第五章_激光加工.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,激光加工的基本原理,激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光由于激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，加上亮度高，其焦点处的功率密度可达,10,7,10,11,w,cm,2,，温度高达万度左右，在此高温下，任何坚硬的或难加工的材料都将瞬时急剧熔化和气化，并产生强烈的冲击波，使熔化的物质爆炸式地喷射出去，这就是激光加工的工作原理由于激光加工不需要加工工具，而且加工速度快，表面变形小，可以加工各种材料，已经在生产实践中愈来愈多地显示出它的优越性，所以很受人们的重视激光加工是利用光的能量，经过透境聚焦，在焦点处达到很高的能量密度，靠光热效应来加工各种材料的人们曾用透镜将太阳光聚焦，使纸张木材引燃，但无法用作材科加工这是因为：,地面上太阳光的能量密度不高太阳光不是单色光，而是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等多种不同波长的光组成的多色光，聚焦后焦点并不在同一平面内,只有激光是可控的单色光强度高、能量密度大，可以在空气介质中高速加工各种材科激光的应用越来越广泛。

第一节激光加工的原理和特点,一、激光的产生原理,（一）光的物理概念及原子的发光过程,1,光的物理概念,光的波粒二象性,光的电磁说,波长,、频率,、波速,c,三者的关系：,电磁波的波谱,可见光的波长范围：,0.4-0.76,m,根据波长的大小分为七种颜色的光波长大于,0.76,m,的光称为红外光或红外线；小于,0.4,m,的光称为紫外光或紫外线光的量子说,认为光是有一定能量、以光速运动的粒子流,E=hv,原子的发光,电子绕原子核运动，在最靠近原子核的轨道上运动最稳定，这时的能级状态,基态原子接受外界能量时，外层电子获得能量，轨道半径扩大，被激发到高能级,激发态或高能态处于高能级的原子回落到低能态,跃迁,激发态的高能级原子停留时间很短，,0.01,s,左右寿命较长的较高能级称为亚稳态能级原子从高能级跃迁回到低能级或基态时，以光子的形式释放出能量,自发辐射,原子从高能态自发地跃迁到低能态而发光的过程称为自发辐射，如日光灯、氙灯等特点：跃迁时序不一、光的频率和波长大小不一、单色性差，方向性差受激辐射,若光的频率,v,接近,发出与入射光频率、相位、传播方向、偏振方向一致的光激光的产生,粒子数反转,某些具有亚稳态能级结构的物质，在一定外来光子能量激发的条件下，会吸收光能，使处在较高能级（亚稳态）的原子（或粒子）数目大于处于低能级（基态）的原子数目,红宝石激光的形成,脉冲氙灯照射红宝石，铬离子从,E,1,激发至,E,n,继而,E,n,亚稳态,E,2,；当有频率为,的光照射时，产生受激辐射跃迁,激光,激光的特点,强度高,单色性好 指的是光的波长为一个确定的数值。

相干性好 相干时间：光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔；这个间隔内走过的路程称为相干长度,方向性好 发散角小于,激光加工优点,激光,功率密度,大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度,大和,质脆的材料,(,如,陶瓷,、金刚石等,),也可用激光加工；,激光头,与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；,工件不受应力，不易污染；,可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；,激光束的发散角可小于,1,毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光,既适于精密微细加工,又适于大型材料加工,；,激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的,高度自动化,和达到很高的加工精度；在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工第二节激光加工的基本设备,激光加工的基本设备,基本组成部分：激光器、激光器电源、光学系统、机械系统,1.,固体激光器,主要包括工作物质、光泵、玻璃套管、冷却水、透镜、反射镜、聚光器等利用固体激光器加工的原理,图是利用固体激光器加工的原理示意图。

当激光工作物,质,(,如红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等,),受到光泵,(,即激励脉冲氙灯,),的激发后，吸收特定波长的光，在一定条件下可形成工作物质中的亚稳态粒子数大于低能级粒子数的状态，这种现象称为粒子数反转此时，一旦有少数激发粒子自发辐射发出光子，即可感应所有其它激发粒子产生受激辐射跃迁，造成光放大并通过谐振腔的反馈作用产生振荡，由谐振腔一端输出激光通过透镜将激光束聚焦到待加工表面上，即可对工件进行加工利用固体激光器加工的原理,1,全反射镜,2,工作物质,3,光泵,4,部分反射镜,5,透镜,6,工件,红宝石激光器,红宝石：掺有质量分数为,0.05%,氧化铬的氧化铝晶体,三能级系统激光器，铬离子受激发射，光波,0.6943,m,，,频率,1,次,/S,钕玻璃激光器,钕玻璃：掺有少量氧化钕的非晶体硅酸盐玻璃，钕离子的质量分数,1%-5%,，发射,1.06,m,的红外激光,四能级系统激光器，,频率几次,/S,气体激光器,二氧化碳激光器,主要包括放电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等输出最强的激光波长,10.6,m,，效率达,20%,以上；加辅助气体；折叠管,氩离子激光器,惰性气体氩电离激发产生激光,最强波长,0.5145,m,的绿光和,0.4880,m,的蓝光。

