗者找借口

寧可去碰壁，也不要在家里面壁

做任何事情，盡最大努力

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1.1激光束特性相干性單色性方向性亮度高普通光源發(fā)出的光均包含較寬的波長(zhǎng)范圍，即譜線寬度寬，如太陽(yáng)光就包含所有可見光波長(zhǎng)，而激光為單一波長(zhǎng)，譜線寬度極窄，通常在數(shù)百納米至幾微米，與普通光源相比，譜線寬度窄了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。普通光源發(fā)出的光屬于非相干光，不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，而激光有很好的相干特性。激光束疊加在一起，其幅度是穩(wěn)定的。在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，可保持光波前后的相位關(guān)系不變，這是任何其他的光源所達(dá)不到的。普通光源發(fā)射的光射向四方，談不上有什么方向性、光束發(fā)散度大，而激光發(fā)散角小，一般為幾個(gè)毫弧度，方向性也好，如將激光束射向月球，則在月球表面的光斑直徑不超過(guò)2km。激光束能通過(guò)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(如透鏡)聚焦到一個(gè)很小面積上，具有很高的亮度。例如一支輸出功率為1mw的He-Ne激光器輸出的激光，經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后，其亮度比太陽(yáng)的亮度高10萬(wàn)倍。

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1.1.1激光束的形狀與發(fā)散激光場(chǎng)是—個(gè)穩(wěn)定的駐波場(chǎng)，垂直于激光傳播方向的光場(chǎng)分布稱之為橫模，通常講的光束的質(zhì)量，主要是看輸出光束的橫模。激光束的空間形狀是由激光器的諧振腔決定的。

大多數(shù)激光器輸出均為高階模。

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激光模式對(duì)加工的影響1、基模高斯光束2、高階模優(yōu)點(diǎn)：衍射損耗很大，能達(dá)到衍射極限，故基模光束的發(fā)散角小，能量集中。不足：在腔內(nèi)的模體積最小，功率不大，且能量分布不均。應(yīng)用：激光切割、打孔、焊接等優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，能量分布較為均勻不足：發(fā)散厲害應(yīng)用：激光淬火、金屬表面處理等

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3、勻光系統(tǒng)反射式積分聚焦鏡是使用大功率激光進(jìn)行大面積寬帶熔覆和寬帶表面熱處理的必備器件，具有極佳的均光效果。

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發(fā)散與準(zhǔn)直系統(tǒng)4、發(fā)散與光強(qiáng)分布當(dāng)Z=0時(shí)，θ=0（即在束腰處，發(fā)散角為0平面波）

當(dāng)Z=∝時(shí)：

通常將區(qū)域定義為光束準(zhǔn)直區(qū)

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1.1.2激光束的亮度光源亮度是描述發(fā)光表面特性的一個(gè)物理量，光源亮度(B)被定義為立體角內(nèi)每單位面積上的輻射功率(P)。則光源亮度為：對(duì)于接近衍射極限的光束，則：

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1.1.3激光束的聚焦特性1、激光束的聚焦形式透射式：常用于2KW以下的激光加工系統(tǒng)

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球面反射式：適用于千瓦以上的大功率激光器1.1.3激光束的聚焦特性

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球面反射式：適用于千瓦以上的大功率激光器

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采用實(shí)際聚焦透鏡將激光束聚焦所得的最小光斑半徑可近似表示為由衍射所決定的腰斑半徑和由透鏡像差決定的最小彌散斑半徑的和1.1.3激光束的聚焦特性2、聚焦光斑尺寸和焦深最小光斑半徑其中：與最小聚焦光斑半徑相應(yīng)的焦距為：（1）球面透鏡

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焦距與聚焦光斑直徑為得到小的聚焦光斑直徑波長(zhǎng)越小越好，橫模階數(shù)越低越好(b小)，透鏡的k值要小(采用凹-凸鏡)。

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（2）非球面透鏡采用無(wú)像差非球面透鏡聚焦的光斑半徑：由于：對(duì)基模光斑最小聚焦半徑：

