先进制造技术-9激光加工技术

一、激光加工系统的组成(1)

激光加工机床如激光打孔机和激光切割机除具有一般机

床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装 置外，主要应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦 系统和电气系统三部分组成的。 1.激光器 激光器由激光光源、光泵、聚光器和谐振腔组成，应 用于加工的激光器主要有： (1)固体激光器 具有稳定性好的特点，但能量效率低， 一般<3%。由于输出能量小，主要用于打孔和点焊及薄 板的切割。2013-12-15 1

一、激光加工系统的组成(2)YAG是固体激光中能发出最大功率的离子激光。YAG的 结晶母材是由钇、铝和石榴石构成的，其中微量的钕离子起 激光作用。YAG的激光波长为1.06μm,相当于二氧化碳气 体激光波长的1/10。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波 的情况下应用，波长短、聚光性好，适于精密加工特别是在 脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。 由于聚光性好，可通过光导纤维传输能量，适用于内腔加工 等特定切合，其能量效率不及CO2气体激光源，最多不超过 3%,目前产品的输出功率大多在600W以下，最大已达 4kW。

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一、激光加工系统的组成(3)光泵是使工作物质发生粒子反 转产生受激辐射的激励光源，因 此光泵的发射光谱应与工作物质 的吸收光谱相匹配。常用的光泵 有脉冲氙灯和氪灯，脉冲氙灯的 发光强度和频率较高，适用于脉 冲工作的固体激光器，而氪灯的 发光光谱能与YAG的吸收光谱很 好匹配，是YAG连续激光器的理 想光泵。为改善照射的均匀性， 光泵可用双灯(如图1所示的件3 有上、下两个)、三灯或四灯。

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一、激光加工系统的组成(4)聚光器罩在光泵的外围，它是把光泵发生的光有效 地、均匀地集中到工作物质上。聚光器中常用的是圆 柱聚光器和椭圆聚光器，也有球形、椭球和紧包形的 聚光器。其要求为聚光均匀、散热好、结构简单、内 壁反射率高，表面粗糙度Rα0.04μm以下，通常聚光 效率达80%。 谐振腔是光学反馈元件，它的作用是为光放大介质 产生光振荡。其类型对激光输出能量和发散角有很大 影响，常用的平行平面谐振腔由图1中反射镜1与4组 成，谐振腔的长度为激光半波长的整倍数，反射镜平 行度<10"。2013-12-15 4

一、激光加工系统的组成(5)(2)气体激光器 常用的工作物质有分子激光的二氧化碳 (CO2)和离子激光的氩气(Ar),后者输出功率为25W, 它的10ns级短脉冲，使热影响区小，用于半导体、陶瓷和 有机物的高精度微细加工。而CO2激光器的功率在连续方 式工作时可达45kW,脉冲式可达5kW,故在加工中应用 最

广。 CO2气体激光器的波长为10.6μm,处于红外线领域， 因而其激光束为不可见光。它是在氦的体积分数约80%, 氮的体积分数约15%和CO2的体积分数约5%的混合气体 中进行放电形成粒子数反转的分子激光。它的能量效率通 常为5%~10%,高效装置甚至可达10%~15%。

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一、激光加工系统的组成(6)CO2激光器的工作原理图 如图2所示。 气体激光的激励虽也可用 光泵的方法，但大多用直流 放电(图2)或高频放电的方 式。 谐振腔由放电管两端的镜 面构成，一端是镀金凹镜， 另一端是锗或砷化镓平镜， 它们也兼作密封之用。

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一、激光加工系统的组成(7)CO2激光器的输出功率与放电管的长度成正比，

低速轴流式的气体流速慢，输出功率小，约50~ 70W/m,但其输出功率稳定，易得到单模，一般用 于百瓦级激光器。对于千瓦级的CO2激光器则采用气 体循环速度达100m/s的高速轴流式的激光器或气流 及放电与激光光轴垂直的双轴直交型以及气流、放电 与激光光轴三者互相垂直的三轴直交型，可达到使激 光器小型化。

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一、激光加工系统的组成(8)2.聚焦系统 其作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至工 件上，并具有调节焦点位置和观察显示的功能。CO2 激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化镓等红 外材料制造的光学透镜才能通过。为减少表面反射需 镀金全反射镜。

