材料加工411a課件

第四章高能束流加工技術(shù)－激光加工技術(shù)高能束流（HighEnergyBeam/Flow）加工技術(shù)是利用高能密度的束流實(shí)現(xiàn)對(duì)材料和構(gòu)件的特種加工工藝方法。一般說(shuō)高能束是指三束：激光束、電子束、等離子體，高能流指磨料流和液體噴射等

三束

可作為熱源進(jìn)行焊接、切割打孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細(xì)加工等主要用于材料的切割和表面修整等

高能束的技術(shù)特點(diǎn)激光束電子束等離子束光量子電子等離子最大功率/kW1005001000熱源功率密度/W·cm25－109脈沖107－10136－109脈沖107－1010射流104－1055－106加工技術(shù)特性·可實(shí)現(xiàn)金屬材料的深穿透加工、焊接、切割·束直徑可達(dá)微米級(jí)，可高精度聚焦和精密控制·高速加熱、高速冷卻，可達(dá)104°C/s·束受控偏轉(zhuǎn)柔性好，可進(jìn)行全方位加工·適用于金屬、非金屬材料，高質(zhì)量、高精度、高效率

LightAmplificationthroughStimulatedEmissionofRadiation引言基本原子、分子受激發(fā)射放大而產(chǎn)生的一種相干光輻射；極高的亮度，極好的方向性、單色性和相干性。

激光：Laser：激光的發(fā)明：1958激光名詞出現(xiàn)1960第一臺(tái)激光器出現(xiàn)激光應(yīng)用：光學(xué)：激光物理，非線(xiàn)性光學(xué)、激光光譜學(xué)等新興學(xué)科工業(yè)：已廣泛地利用激光進(jìn)行切割、焊接、打孔、熱處理等醫(yī)學(xué)：外科手術(shù)刀，醫(yī)治很多疑難病癥信息：計(jì)算機(jī)、音視頻顯示設(shè)備等能源：激光核聚變環(huán)保：環(huán)境及污染監(jiān)測(cè)軍事：制導(dǎo)、測(cè)距、致盲和做未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中的新武器

ArthurL.Schawlow

CharlesH.Townes

AleksandrM.Prokhorov

NicolayG.Basov

NicolaasBloembergenKaiM.Siegbahn1964年諾貝爾物理獎(jiǎng)1981年諾貝爾物理獎(jiǎng)第一章激光概述激光發(fā)展年表1916年，愛(ài)因斯坦的感應(yīng)輻射理論；1950年，光泵；1951年，核自旋能級(jí)反轉(zhuǎn)；1954年，氨MASER(微波激射放大器)；1958年，引入激光(LASER)的概念；1960年，紅寶石激光器；四能級(jí)機(jī)制；1961年，調(diào)Q振蕩；He-Ne激光器；1962年，玻璃體激光器；拉曼激光；半導(dǎo)體激光器；1964年，C.H．湯斯(美)、N．C．巴索夫(前蘇聯(lián))、A.M．普羅霍洛夫(前蘇聯(lián))因發(fā)明微波激射器和激光器獲諾貝爾獎(jiǎng)；氬離子激光器；染料飽和調(diào)Q；鎖模激光；CO2激光器；室溫Nd：YAG連續(xù)振蕩；電子束激勵(lì)CdS激光器；

