激光原理与应用2016年.07.09

1、,焊接论文题目,激光原理及激光加工应用,参考材料：激光加工技术，王家金，中国计量出版社激光原理与技术 施亚齐 华中科技大学出版社激光辐照效应，孙承伟，国防工业出版社,课程主要内容,引 言 激光的应用 第一章 激光的基本物理特性 第二章 激光产生的基本原理及激光器 第三章 激光加工系统 第四章 激光打标、激光切割 第五章 激光焊接 第六章 激光清洗,激光加工技术应用概述,一、激光加工方法,激光切割,激光焊接,激光表面处理,激光雕刻,各种加工方法的适用范围,打标:激光器:激光功率:材料:方法:时间:优点:,商标、刻度以及刻度图案的标记RSM 100Q100 W不锈钢雕刻25秒高精度(150 mm以上的误差 5 m ),激光表面打标应用举例,激光表面打标应用举例,打标:激光器:材料:方法:打标时间:优点:,文本、标志、数据代码以及二维矩阵代码的标记ROFIN IC 打标机塑料复合材料非常轻微的雕刻500字符秒(单加工头）1000字符秒以上(双加工头)标刻深度小于25 m,激光表面打标应用举例,激光器:激光功率:材料:时间:优点:,RSM 130D3W彩色塑料低于15秒永久性标识可从后部照明,

2、激 光 切割 应 用 举 例,2、激光切割,激 光 切 割 应 用 举 例,3、激光焊接,热导焊接、深熔焊接,激 光 焊 接 应 用 举 例,激 光 焊 接 应 用 举 例,4.激光热处理种类,世界激光加工技术的发展现状,工业激光器的市场分布,激光器制造商：,美国：PRC,PRAMA,德国：HAAS,TRUMPF,ROFIN-SINAR,英国：LUMONICS日本：川崎重工,东芝,切割24%,焊接14%,打标24%,14%,雕刻 3%12%微处理,各种加工方法的应用比例打孔 其它,9%,激光加工技术在汽车中的应用,第一章 激光及物理特性,激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。 激光的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。 激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。,2018/10/8,Light Amplification by Stimulated Emi

3、ssion of Radiation LASER 中文： 大陆地区：激光，港澳地区：激光、镭射，台湾地区：雷射 | 英语： Laser,2018/10/8,能量,激光束物理特性,P,波长,激光,自然光,一、激光的特性：,单色性好、方向性好、亮度高、相干性好。,1、单色性 激光的单色性比一般光高出106107倍以上。,自然光由波场范围较宽的光构成，激光的 谱线展宽极小，具有很好的单色性。,单色性决定物质对激光能量的吸收 和精细聚焦的可能性；,CO2：10.6m CO： 5.4m YAG： 1.06m 准分子：0.24m；,激光束,2、方向性好、亮度高 从光源发出的激光平行传播的程度成为方向性。,激光器输出的光束发散角度很小，可以小于或等于10-310-5弧度。,激光通过直径为D的孔径时，由于衍射会产生一定发散：,(发散角)等相位面,激光的方向性带来两个结果：,光源表面的亮度高；被照射地方光的照度大。一个具有10mW功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度，,可在屏幕上形成面积很小但照度很大的光斑。,3、相干性好,以适当方法将统一光源发出的光分成两束，再,使两束光重 合便产生明暗相

4、间的条纹，这就是光的干涉。自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的杂乱 光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。激光的相位在时间上是保持不变的，合成后能形成相位整齐、 规则有序的大振幅光波。,2018/10/8,2018/10/8,三、高能激光束的获取,为了获得满足焊接需要的高能激光束，主要采取三方面措施：,1、提高激光束的输出功率（亮度特性）,CO2激光：45kW，YAG,激光-5kW，半导体激光-4kW；,2、提高激光束的光束质量（发散角）,3、采用适当的 聚焦方法（透镜、反射镜聚焦）,光束参数积(光斑半径乘以该方向上远场发散角的乘积)与激光功率决定加工范围,4、横模光腔的横模代表了激光束光场的横向分布规律，对激光加工影 响极大。光腔的纵模主要影响激光的频率，与激光加工关系很小。通常用TEMmn表示不同横模的光场分布：,旋转对称横模,轴对称横模气体激光器,固体激光器,第二章 激光产生的基本原理及激光器,一、能级、跃迁、辐射,1、能级：当原子或分子内部的电子与外界交换能量时，原子的内能也将发,生变化，但内能的变化是不连续的，其内能的状态成为能级。粒子（分子或原子）可以处于许多

5、不同的能级，稳态能级称为基态。,2、辐射跃迁：粒子从外界吸收能量时从低能级跃迁到高能级；从高能级跃,迁到低能级时向外界释放能量。如果吸收或释放的能量是光能，则称此跃迁为辐射跃迁。,辐射光子的能量：,公式中：h-谱朗克常数 -光波频率,3、激发：实现粒子从低能级向高能级的跃迁过程成为激发，方式主要以：,加热激发、辐射激发、碰撞激发。,E=E2 E1 =h,激光的产生过程可归纳为：,激光产生,工作物质,光子放大及振荡,其它粒子的受激辐射,偶然的自发辐射,粒子数反转,外界激励,光学谐振腔,二、粒子数反转,1、亚稳态能级：粒子在受激状态下，可以存在的时间较长的,能级称为亚稳态能级。,2、粒子数反转：热平衡状态下，处于高能级的粒子远远少于处于基态的粒子数，如果在外界作用下打破平衡，使亚稳态能级的粒子数大于处于低能级的粒子数，这种状态称为粒子数反转,3、激光工作物质：凡是可通过激励实现粒子数反转的物质都,称激光工作物质。,固体工作物质：掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃； 气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体； 半导体工作物质：砷化镓,工作物质被激励后能发生粒子

