培训知识：_激光原理(2004).ppt

激光原理与激光加工 激光的产生 电子在最靠近原子核的轨道上转动才是稳定的，此时原子处在基态 原子有原子核和绕特定轨道运行的电子组成 激发态 原子吸收能量，电子会在扩大半径的轨道运行，此时原子处于激发态或高能态 自发辐射 高能态的原子是不稳定的，它总是力图回到低能态。原子从高能态 回到低能态的过程叫“跃迁” 当发生“跃迁”时，会以光子的形式辐射出光能。该过程为“自发辐射” E=En – E1 所发光的频率 V=En – E1/ h h—普朗克常数 h=6.624x10-34 J. 受激辐射 处于高能态E2的原子受到能量为Σ（ Σ =h·v=E2 – E1）的光子诱发。原子会从E2跃迁到E1，并发射出一个与入射光子完全相同的光子，即频率，相位，传播方向，偏振方向都与入射光相同。这个过程为受激辐射。 三能级系统激光器的能级图 四能级系统激光器的能级图  固体激光器结构图 固体激光器结构图2 激光腔简图 灯泵固体激光系统能量分布 光纤加工光学系统 四分支光纤加工光学系统 光纤聚焦头 室温金属的吸收率 激光模式 不同加工方法所需参数 YAG激光器和CO2激光器性能比较 激光打孔 激光打孔的原理 激光打孔是激光和物质相互作用的热物理过程，由激光束特性（波长，脉宽，波形，光束发散角，聚焦状况等）和物质的热物理特性决定的。 打孔过程示意图 脉冲宽度对打孔的影响 脉冲宽度对打孔的影响 发散角与光斑直径的关系 离焦量 离焦量与锥度的关系 离焦量对孔壁形状的影响 离焦量的选择 光脉冲“校正” “剥蚀”打孔 材料对孔径的影响 几种材料激光打孔的概况 几种材料激光打孔的概况 几种材料激光打孔的概况 YAG 激光器用于金属打孔情况 CO2激光器在塑料件上打孔参数 激光焊接 激光焊接的机理 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属溶化形成焊接。 在激光与金属的相互作用过程中，金属溶化仅为其中一种物理现象，光能以其它多种形式表现出来，如气化、等离子体形成等。为此须控制引起各种物理现象的激光参数，使激光能量绝大部分转换成金属溶化的能量，达到焊接目的。 几种焊接方法的比较 激光焊接的分类 热传导焊接 深穿透溶化焊接。 热传导焊接 热传导焊接 当激光直接照射到材料的表面后，光能转变为热能而加热溶化，材料表面层的热以传导方式继续向材料深处传递，直至将两个待焊接的接触面互熔并焊接在一起为止。 焊接时要求金属表面在沸点附近的状况下传递能量，且表面温度达到沸点时达到最大熔深。 (c) 当光束的功率密度增大至106～107W/cm时，熔池形成细小的深孔。空中的金属部分被蒸发，另一部分被排挤到熔池周围，形成深宽比更大的下凹圆锥形焊点。 激光热传导焊接各工艺参数 激光能量密度或功率密度 激光脉冲波形 激光脉冲宽度 离焦量对焊接质量的影响 激光脉冲频率及光斑重叠度 焊接结构 气体保护 激光能量密度或功率密度 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。根据热能传导方程，可求出在一定脉宽τ条件下，在材料的一定范围内达到某一温度所需的功率密度 q= 0.886TK/(ατ)1/2 α为热扩散率，K为热传导率 激光脉冲波形 激光脉冲波形在脉冲激光焊接中是一个重要参数。 随着光照区温度逐渐上升到熔点，反射率迅速下降，当金属表面达到沸点，反射率又迅速下降（沸点时，钢的反射率为14％，铝的反射率为20％）。 由于反射率随温度变化的特性，若需要保证金属表面维持在熔沸点间传递能量，不出现熔深太浅或太深的现象，推算出激光脉冲波形。 反射率随脉冲时间的变化 激光脉冲波形 具体到铝这种高反射率的材料，高功率激光使铝材迅速熔化，熔化的铝材的激光吸收率马上升高，这时要求激光功率降低以避免出现激光深熔焊。 而钢及类似金属，其表面反射率变化不大，宜采用较为平坦的激光波形成平顶波。 激光脉冲宽度 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一,是区别于材料除去和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数。 根据熔深确定脉宽 最大熔深是表面吸收激光功率密度的函数q0*Zmax=1.2K(Tv-Tm)? 脉冲终止材料表面达到沸点所需激光功率密度 q=0.886TK/（ατ）1/2 K为热传导率，α为热扩散率，τ为脉宽。 最大熔深与脉宽的关系 Zmax ∝ τ1/2 根