直流放电,常用于精密微细加工，如激光存储光盘基板的蚀刻制造等第三节 激光加工工艺及应用,激光加工的特点和应用,(1),加工材料范围广，激光几乎对所有的金属材料和非金属材料都可进行加工特别适于加工高熔点材料、耐热合金及陶瓷、宝石、金刚石等硬脆材料2),激光加工属于非接触加工，无受力变形；受热区域小，工件热变形小，加工精度高3),工件可离开加工机进行加工，并可通过空气、惰性气体或光学透明介质进行加工例如，激光能透过玻璃在真空管内进行焊接，这是普通焊接方法不能作到的,(4),可进行微细加工激光聚焦后可实现直径,0.01mm,的小孔加工和窄缝切割在大规模集成电路的制作中，可用激光进行切片5),加工速度 快，加工效率高如在宝石上打孔，加工时间仅为机械加工方法的,1%.,(6),不仅可以进行打孔和切割，也可进行焊接、热处理等工作7),可控性好，易于实现自动化此外，激光还可用于动平衡校正、划线、薄膜蒸发等工作激光快速成形,用激光制造模型时用的材料是,液态光敏树脂,，它在吸收了,紫外波,段的激光能量后便发生凝固，变化成固体材料把要制造的模型编成,程序,，输入到计算机激光器输出来的激光束由计算机控制光路系统，使它在,模型材料,上扫描刻划，在激光束所到之处，原先是液态的材料凝固起来。

激光束在计算机的指挥下作完扫描刻划，将光敏聚合材料,逐层固化,，,精确堆积,成样件，造出模型所以，用这个办法制造模型，速度快，造出来的模型又精致该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用,激光切割,激光切割技术,广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量脉冲激光,适用于,金属材料,，,连续激光,适用于,非金属材料,，后者是激光切割技术的重要应用领域但激光在工业领域中的应用是有局限和缺点的，比如用激光来切割食物和胶合板就不成功，食物被切开的同时也被灼烧了，而切割胶合板在经济上还远不合算激光焊接,激光束照射在材料上，会把它加热至融熔，使对接在一起的组件接合在一起，即是焊接激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构激光焊接技术,具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接由于激光能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利因为用激光焊接是不需要任何焊料的，所以排除了焊接组件受污染的可能,;,其次，激光束可被,光学系统,聚成直径很细的光束，换言之，激光可以作成非常精细的 焊枪，做精密焊接工作,;,还有激光焊接与组件不会直接接触，亦即这是非接触式的焊接，因而材料质地脆弱也不打紧，还可以对远离我们身边的组件作焊接，也可以把放置在真空室内的组件焊接起来。

因为激光焊接有这些特点，所以它在微电子工业中尤其受欢迎激光雕刻,用激光雕刻刀作雕刻，比用普通雕刻刀更方便，更迅速用普通雕刻刀在坚硬的材料上，比如在花冈巖、钢板上作雕刻，或者是在一些比较柔软的材料，比如皮革上作雕刻，就比较吃力，刻一幅图案要花比较长的时间如果使用激光雕刻则不同，因为它是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料气化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种雕刻方法它根本就没有和材料接触，材料硬或者柔软，并不妨碍 雕刻 的速度所以激光雕刻技术是激光加工最大的应用领域之一用这种雕刻刀作雕刻不管在坚硬的材料，或者是在柔软的材料上雕刻，刻划的速度一样倘若与计算机相配合，控制激光束移动，雕刻工作还可以自动化把要雕刻的图案放在光电扫描仪上，扫描仪输出的讯号经过计算机处理后，用来控制激光束的动作，就可以自动地在木板上，玻璃上，皮革上按照我们的图样雕刻出来同时，聚焦起来的激光束很细，相当于非常灵巧的雕刻刀，雕刻的线条细，图案上的细节也能够给雕刻出来激光雕刻可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义激光雕刻是近年巳发展至可实现亚微米雕刻，已广泛用于微电子工业和生物工程。

激光打孔,在组件上开个小孔是件很常见的事但是，如果要求在坚硬的材料上，例如在硬质合金上打大量,0.1,毫米到几微米直径的小孔用普通的机械加工工具恐怕是不容易办到，即使能够做到，加工成本也会很高激光有很好的同调性，用光学系统可以把它聚焦成直径很微少的光点,(,小于一微米,),，这相当于用来鉆孔的 微型鉆头其次，激光的亮度很高，在聚焦的焦点上的激光能量密度,(,平均每平方米面积上的能量,),会很高，普通一台激光器输出的激光，产生的能量就可以高达,109,焦耳,/,厘米,2,，足以让材料熔化并气化，在材料上留下一个小孔，就像是鉆头鉆出来的但是，激光鉆出的孔是圆锥形的，而不是机械鉆孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的激光蚀刻,激光蚀刻技术比传统的,化学蚀刻,技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可加工,0.125,1,微米宽的线，非常适合于,超大规模集成电路,的制造。