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常用激光器的最小聚焦光斑尺寸（f=2cm）

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（3）焦深---激光聚焦的重要參數(shù)之一A、以從束腰向兩邊截取至光束半徑增大5％處B、光軸上其點(diǎn)的光強(qiáng)降低至激光焦點(diǎn)處的光強(qiáng)一半時(shí)，該點(diǎn)至焦點(diǎn)的距離作為光束的聚焦深度D為入射到透鏡上的光斑半徑從上面可看出光束的聚焦深度與入射激光波長(zhǎng)和透鏡焦距的平方成正比，與D成反比，因此要獲得較大的聚焦深度，就要選長(zhǎng)聚焦透鏡，例如在深孔激光加工以及厚板的激光切割和焊接中，要減少錐度，均需要較大的聚焦深度。

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1.1.4激光窗口和透鏡材料Nd：YAG激光器：一般是石英和玻璃CO2激光器：半導(dǎo)體(如Ge、GaAs、ZnSe、CdTe等)材料和堿性鹵化物(如KCl、NaCl等）1、要求和條件(1)光學(xué)吸收性越小越好(2)熱導(dǎo)率。窗口和透鏡材料要求熱導(dǎo)率盡可能大(3)硬度和平滑度。要求硬度高以增加抗擦傷能力，平滑度要求高，以適應(yīng)鍍膜要求。(4)化學(xué)阻抗性。要求在水中溶解度低和抗蝕能力強(qiáng)。

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光學(xué)元件材料的光學(xué)和熱學(xué)參數(shù)

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熱破壞的原因在于：半導(dǎo)體對(duì)光的吸收系數(shù)主要決定于半導(dǎo)體中自由載流子的吸收。這種吸收隨溫度的上升里指數(shù)規(guī)律增加，高于一定溫度時(shí)，基體不能耗散它所吸收的熱量，溫度上升，使吸收進(jìn)一步增加，又導(dǎo)致溫度進(jìn)一步上升，如此惡性循環(huán)，以致因熱應(yīng)力過(guò)大而碎裂。圖示意表示了Ge、ZnSe和GaAs三種材料的吸收系數(shù)隨溫度的變化，它們的破壞溫度分別為70℃、250℃和300℃。Ge承受熱破壞的能力差，但它比較便宜，所以只用于透過(guò)100w以下功率的co2激光系統(tǒng)中。2、反射鏡

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常用反射鏡表面對(duì)10.6μm光波的百分反射率

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熱畸變品質(zhì)因素與表面吸收率的關(guān)系不鍍膜或鍍?cè)鐾改峄兤焚|(zhì)因素與表面吸收率的關(guān)系鍍50%反射膜熱畸變品質(zhì)因素與表面吸收率的關(guān)系

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透鏡表面鍍?cè)鐾改せ虿诲兡r(shí)，大部分激光穿過(guò)基體，表面吸收率與熱畸變品質(zhì)因素的關(guān)系見圖1，當(dāng)表面吸收系數(shù)小時(shí)，ZnSe優(yōu)于GaAs，而表面吸收系數(shù)大時(shí)，GaAs略好。透鏡表面鍍50％反射膜時(shí)，只有部分激光穿過(guò)基體，表面鍍膜層的吸收較之基體的吸收占主導(dǎo)地位，GaAs優(yōu)于ZnSe，如圖2。GaAs常用作數(shù)千瓦激光器的輸出鏡。透鏡鍍99％反射膜時(shí)，透射光僅1％，透射材料對(duì)光的吸收很小，不僅GaAs的熱畸變品質(zhì)因素高。Ge因其導(dǎo)熱性好也且有高的熱畸變品質(zhì)因素，接近GaSe的水平，如圖3。熱畸變品質(zhì)因素與表面吸收率的關(guān)系

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1.1.5

激光束質(zhì)量因子M2激光束的光束質(zhì)量是激光器輸出特性中的一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)。評(píng)價(jià)光束質(zhì)量的方法很多，曾采用聚焦光斑尺寸、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角等作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這些評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各有優(yōu)缺點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)均未形成評(píng)價(jià)激光束質(zhì)量的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。1988年，利用無(wú)量綱的量--光束質(zhì)量因子M2較科學(xué)合理地描述了激光束質(zhì)量，并為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織所采納。1、定義：對(duì)于基模(TEM00)高斯光束，有M2＝1，光束質(zhì)量好，實(shí)際光束M2均大于1，表征了實(shí)際光束衍射極限的倍數(shù)。光束質(zhì)量因子M2可表示為

