数控特种加工技术第二版课件教学ppt作者 丛文龙 张祥兰第5章 数控激光加工.ppt

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1、第5章数控激光加工主编：丛文龙张祥兰学习目标与要求：了解激光的产生与特性、激光加工的原理及特点；熟悉数控激光加工设备的组成及各部分的功用；了解激光加工的应用。激光加工是一种重要的高能束加工方法，它是利用高能激光束的光热效应来进行加工的。激光是20世纪60年代发展起来的一项重大科技成果，它的出现深化了人们对光的认识，扩展了光为人类服务的领域。目前，激光加工已较为广泛地应用于切割、打孔、焊接、表面处理、切削加工、快速成形、电阻微调、基板划片和半导体处理等领域中。5.1激光加工的原理及特点一、激光的产生与特性1．自发辐射与受激辐射

2、原子由原子核和核外电子组成。核外电子在某一轨道上绕原子核转动，具有一定的动能；原子核对核外电子的吸引作用，使得核外电子具有势能。这两部分能量的总和，称为原子的内能。当电子处于不同的轨道上旋转时，显然具有不同的动能和势能，也就是说原子具有不同的内能。由于电子允许处于的轨道是固定的和不连续的，所以原子可能具有的内能也是固定的和不连续的。通常将原子的这些固定的和不连续的能量状态称为能级。由于在原子中核外电子通常都在各自的允许轨道中距原子核最近的一条上旋转，此时原子所具有的能量是所有允许能量中的最小值，这个最低的能级叫做基能级，处于

3、这个能级上的原子的能量状态叫做原子的基态。基能级以上的各个高的能级都叫做激发能级，处于这些能级上的原子的能量状态称为激发态。原子的能级和能量状态是可以改变的。当原子吸收了外来能量时，会由较低的能级被激发到较高能级而处于激发态。处于激发态的原子（还有分子、离子等）是不稳定的，一般只能停留亿分之一秒，然后会自发地跃迁到低能级，并以光或其它形式（实际上是热能）释放出能量，此过程称为自发辐射。自发辐射的特点是：所有发生辐射的原子都可以看作相互独立的发光单元，它们彼此毫无联系，因此它们发出的光是杂乱无章的。即光子在发射方向上、在频率（

4、波长）和初始相位上都是不一致的，发出的光是四处散开的，这就是普通光。而激光的产生是利用了处于激发态原子的受激辐射，它是指处于激发态的原子在外来光子的刺激下（原子只接受这光子的刺激，而并不吸收它）跃迁到基能级上，同时放出—个光子。受激辐射中发出的光，与外来感应的光具有相同的物理特征，两者具有相同的频率、相位、传播方向、偏振方向。外来感应的一个光子因此而变为两个相同的光子，光因受激辐射而得到放大。2．激光的产生激光的形成过程如图5-1所示。采用适当的激励方法激励激光工作物质，通过受激吸收使得高能级原子的数量大于低能级原子的数量，

5、实现粒子数反转分布。在自发辐射产生的光子刺激下，发生受激辐射，那些沿与工作物质两端反射镜垂直的轴向行进的原始自发辐射光和感应辐射光受到镜的反射，又会回到工作物质内部，并感应处于激发态的原子，使光得到进一步放大。如此往复，只要镜面的反射率足够高，则沿轴向传播的光会得到不断放大，最终形成强大的受激辐射即激光。光在两镜间的来回往复运动，叫做光的振荡。工作物质两端的两镜，相互平行且与工作物质轴线垂直地对称放置，可以是平面镜，也可是球面镜，就构成了激光器的谐振腔。两镜中一块反射率接近100％；另一块稍低，约为98％，最终形成的激光就从

6、这一块透射而出。3．激光的特性激光与普通光的比较如表5-1所示。激光正是由于具有这些特点，在各个领域得到了广泛应用。激光的特性（1）亮度高激光是当代最亮的光源，其他普通光源与之相比，都望尘莫及。俗称太阳灯的长弧氙灯很亮，比太阳亮几十倍，但激光却可比太阳灯还亮亿倍。即使核武器爆炸瞬间的强烈闪光，也不能与之相比。（2）方向性好普通光源（如太阳、电灯等）有向四面八方发散光的特性。探照灯光通常被认为是平行的光束，可是它的方向性与激光比起来就是望尘莫及了。（3）单色性好所谓光源的单色性，是指其所发光含有的波长范围（带宽或谱宽）的大小。

7、波长范围小，单色性好，反之则单色性差。（4）相干性好所谓相干性，是指来自同一波源的两列以上的波在空间相遇时，合成波在空间的强弱分布情况表现出的波的性质。若合成波在空间呈现出明显的强弱分布，即有的地方强，有的地方弱，强弱相间，对比度高，我们就说这个波源发出的波相干性好；反之，则说相干性差。二、激光加工的基本原理激光加工是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料去除的加工技术。激光加工的基本原理如图5-2所示，由激光器1产生的激光经透镜4后聚焦到工件5的待加工表面上。该

8、聚焦光斑的直径仅有几微米到几十微米，而其能量密度高达108～1010W/cm2，温度高达10000℃以上，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使各种物质熔化和气化，以达到蚀除被加工材料的目的。三、激光加工的特点（1）由于激光加工的功率密度高，因此几乎能加工任何材料，如耐热合金、陶瓷、石英、金