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一、激光加工系统的组成(9)图3为应用于CO2激 光切割机的透射式聚焦系 统。图中在光束出口处装 有喷吹氧气、压缩空气或 惰性气体N2的喷嘴，用 以提高切割速度和切口的 平整光洁。工作台用抽真 空方法使薄板工件能紧贴

在台面上。

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一、激光加工系统的组成(10)3.电气系统 电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其作 用是供给激光器能量(固体激光器的光泵或CO2激光器 的高压直流电源)和输出方式(如连续或脉冲、重复频 率等)进行控制。此外，工件或激光束的移动大多采用 CNC控制。 为了实现聚焦点位置的自动调整，尤其当激光切割 的工件表面不平整时，需采用焦点自动跟踪的控制系统， 它通常用电感式或电容式传感器来实时检测，通过反馈 来控制聚焦点的位置，其控制精度的要求一般为 ±0.05~0.005mm。

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二、激光加工的合理工作参数 (1)1.激光打孔尺寸及其精度的控制

(1)孔径尺寸控制 采用小的发散角的微光器 (0.001~0.003rad),缩短焦距或降低输出能量可获 得小的孔径。对于熔点高、导热性好的材料可实现孔径 0.01~1mm的微小孔加工，最小孔径可达0.001mm。 (2)孔的深度控制 提高

激光器输出能量，采用合理 的脉冲宽度(材料的导热性越好宜取越短的脉冲宽),应 用基模模式(光强呈高斯分布的单模)可获得大的孔深。 对于孔径小的深孔宜用激光多次照射，并用短焦距 (15~30mm)的物镜打孔。2013-12-15 11

二、激光加工的合理工作参数 (2)(3)提高激光加工孔的圆度 激光器模式采用基模加 工，聚焦透镜用消球差物镜，且透镜光轴与激光束光 轴重合，工件适当偏离聚焦点以及选择适当的激光能 量等可提高加工圆度。 (4)降低打孔的锥度 通常孔的锥度随其孔深孔径比 增大而增加，采用适当的激光输出能量或小能量多次 照射，较短的焦距，小的透镜折射率及减少入射光线 与光轴间的夹角等措施可减小孔的锥度。

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二、激光加工的合理工作参数 (3)(5)硬脆材料激光打孔的实用参数 用YAG激光加 工机对红宝石和金刚石打孔，当孔径为0.05mm时， 所用的单个脉冲的激光能量分别为0.05~1J,每秒的 脉冲数约为20个；加工Si3N4、SiC和Al2O3等陶瓷， 当孔径为0.25~1.5mm时，所用单个脉冲激光能量在 5~8J,每秒的脉冲数为5~10个，脉冲宽度0.63ms, 辅助气体用空气或N2。

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二、激光加工的合理工作参数 (4)2.激光切割的合理工作参数 除精细切割如切割硅片可用YAG固体激光器外，激光 切割一般采用CO2以激光器，其工作参数主要有切割速 度、切缝宽度和切割厚度。 (1)激光切割速度 它随激光功率和喷气压力增大 而增加，而随被切材料厚度增加而降低。切割6mm厚 度碳素钢钢板的速度达到2.5m/min,而厚度为 12mm的钢板仅为0.8m/min。切割15.6mm厚的胶 合板为4.5m/min,切割35mm厚的丙烯酸酯板的速 度则达27m/min。

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二、激光加工的合理工作参数 (5)(2)切缝宽度 一般在0.5mm左右，它与被切材料

性质及厚度、激光功率大小、焦距及焦点位置、激光 束直径、喷吹气体压力及流量等因素有关，其影响程 度大致与对打孔直径的影响相似。切割精度可达 ±0.02~0.01mm。 (3)切割厚度 它主要取决于激光输出功率。切割 碳素钢时，1kW级激光器的极限切割厚度为9mm, 1.5kW级为12mm,2.5kW级为19mm;2.5kw级切 割不锈钢的最大切割厚度则为15mm。对于厚板切割 则需配置3kw以 …… 此处隐藏：2017字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……