6、数反转的活性物质,激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源,光激励： 用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）； 电激励： 用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子； 化学激励：应用化学反应方法； 热激励： 超音速绝热膨胀法； 注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。,典型激光器,激光器内部结构,晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）； 全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度； 半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%； Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束； 功率计：量测输出的激光能量大小； Shutter：控制激光输出的一个开关。,全反光镜,反光镜： （越75%）,Q-Switch,晶体腔,功率计,Shutter,接光纤,激光器外形,激光器内部分解图,Q-Switch,晶体腔,半反镜,光纤耦合器,(10 0),(02 0),(010),(00 0),CO2气体激光器，YAG固体激光器，半导体激光器,（一）CO2气体激光器,1、CO2气体激光器的工作原理工作

7、物质为：CO2、N2、He混合气体，比例：6%、28%、66%；光束波长：10.6m;13010.6m,0,9.6m01,0,2、激光器的组成,光学稳定谐振腔：激光仅通过半透明反射镜离开谐振腔。光学不稳定谐振腔：谐振腔由100反射的反射镜组成，激光经过其 中一面反射镜离开谐振腔。,2、CO2激光器的组成,2、电极4、冷却水6、出水口8、激光束10、风机,1、全反镜3、交流电源5、谐振腔7、输出窗口9、热交换器11、进水口,3、CO2激光器的分类,（1）根据气体流动方式分类：,封闭管式：工作气体在谐振腔中不流动；慢 流 式：工作气体在谐振腔中缓慢流动；横 流 式：工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向垂直；轴 流 式：工作气体在谐振腔中流动方向与光束传播方向同轴；,（2）根据激励方式分类：,普通直流高压激励：交流升压高压整流（16kV）；逆变直流高压激励：交流变频低压整流直流升压（16kV）；射频激励：采用无线电波的频率进行激励；,（3）根据谐振腔形式分类：,单管直腔式：光束在直线式的腔中振荡，通常用于慢流式激光器中；折叠腔式：内部光路中增加折叠镜，增加激光的振荡长度以提高功率；,激光

8、器类型： 横流 轴流,扩散冷却,输出功率等级：,345kW 1.520kW,0.23.5kW,脉冲能力：,DC,DC-1kHz,DC-5kHz,光束模式：,TEM02以上,TEM00-TEM01,TEM00-TEM01,光束传播系数(K),0.15,0.4,0.8,气体消耗：,小 大,极小,电-光转换效率：,15%,15%,30%,焊接效果：,较好 好,优良,切割效果：,差 好,优良,相变硬化：,好 一般,一般,表面涂层：,好 一般,一般,表面熔覆：,好 一般,一般,（二）固体激光器,固体激光器分类根据工作物质分类：,红宝石：激活离子Cr3+，波长：694.3nm，三能级；,Nd:YAG：激活离子：Nd，波长：1.06m，四能级；,钕玻璃： 激活离子：Nd，波长:1.06m，四能级,根据泵浦方式分类：,氪闪光灯泵浦：脉冲氪灯照射在工作物质棒上，输出方式：脉冲；,氪弧光灯泵浦: 连续氪弧灯照射在工作物质棒上，输出方式：连续；,二极管泵浦：采用阵列二极管照射工作物质棒，输出方式：连续和脉冲；,调Q激光器：采用调Q技术使得激光的脉冲能量大大地提高（几百千瓦），,脉冲宽度：100500ns，频

9、率：几百62kHz。,Nd:YAG激光波长1.06m, 可用于加工高反射率材料（如铝、铜）,激光活性物质钕(Nd3+离子)位于钇-铝-石榴石(Y-A-G)组成的固 态晶体中，该晶体通常呈棒状，当光束质量较高时，也有可能为 片状或碟状 。,工业应用的脉冲Nd:YAG激光器的电源系统较为特殊，可输出 较高的脉冲功率，但平均功率较低，峰值功率可以是平均功率的 15倍。,工业上应用的连续Nd:YAG激光器的输出功率已达到5kW以上。 连续Nd:YAG激光器与脉冲系统相比可达到更高的加工速度。连 续Nd:YAG激光器具有Q-开关的特殊工作模式。,Nd:YAG激光特性,1、灯泵浦Nd:YAG激光器,大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm，直径,710mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的最大输出功率。单 棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50800W。,灯泵浦Nd:YAG体激光器将几个Nd:YAG棒串联起来可获得高,功率的激光束，每个独立的棒可通过透,镜引导并规则的排列起来。,目前的Nd:YAG激光器系统多达8个腔。,输出4kW功率。,1kW的脉冲Nd:YAG激光器,2、二极管泵浦YAG激光器,

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