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Z處的激光功率密度：1.2

激光與固體材料的相互作用A

能量變化過(guò)程：激光入射材料表面，一部份反射，一部份進(jìn)入材科內(nèi)部。對(duì)不透明物質(zhì)，透射光被吸收。其吸收率或輻射率為1、激光與材料作用的一般規(guī)律B狀態(tài)變化：在不同的功率密度等條件下，材料表面區(qū)域發(fā)生各種不同的變化。這種變化包括溫度升高、熔化、汽化、形成小孔和等離子體云等。材料表面區(qū)域物理狀態(tài)的變化反過(guò)來(lái)又極大地影響材料對(duì)激光的吸收。

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1.2

激光與固體材料的相互作用2、金屬材料對(duì)激光的吸收特性一般來(lái)說(shuō)，吸收率是隨波長(zhǎng)和溫度的改變而改變的。垂直入射下的反射率為垂直入射下材料的吸收率為式中，n為復(fù)吸收率的實(shí)部；K為消光系數(shù)。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)n和K均是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)。

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1.2

激光與固體材料的相互作用1)波長(zhǎng)對(duì)材料吸收率的影響圖中可看出，波長(zhǎng)在0.4-1.0μm范圍內(nèi)，n，K變化較慢，而吸收率在這個(gè)區(qū)域變化較大。在長(zhǎng)波區(qū)域n和K隨波長(zhǎng)的增加迅速增加，而相應(yīng)的吸收率則減小。

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1.2

激光與固體材料的相互作用常用金屬的吸收率20℃

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1.2

激光與固體材料的相互作用2)溫度對(duì)材料吸收率的影響A、金屬材料的吸收率（）與溫度

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1.2

激光與固體材料的相互作用B、金屬材料的吸收率與溫度和金屬電阻率的關(guān)系式其中：r20為20℃時(shí)金屬的電阻率γ為電阻率隨溫度的變化系數(shù)T為材料溫度C、對(duì)CO2激光（）吸收率測(cè)出材料的電阻率后，即可計(jì)算出材料的吸收率。

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材料的電阻率及隨溫度的變化系數(shù)例合金鋼室溫時(shí)，吸收率為多少？1500℃？

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激光與固體材料的相互作用吸收率計(jì)算（對(duì)CO2激光器）

20℃電阻率電阻率變化系數(shù)室溫℃時(shí)吸收率1500℃吸收率Al0.000002820.00360.020-Fe0.00000980.0050.0370.097合金0.0000150.00150.0430.075低碳鋼0.00001620.00360.0460.108中碳鋼0.0000120.00320.0400.089

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1.2

激光與固體材料的相互作用3)表面狀況對(duì)材料吸收率的影響室溫下金屬表面對(duì)可見光的吸收率比對(duì)10.6微米波長(zhǎng)紅外光的吸收率幾乎大一個(gè)數(shù)量級(jí)。表中的吸收率是采用光潔的金屬表面測(cè)得的。而在激光加熱的實(shí)際應(yīng)用中，由于氧化和表面污染，實(shí)際金屬表面對(duì)紅外激光的吸收率大

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1.2

激光與固體材料的相互作用4)光致等離子體對(duì)材料吸收率的影響光致等離子體的形成:由激光輻照材料所產(chǎn)生的等離子體為光致等離子體。激光加工過(guò)程中形成光致等離子體的前提是材料被加熱至汽化。B、激光加工過(guò)程中的光致等離子體一般為材料蒸汽的等離子體，因?yàn)椴牧险羝麥囟雀?，常用金屬材料的電離能又比較，低于保護(hù)氣體的電離能，因而材料蒸汽較周圍氣體易于電離。但在激光功率密度很高及周圍氣體流動(dòng)不暢時(shí)，也可能發(fā)生周圍氣體擊穿而產(chǎn)生氣體等離子體。等離子體對(duì)激光的吸收系數(shù)與電子密度和蒸汽密度成正比，隨激光功率密度和作用時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。吸收系數(shù)還與波長(zhǎng)的平方成正比。A、C、ne電子密度Nm蒸汽密度

