1. 1 第五章 激光加工技术 自然界存在着自发辐射和受激辐射两种不同的发光方式， 前者发出的光是随处可见的普通光，后者发出的光便是激光。 激光如果通过透镜将其聚焦成直径为几十微米到几微米的极 小光斑，使能获得极高的能量密度 (10 8 ——10 10 W ／ cm 2 ) 。当 激光照射在工件表面时，光能被工件吸收并迅速转化为热能， 光斑区的温度可达 10000 ℃以上，使材料熔化甚至气化，这就 是激光加工。（ lasser beam machining,LBM ） 1960 年美国研制成功世界上第一台可用激光加工工的激光器， 截止今天激光加工已形成一种重要的新兴产业。

2. 2 第五章 激光加工技术 5.1 激光加工的原理和特点 一、激光加工原理 激光是一种经受激辐射产生的加强光，它具有强度高、单 色性好、相干性好和方向性好四大综合性能。 激光的强度和亮度之所以高，原因在于激光可以实现光能在空 间上和实践上的亮度集中。 单色是指波长为一个确定的数值，实际上 严格的单色光是不存 在的， 0 为单色光的中心波长，  单色光的谱线宽，  越小， 单色性越好。 单色性越好，相干长度越大，光源的相干性越好。 激光的各个发光中心是相互关联的定向发射，可以把光束压缩 在很小的立体角内。

3. 3 第五章 激光加工技术 激光通过光学系统聚焦后可得到柱状或带状光束， 而且光束的粗细可根据加工需要调整，当激光照射在 工件的加工部位时，工件材料迅速被熔化甚至气化。 随着激光能量的不断被吸收，材料凹坑内的金属蒸气 迅速膨胀，压力突然增大，熔融物爆炸式地高速喷射 出来，在工件内部形成方向性很强的冲击波。因此， 激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击 波抛出的综合作用过程。

4. 4 第五章 激光加工技术 图 1 激光加工示意图

5. 5 第五章 激光加工技术 二、 激光加工的特点 (1) 几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激 光加工。 （ 2 ）加工效率高，可实现高速切割和打孔 （ 3 ）加工作用时间短，除加工部位外，几乎不受热 影响和不产生热变形。 （ 4 ）非接触加工，工件不受机械切削力，无弹性变 形。 (5 ）激光束容易实现空间控制时间控制，可进行微细 的精密图形加工。

6. 6 第五章 激光加工技术 （ 6 ）不存在工具磨损问题。 （ 7 ）在大气中无能量损失，设备简单，不需要 真空室。 （ 8 ）可通过空气、惰性气体或者光学透明解质， 可对隔离室或真空室内工件进行加工 （ 9 ）加工时不产生振动和机械噪声。 (10) 属于热加工，影响因素多。 (11) 产生金属气体，火星等飞溅物，操作人员戴 防护眼镜。

7. 7 第五章 激光加工技术 激光加工的基本设备由激光器、激光器光源， 光学系统和机械系统组成。 激光器：激光加工中的重要设备，将电能转换成光能， 产生激光束。 激光器电源：为激光器提供能量和控制功能 光学系统：包括聚焦系统和观察瞄准系统。 机械系统：包括床身、工作台和机电控制系统。 5.2 激光加工基本设备

8. 8 第五章 激光加工技术 二、 激光器 激光器是激光加工的重要设备，它的任务是把电 能转变成光能，产生所需要的激光束。按工作物质的 种类可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和 半导体激光器四大类。由于 He-Ne( 氦 — 氖 ) 气体激光器 所产生的激光不仅容易控制，而且方向性、单色性及 相干性都比较好，因而在机械制造的精密测量中被广 泛采用。而在激光加工中则要求输出功率与能量大， 目前多采用二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、 YAG( 掺钕钇铝石榴石 ) 等固体激光器。

9. 9 第五章 激光加工技术 固体激光器常由 主体光泵（激励 源）及谐振腔 （由全反射镜、 半反射镜组成）、 工作物质（一些 发光材料如钇铝 石榴石、红宝石、 钕玻璃等）、聚 光器、聚焦透镜 等组成。图中激 光器的工作物质 为钇铝石榴石

10. 10 第五章 激光加工技术 气体激光器一般采 用电激励，效率 高，寿命长，膨 胀系数小，机械 强度高。广泛应 用于焊接、热处 理加工。常用于 材料加工的有二 氧化碳激光器和 氩离子激光器。

11. 11 第五章 激光加工技术

12. 12 第五章 激光加工技术 一、激光打孔 随着近代工业技术的发展，硬度大、熔点高的材料应用越来 越多，并且常常要求在这些材料上打出又小又深的孔，例如，钟 表或仪表的宝石轴承，钻石拉丝模具，化学纤维的喷丝头以及火 箭或柴油发动机中的燃料喷嘴等。这类加工任务，用常规的机械 加工方法很困难，有的甚至是不可能的，而用激光打孔，则能比 较好地完成任务。 5.3 激光加工工艺及应用

