材料加工411a課件

第四章高能束流加工技術－激光加工技術高能束流（HighEnergyBeam/Flow）加工技術是利用高能密度的束流實現(xiàn)對材料和構件的特種加工工藝方法。一般說高能束是指三束：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

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

高能束的技術特點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加工技術特性·可實現(xiàn)金屬材料的深穿透加工、焊接、切割·束直徑可達微米級，可高精度聚焦和精密控制·高速加熱、高速冷卻，可達104°C/s·束受控偏轉柔性好，可進行全方位加工·適用于金屬、非金屬材料，高質量、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第一臺激光器出現(xiàn)激光應用：光學：激光物理，非線性光學、激光光譜學等新興學科工業(yè)：已廣泛地利用激光進行切割、焊接、打孔、熱處理等醫(yī)學：外科手術刀，醫(yī)治很多疑難病癥信息：計算機、音視頻顯示設備等能源：激光核聚變環(huán)保：環(huán)境及污染監(jiān)測軍事：制導、測距、致盲和做未來高技術戰(zhàn)爭中的新武器

ArthurL.Schawlow

CharlesH.Townes

AleksandrM.Prokhorov

NicolayG.Basov

NicolaasBloembergenKaiM.Siegbahn1964年諾貝爾物理獎1981年諾貝爾物理獎第一章激光概述激光發(fā)展年表1916年，愛因斯坦的感應輻射理論；1950年，光泵；1951年，核自旋能級反轉；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；四能級機制；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；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CdS激光器；

1965年，HCl化學激光器；光參量振蕩器；色心激光器；1966年，有機染料激光器；皮秒脈沖激光器；1967年，激光頻率測定；1969年，亞皮秒脈沖；1970年，TEACO2激光器(橫向激勵)；Xe準分子激光器；氣體動力激光器；室溫連續(xù)半導體激光器；光激勵遠紅外振蕩CH2F；1971年，環(huán)形染料激光器；1972年，波導激光器；1973年，DFB(分布反饋)半導體激光器；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)因對發(fā)展激光光譜學和高分辨率電子光譜學做出貢獻獲諾貝爾獎；飛秒級脈沖激光；1982年，陣列半導體激光器；1984年，二極管激光器泵浦的固體激光器(DPL)；BBO晶體(偏硼酸鋇)透紫外非線性晶體(中國人發(fā)明)；自發(fā)輻射X射線放大；1986年，光纖放大器；鈦寶石連續(xù)波長可調(diào)激光器；1989年，LBO(硼酸鋰晶體)透紫外非線性晶體(中國人發(fā)明)；1991年，DPL達到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。

第一章激光概述一、激光概念第一節(jié)、激光及其特點

LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionRadiation)

1、機理原子能級躍遷自發(fā)輻射受激輻射粒子數(shù)反轉

2、激光器構成工作物質激勵系統(tǒng)光學諧振腔

固體（如晶體、玻璃等）、氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體等）、半導體及液體（有機或無機液體）等材料

脈沖放電、直流放電、交流放電和高頻放電，光學激勵（或稱光泵）

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1、高亮度：太陽光的亮度值約為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的距離的同時，還能保證聚焦得到極高的功率密度，這兩點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：單色性常用/=/來表征激光/可達到10-10～10-13量級，保證了光束能精確地聚焦到焦點上，得到很高的功率密度。4、高相干性：相干長度為8000mm－1.5×1011mm

激光束質量因子M2

基模(TEM00)高斯光束，有M2＝1，光束質量好，實際光束M2均大于l，表征了實際光束衍射極限的倍數(shù)。光束質量因子M2可表示為M2＝D0／(4)

第二節(jié)、

激光加工設備及技術

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

特點：①高功率，其最大連續(xù)輸出功率已達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，直流自持放電產(chǎn)生的熱量，靠玻璃管或石英管壁傳導散熱，故熱導率低。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程中有分解，故其輸出激光功率隨運行時間延長而逐漸下降。其優(yōu)點是結構簡單，維護