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1.2

激光與固體材料的相互作用D、激光加工功率的近似估算聚焦光斑中心的溫度：持續(xù)加熱時(shí)，光斑中心溫度：由光強(qiáng)：

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非金屬和金屬不同，一般地說(shuō)，其對(duì)激光的反射率比較低、吸收率較高，且其吸收對(duì)波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的選擇性，這是非金屬結(jié)構(gòu)特征所決定的。原理：絕緣體和半導(dǎo)體在不受激發(fā)時(shí)僅存在束縛電子，束縛電子具有一定的固有頻率。其值由電子躍遷的能量變化決定。當(dāng)入射光波頻率等于或接近于材料內(nèi)束縛電子的固有頻率時(shí)，束縛電子發(fā)生諧振，輻射出次波，形成較弱的反射波和較強(qiáng)的透射波。在這個(gè)諧振頻率附近，材料的吸收系數(shù)和反射率增加，山現(xiàn)反射和吸收峰值。而在其他頻率下，均質(zhì)的絕緣體和半導(dǎo)體按其本性應(yīng)該是透明的，只有低的反射率，吸收系數(shù)也小。3非金屬材料對(duì)激光的吸收

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4材料的反射率1）反射率與波長(zhǎng)的關(guān)系材料的反射率隨入射波長(zhǎng)的變化而改變，在短波長(zhǎng)區(qū)域，反射率較低；而在長(zhǎng)波區(qū)域，特別是激光波長(zhǎng)大于2微米時(shí)，反射率均在80％以上，其中CO2激光的反射率均在90％以上。從激光與材料相互作用的耦合效率角度來(lái)看，希望采用短波長(zhǎng)激光器。

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2）反射率與偏振狀態(tài)和入射角的關(guān)系

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1.4激光加工的熱源模型激光輻照材料時(shí)，其光能被材料的一定區(qū)域(通常是表層)所吸收，并轉(zhuǎn)換為熱。熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)在材料內(nèi)擴(kuò)散，造成一定的溫度場(chǎng)．導(dǎo)致在一定范圍內(nèi)材料性狀的變比。因而熱傳導(dǎo)分析計(jì)算對(duì)于把握激光加工效果具有十分重要的意義。1．4．1熱物理常數(shù)1．4．2幾種典型激光加工的熱源模型1．4．3激光打孔中熱源模型的解1．4．4激光焊接的熱量傳遞1．4．5激光切割的熱量傳遞1．4．6激光表面熱處理中的熱量傳遞

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1．4．1熱物理常數(shù)1）熱傳導(dǎo)方程（溫度隨時(shí)間和空間的變化關(guān)系）對(duì)于各向同性的均質(zhì)材料，熱傳導(dǎo)偏微分方程的一般形式是：ρ為材料密度，c為(定壓)比熱容，T為溫度，t為時(shí)間，K為材料導(dǎo)熱系數(shù)，A為材料單位時(shí)間單位體積的發(fā)熱量。A、參數(shù)意義：B、一般處理：激光加工中激光在材料表面被吸收，是表面熱源，一般不存在體積熱源A＝0。激光的作用按邊界條件處理。K為常數(shù)、不隨溫度與位置變化。熱傳導(dǎo)方程可簡(jiǎn)化為：稱為材料的熱擴(kuò)散率

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求解熱傳導(dǎo)方程的一個(gè)重要問(wèn)題是對(duì)材料熱物理參數(shù)的處理。實(shí)際上，材料的熱物理參數(shù)(c、K及A)均隨溫度變化，如果把它們作為溫度的函數(shù)處理，熱傳導(dǎo)方程將成為非線性方程，非常難解，只是在一些簡(jiǎn)單的情況下可求數(shù)值解。但是，大多數(shù)材料熱物理參數(shù)隨溫度變比并不很大，可近似視為常數(shù)。通常取在過(guò)程所涉及的溫度范圍內(nèi)的平均值，例如：穩(wěn)態(tài)時(shí)熱傳導(dǎo)方程：（溫度不隨時(shí)間變化）C、說(shuō)明：