1965年，HCl化學(xué)激光器；光參量振蕩器；色心激光器；1966年，有機(jī)染料激光器；皮秒脈沖激光器；1967年，激光頻率測(cè)定；1969年，亞皮秒脈沖；1970年，TEACO2激光器(橫向激勵(lì))；Xe準(zhǔn)分子激光器；氣體動(dòng)力激光器；室溫連續(xù)半導(dǎo)體激光器；光激勵(lì)遠(yuǎn)紅外振蕩CH2F；1971年，環(huán)形染料激光器；1972年，波導(dǎo)激光器；1973年，DFB(分布反饋)半導(dǎo)體激光器；1974年，連續(xù)色心激光器；1976年，自由電子激光器；1978年，氧碘化學(xué)激光器；第一章激光概述1980年，光孤子；1981年，N．布洛姆伯根(美籍荷蘭人)，A.肖洛(美)因?qū)Πl(fā)展激光光譜學(xué)和高分辨率電子光譜學(xué)做出貢獻(xiàn)獲諾貝爾獎(jiǎng)；飛秒級(jí)脈沖激光；1982年，陣列半導(dǎo)體激光器；1984年，二極管激光器泵浦的固體激光器(DPL)；BBO晶體(偏硼酸鋇)透紫外非線(xiàn)性晶體(中國(guó)人發(fā)明)；自發(fā)輻射X射線(xiàn)放大；1986年，光纖放大器；鈦寶石連續(xù)波長(zhǎng)可調(diào)激光器；1989年，LBO(硼酸鋰晶體)透紫外非線(xiàn)性晶體(中國(guó)人發(fā)明)；1991年，DPL達(dá)到1kW；1997年，朱棣文(美籍華人)、W．D．菲利普斯(美)、C.科昂一塔努吉(法)因發(fā)明了用激光冷卻和俘獲原子的方法獲諾貝爾獎(jiǎng)。

第一章激光概述一、激光概念第一節(jié)、激光及其特點(diǎn)

LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionRadiation)

1、機(jī)理原子能級(jí)躍遷自發(fā)輻射受激輻射粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

2、激光器構(gòu)成工作物質(zhì)激勵(lì)系統(tǒng)光學(xué)諧振腔

固體（如晶體、玻璃等）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體等）、半導(dǎo)體及液體（有機(jī)或無(wú)機(jī)液體）等材料

脈沖放電、直流放電、交流放電和高頻放電，光學(xué)激勵(lì)（或稱(chēng)光泵）

兩塊具有特定曲率半徑的反射鏡，全反射鏡部分反射鏡

二、激光的特點(diǎn)1、高亮度：太陽(yáng)光的亮度值約為2×103W／cm2·Sr，氣體激光器的亮度值為108W／cm2·Sr，固體激光器的亮度更可高達(dá)1011w／cm2．Sr2、高方向性：2－5毫弧度（mrad）激光的高方向性主要指其光束的發(fā)散角小在有效地傳遞較長(zhǎng)的距離的同時(shí)，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點(diǎn)都是激光加工的重要條件?；?，高斯模，光束直徑和發(fā)散角最小，其方向性也最好3、高單色性：?jiǎn)紊猿Ｓ?=/來(lái)表征激光/可達(dá)到10-10～10-13量級(jí)，保證了光束能精確地聚焦到焦點(diǎn)上，得到很高的功率密度。4、高相干性：相干長(zhǎng)度為8000mm－1.5×1011mm

激光束質(zhì)量因子M2

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l，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M2＝D0／(4)

第二節(jié)、

激光加工設(shè)備及技術(shù)

1、CO2激光器：CO2激光器通過(guò)分子能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生激光振蕩，CO2作為其工作物質(zhì)的。按氣體工作方式劃分，可分為密封式和循環(huán)式。其適用的激勵(lì)方式很多，電激勵(lì)、電子束激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、熱激勵(lì)、氣動(dòng)激勵(lì)、核激勵(lì)、微波激勵(lì)等等，其中以放電激勵(lì)使用最多。放電激勵(lì)又可分為縱向放電激勵(lì)和橫向放電激勵(lì)?？v向激勵(lì)可采用直流電源、交流電源、射頻電源或脈沖電源，主要適用于低壓激光器；橫向激勵(lì)只采用短脈沖放電，適用于接近大氣壓的高壓氣體，近來(lái)發(fā)展極為迅速。

特點(diǎn)：①高功率，其最大連續(xù)輸出功率已達(dá)25kW；②高效率，其總效率為10％左右，比其它加工用激光器的效率高得多；

③高光束質(zhì)量，其模式較好且較穩(wěn)定。

封離型封離型激光器

工作氣體不流動(dòng)，直流自持放電產(chǎn)生的熱量，靠玻璃管或石英管壁傳導(dǎo)散熱，故熱導(dǎo)率低。注入功率和激光功率受氣體溫升的限制，每米激光管的輸出功率在50W至70W之間。由于工作氣體在放電過(guò)程中有分解，故其輸出激光功率隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸下降。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)