先进激光加工技术(上)

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1、内容引言工业用激光器激光加工基本物理过程激光加工典型应用在宏观制造领域中的应用微细加工领域的应用激光增材制造技术（3D打印技术）一、引言1960年世界上第一台激光器诞生，随后各种激光器层出不穷，如气体、液体、固体、化学、准分子、半导体激光器和光纤激光器等。激光器应用领域工业：焊接、切割、打孔、表面处理、合金化、熔覆修复、快速原型制造、金属零件直接成形（3D打印）、打标等—应用于汽车、电子、航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业领域。农业：育种等。医学：激光眼科、微外科手术、激光美容、口腔。军事：激光测距、激光制导、激光通信、强激光武器（人眼致盲、光电探测

2、器失效，摧毁飞机、导弹、卫星）、激光模拟训练。科学研究等许多方面。《光机电月刊》，《工业激光解决方案》德国、美国、日本、英国等国家激光产业的发展代表了世界激光产业最高发展水平。激光产业发展计划美国：激光核聚变计划；德国：光学促进计划；国家级激光中心9个英国：阿维尔计划；日本：激光研究5年计划。中国“十二五”规划中增加：高能束与特种能场制造科学二、工业用激光器固体激光器（Nd:YAG激光器）气体激光器（CO2激光器）液体激光器化学激光器准分子激光器（KrF激光器）半导体激光器光纤激光器超快激光器（皮秒、飞秒、阿秒激光）功率密度对靶材的影响：103～104W

3、/cm2，加热104～106W/cm2，熔融106～108W/cm2，气化108～1010W/cm2，等离子体靶激光束烧蚀蒸汽三、激光与材料相互作用过程激光加工：热加工，冷加工激光与材料的相互作用过程十分复杂：靶材的多样化，作用激光参数的多样化，作用条件的多样化。高功率激光与材料相互作用问题远没有解决，原因是：一是研究对象本身的复杂性和多样性二是激光器本身的快速发展带来的新的问题三是一些基本问题的观点、模型以及适应范围等仍没有得到清楚地解释和验证。相互作用机理研究尚待深入激光的吸收激光入射到材料表面时：反射、透射、吸收E0=E反射＋E吸收＋E透射1=E反

4、射/E0＋E吸收/E0＋E透射/E01=ρR+αA+τT（反射比，吸收比，透射比）对于不透明材料：1=ρR+αA光强传播：I=I0e-Ax，（A为材料的吸收系数）穿透深度：DT=1/A，（光强降至I0/e时）吸收系数：与材料和激光波长有关材料的复数折射率：n=n1+in2激光垂直入射时吸收比：吸收系数：金属对激光的吸收与波长、材料特性、温度、表面情况（有无涂层）及激光的偏振特性有关。一般情况下吸收比随波长增加减小，随温度升高增大。非金属对激光的吸收：绝缘体和半导体的结构特征决定了它对激光波长有强烈的选择性。激光对材料的加热激光照射区域沿法线方向的温度剃度

5、为：式中，αA为靶材表面对激光的吸收比；Ps为作用于靶材表面的激光功率密度；λt为材料热导率。具体计算分析时做如下简化假设：被加热的材料是均匀且各向同性的物质。材料的光学特性和热力学参数与温度无关。忽略传热过程中的辐射和对流，只考虑材料内热传导。求解方法求解激光加热问题的数值解最有效也是最重要的方法是：有限差分法。它能有效地处理各种复杂边界条件和非线性问题，能得到较准确地数值解。其实质是：将微分方程中未知函数的导数用温度场各个节点上的有限差分值的近似关系来代替，进而得到有限差分方程的解。这样就将有限差分方程的求解归结于简单的代数运算。激光熔融现象当激光致

6、使材料表面的温度达到其熔点时，前一章讨论的激光加热与热传导方程的解将不再成立。原因：材料熔化要吸收熔化潜热；材料的热导率在熔化前后将成倍的变化。对半无限大物体，当表面温度达到熔点Tm时，等温面（熔化波前）T=Tm将以一定的速度向材料内部传播，传播速度取决于激光功率密度和材料的固相、液相的热力学参数。等温面传播的最大距离称为最大熔化深度。对于大多数金属，熔化波前的穿透深度可简单表示为：Pso为光斑中心的功率密度；Lt为材料的熔化潜热；tn激光照射表面至开始熔化时间；tb材料表面加热到Tb所需时间；αA为材料表面对激光的吸收比；Tn为熔化温度；λt为热导率；

7、Tb近似为气化温度合理调整激光功率密度和脉宽可得到最大融化深度靶材的气化模型高强度激光脉冲照射金属靶材表面分为以下几个阶段：首先，靶表面达到熔点温度时，形成熔融层，然后温度继续上升直到蒸发开始。一部分吸收的激光能量变为蒸发的潜热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分传给靶材。最后，在强度不是很高的情况下，喷溅蒸气不能形成强吸收，系统达到一个稳定状态。v为靶面蒸发速度；Ln，Lv为熔化潜热和蒸发潜热；c(Tc-To)为温度从熔点升至沸点靶面吸收热量；Tc表示稳定表面温度；Ps＝αAPso；vm为质量变化率；p(Ts)为蒸气压力。气化时间的估计假设气化过

8、程中，所有材料在液相和固相时性质相同，且不随温度变化，则气化厚度为d0的金属所需