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按一維熱傳導(dǎo)計(jì)算600W激光輻照半無(wú)限體鐵材料表面造成的溫升，光斑直徑5mm，吸收率為0.8(有增強(qiáng)吸收層)，光斑中心處表面溫度隨輻照時(shí)間的變化如圖。曲線l為用數(shù)值法按K，k隨溫度變化的實(shí)際情況計(jì)算的結(jié)果；曲線2為按K、k在20-1200℃溫度范圍內(nèi)的平均值的解析解；曲線3為按20℃下K、k值求得的解析解?？梢?，按平均值計(jì)算的溫度比精確計(jì)算值偏低，但二者相當(dāng)接近，不失為一種有效的近似計(jì)算方法。

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2）幾種常用材料的熱物理參數(shù)

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3）求解熱傳導(dǎo)方程的假定條件目前大多數(shù)求解熱傳導(dǎo)方程都是在如下假定條件下進(jìn)行的A、被加熱材料是各向同性物質(zhì)；B、材料的熱物理參數(shù)與溫度無(wú)關(guān)或取平均值；C、忽視傳熱中的輻射和對(duì)流，只考慮材料表面的熱傳導(dǎo)

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1．4．2幾種典型激光加工的熱源模型1、激光束空間分布均勻激光加工的某些情況中，光斑尺寸大于激光作用時(shí)間(脈寬)內(nèi)熱量的傳播深度，可近似地按一維熱傳導(dǎo)問(wèn)題處理。最簡(jiǎn)單也是最常用的邊界條件是把工件視為表面被均勻加熱的半無(wú)限體。1）熱傳導(dǎo)方程和方程解激光功率密度：初始條件：方程的解：（激光束空間分布均勻，不隨時(shí)間變化。）

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2）解參數(shù)ierfc是余誤差函數(shù)erfc的積分。余誤差函數(shù)3）表面溫度：（激光束空間分布均勻，不隨時(shí)間變化。）例：加工不銹鋼，用功率P=1000W，高斯光束半徑d=0.5cm，吸收系數(shù)0.1則溫升為：

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稱為熱穿透深度

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4）脈沖激光束加工：激光功率密度：表面溫度為

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表面溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。若有一矩形脈沖作用材料表面，材料的溫度是各脈沖作用的疊加。

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2、激光束按高斯分布1）高斯光束的功率密度分布：2）半無(wú)限體表面中心瞬時(shí)溫升：持續(xù)用高斯光加熱時(shí)，光斑中心溫升為：例：加工不銹鋼，用功率P=1000W，高斯光束半徑d=0.5cm，吸收系數(shù)0.1則溫升為：與均勻光束接近

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2）有限厚薄板中心溫度：如果現(xiàn)在我們面臨的是一塊在Z軸方向很薄的板，假定薄板厚度為L(zhǎng)，激光作用于上表面，上表面坐標(biāo)z＝0，下表面坐標(biāo)為Z=L，那么，熱傳導(dǎo)方程解：例：加工不銹鋼，用功率P=1000W，高斯光束半徑d=0.5cm則：

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課堂作業(yè)(20分鐘）1、激光束特性（如光斑尺寸、發(fā)散角、模式等）對(duì)激光加工有何影響？2、激光束的聚焦特性（包括光強(qiáng)分布）對(duì)激光加工（如打孔、切割、焊接等）有何影響？3、說(shuō)明聚焦深度對(duì)激光加工（如打孔、切割、焊接等）有何影響，要進(jìn)行厚板焊接如何選擇聚焦深度？4、材料發(fā)射率受哪些主要因素的影響？5、試寫出幾種激光加工的熱源模型。注明條件。

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當(dāng)Tm<T≤Tv，表面溫度不超過(guò)沸點(diǎn)，激光焊接中首先關(guān)心的是液相波前的最大穿透深度，即材料表面溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，等溫面T=Tm的最大穿透深度。在這種倩況下，熱力效應(yīng)是采用均勻恒定的熱源加熱半無(wú)窮大工件，可得到熔化波前的穿透深度Z(t)。1．4．4激光焊接的熱量傳遞一、激光熱傳導(dǎo)焊接的熱量傳遞當(dāng)F0<106w·cm-2時(shí)，熱主要是通過(guò)導(dǎo)熱方式進(jìn)行，材料表面升溫。當(dāng)T=Tm，材料表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)Tm