先进制造技术_9激光加工技术

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1、2021/7/211一、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。2021/7/212一、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、

2、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。2021/7/213一、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

3、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。2021/7/214一、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

4、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"。2021/7/215一、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4

5、5kW，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％。2021/7/216一、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

6、化镓平镜，它们也兼作密封之用。2021/7/217CO2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。一、激光加工系统的组成(7)2021/7/2182.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

7、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。一、激光加工系统的组成(8)2021/7/219一、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。2021/7/21103．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

8、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。一、激光加工系统的