13. 13 第五章 激光加工技术 激光打孔中，要详细了解打孔的材料及打孔要求。 从理论上讲，激光可以在任何材料的不同位置，打出浅至 几微米，深至二十几毫米以上的小孔，但具体到某一台打 孔机，它的打孔范围是有限的。所以，在打孔之前，最好 要对现有的激光器的打孔范围进行充分的了解，以确定能 否打孔。 激光打孔的质量主要与激光器输出功率和照射时间、 焦距与发散角、焦点位置、光斑内能量分布、照射次数及 工件材料等因素有关。在实际加工中应合理选择这些工艺 参数。

14. 14 第五章 激光加工技术 激光打孔影响因素 输出功率和打孔时间 焦距和发散角 焦点位置 光斑内能量分布 激光多次照射 工件材料

15. 15 第五章 激光加工技术

16. 16 第五章 激光加工技术

17. 17 第五章 激光加工技术

18. 18 第五章 激光加工技术

19. 19 第五章 激光加工技术

20. 20 第五章 激光加工技术 二、 激光切割 激光切割 ( 如图 2 所示 ) 的原理与激光打孔相似，但工 件与激光束要相对移动。在实际加工中，采用工作台数 控技术，可以实现激光数控切割。 图 2 CO 2 气体激光器切割钛合金示意图

21. 21 第五章 激光加工技术 激光切割大多采用大功率的 CO2 激光器，对于精细 切割，也可采用 YAG 激光器。 激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光 切割过程中，由于激光对被切割材料不产生机械冲击 和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故 在实际中常用来加工玻璃、陶瓷、各种精密细小的零 部件激光切割过程中，影响激光切割参数的主要因素 有激光功率、吹气压力、材料厚度等。

22. 22 第五章 激光加工技术 图 3 振镜式激光打标原理 三、 激光打标 激光打标是指利用高能量的激 光束照射在工件表面，光能瞬时 变成热能，使工件表面迅速产生 蒸发，从而在工件表面刻出任意 所需要的文字和图形，以作为永 久防伪标志 ( 如图所示 ) 。

23. 23 第五章 激光加工技术 激光打标的特点是非接触加工，可在任何异型表 面标刻，工件不会变形和产生内应力，适于金属、塑 料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等各种材料；标记清晰、 永久、美观，并能有效防伪；标刻速度快，运行成本 低，无污染，可显著提高被标刻产品的档次。 激光打标广泛应用于电子元器件、汽 ( 摩托 ) 车配 件、医疗器械、通讯器材、计算机外围设备、钟表等 产品和烟酒食品防伪等行业。

24. 24 第五章 激光加工技术 4) 激光焊接 当激光的功率密度为 10 5 ～ 10 7 W/cm2 ，照射时间约为 1/100 s 左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和 焊剂，只需将工件的加工区域 “ 热熔 ” 在一起即可，如图 4 所示。 激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，既可焊接 同种材料，也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。

25. 25 第五章 激光加工技术 图 4 激光焊接过程示意图

26. 26 第五章 激光加工技术 图 5 激光表面强化处理应用实例

27. 27 第五章 激光加工技术 5) 激光表面处理 当激光的功率密度约为 103 ～ 105 W/cm2 时，便可 实现对铸铁、中碳钢，甚至低碳钢等材料进行激光表 面淬火。淬火层深度一般为 0.7 ～ 1.1 mm ，淬火层硬度 比常规淬火约高 20% 。激光淬火变形小，还能解决低 碳钢的表面淬火强化问题。图 5 为激光表面淬火处理应 用实例。

28. 28 第五章 激光加工技术 激光加工 —— 二维精细切割 1 不锈钢厚 1mm 铝合金 0.8mm 厚，小孔直径 0.7 mm 单晶硅厚 0.7 mm 不锈钢厚 4 mm

29. 29 第五章 激光加工技术 激光加工 —— 三维精细切割 2 大功率电子管栅极 钼厚 300 微米，直径 300 微米 航空发动机叶形孔 不锈钢厚 1mm ，孔 100 微米 切割陶瓷厚 1.7mm 色片工装 铝合金厚度 4mm

30. 30 第五章 激光加工技术 激光加工 —— 焊接 锅炉用钢管 盒体铝合金厚 3mm 锅炉用钢管厚 7mm 汽车齿轮（ 16MnCr5 ） 纸浆过滤器不锈钢

31. 31 第五章 激光加工技术 激光加工 —— 熔覆与热处理 航空发动机叶片修复 熔覆层宽 2mm ，厚 1mm 曲轴花键槽修复（ 18Cr2Ni4W ） 熔覆层宽 4mm ，厚 0.5mm 线材轧辊修复， 熔覆层 8mm 导轨表面强化 ( 材料 : 高强钢 )

32. 32 第五章 激光加工技术 激光加工 —— 生物芯片 多种激光器联合制作具有复杂流路的生物芯片 20 个循环 PCR 微流控芯 毛细管微流控芯