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4激光加工


4 激光加工
4.1 概述
光学是一门既古老又年轻的科学。人们一直在研究光的产生、本性和与物质间的 相互作用,对光的认识和利用也越来越深入。随着光的经典理论向量子理论的过渡和 完善,人们对光的认识也从光线、光波发展到波粒二象性。光的现代量子理论也就是 光子学说认为:光是一种以光速c运动的光子流。激光(Laser)是指辐射的受激发射过 程中产生的光放大(Light amplification by stimulated emission of radiation)。光子理 论的发展奠定了激光的概念和理论基础。 建立在量子力学理论基础之上的激光技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴 学科。 1960年, 美国休斯公司的T. Maiman发明了世界上第一台红宝石激光器; 从此, 1961年贝尔实验室发明了第一台氦-氖激光器。 人们对激光的特性和应用进行了研究。 1962年,研制出第一台工作在液氮温度下脉冲半导体激光器。接着在1964年C. Patel 发明了第一台CO2激光器,1965年贝尔实验室又发明了第一台YAG激光器。1966年 《Laser Focus》杂志发行,这标志着激光时代的开始。 1965年前后,CO2激光器和Nd:YAG激光器相继出现,而这两种激光器都可以 产生相当高的平均功率和能量,因而使激光在材料加工领域的应用成为可能。激光加 工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工 材料。人们曾用透镜将太阳光聚焦,使纸张和木材引燃。但是无法用于材料加工。这 是因为:地面上太阳光的能量密度不高;太阳光不是单色光,是多种不同波长的多色 光,聚焦后焦点不在同一个平面内。只有激光是可控的单色光,其强度高,能量密度 大,可以在空气介质中高速加工各种材料。 随着激光束与物质相互作用的研究发展,以及激光器输出功率的提高并商品化, 使激光器走出了实验室,并在20世纪70年代初期变成了工业中加工材料的设备,一种 崭新的加工方法——激光加工出现了。当时主要用于一些微型器件的切割、焊接,以 及电子工业中电路板的焊接、打孔和集成电路的调阻。70年代中后期才开始广泛应用 于金属材料的焊接、切割和热处理中。 80年代以后,Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能进一步提高。由于广泛采用多 级放大的结构,目前单棒激光器的输出功率最大可达500W,多级放大后输出功率可 达几千瓦。同时CO2激光器多采用快速轴流结构,输出功率已达几千瓦甚至上万瓦。 这样的激光器已在激光表面改性处理、 激光切割与焊接中取得广泛应用。 到了90年代, 新的泵浦源激光二极管的发展,对固体激光器的发展开辟了崭新的领域。二极管泵浦 源固体激光器体积大大减小,光束质量高,寿命长,泵浦效率远远超过灯激励等传统 的激励方式,它将在很大范围内代替原有的工业应用激光器。近年来,一些新型激光 器也相应进入激光加工领域,其中最主要的是准分子激光器。准分子激光器工作在紫
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外波段,它与材料的作用以激光化学反应为主,其作用过程主要借助于高能密度光子 引发或控制化学反应而进行。 在我国,1961年研制出第一台红宝石激光器,1963年研制成功激光打孔机。, 1965年正式在拉丝模和手表宝石轴承上采用激光打孔,以后相继采用CO2激光器、钕 玻璃激光器、YAG激光器等对不同材料,不同零件进行打孔。1976年,长春光机所与 第一汽车制造厂等单位合作开发了SJ-2500型500W直管式数数控激光切割机,用于 红旗轿车车身薄板的切割,1978年开始系统地进行激光热处理研究和工业应用。到目 前为止,我国在激光打孔、激光毛化、激光切割、激光焊接、激光热处理、激光打标、 激光快速三维立体成型等方面已有许多非常成功的应用范例,激光合金化和熔覆、激 光制备新材料等都开始进入实用化阶段。 激光技术是20世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四大发明之一。激光的应用 已渗透到加工、医疗、通讯、检测、军事、娱乐等众多领域,取得了很好的经济效益 和社会效益,对国民经济和社会的发展将发挥越来越重要的作用。 激光加工对传统工业的改造也将发挥越来越显著的作用。 因为21世纪的制造技术 首先必须是可持续发展的技术。20世纪飞速发展的工业技术使人类已面临环境污染、 生态破坏和资源短缺的危机。 因此在21世纪必须实行可持续发展的策略, 推行无污染、 低消耗的绿色制造技术。激光加工过程是激光与材料相互作用的过程,不象刀具切削 加工有大量的切屑产生,消耗掉许多被加工材料并磨损刀具,同时产生较大的加工噪 声。激光加工时激光束照射在被加工工件上与材料相互作用完成加工过程,因此是非 接触、无磨损、无噪声、无切屑,基本上对环境不造成污染。所以激光加工是一种非 接触、无污染、低噪声、节省被加工材料的绿色加工技术。它必然会成为21世纪的一 种先进加工技术。

4.2 激光产生的原理和概念
激光的产生与原子物理理论的一些基本概念有关。 一、 原子的能级和跃迁 原子由原子核和绕原子核转动的电子组成。原子的内能就是电子绕原子核转动的 动能和电子被原子核吸引的位能之和。电子分布在离核最近的一些轨道时,原子的总 能量最低,称为原子处于基态;由于外界作用使电子重新分布于离核较远的外层轨道 时,原子的总能量较高,称为原子处于激发态。只有电子在最靠近原子核的轨道上运 动才是最稳定的。当外界传给原子一定的能量时,原子的内能增加,外层电子的轨道 半径扩大,被激发到高能态。各种不同的能量状态称为能级,原子可能具有的总能量 值不是连续分布的,而是一系列分离的数值,因此其能级也是分立的。图4-1是氢原 子的能级,图中最低的能级E1是基态,其余E2、E3……等都是高能态。 电子在核外的分布不是一成不变的,当原子受外界能量作用时,电子的分布就会 发生变化,原子的能量也随之变化。原子从一种能量状态到另一种能量状态的过程称
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为“跃迁”。原子跃迁时的能量变化以光波的形式发射或吸收。
能级 E8 能级 E5 能级 E3 能级 E2

基态 能级 E1

图 4-1 二、 自发辐射

氢原子的能级图

当原子从高能级跃迁回到低能级或基态时,常常会以光子的形式辐射出光能量, 所放出光的频率ν与高能态En和低能态E1之差有如下关系

ν =

E n ? E1 h

(4.1)
-34

式中h——普朗克常数(h=6.63× 10 J·s)。 在基态时,原子可以长时间地存在,而在激发态的各种高能级的原子停留时间一 般都较短(常在0.01?s左右)。但有些原子或离子的高能级或次高能级却有较长的停 留时间,这种停留时间较长的能级称为亚稳态能级。 原子从高能态自发跃迁到低能态而发光的过程称为自发辐射,日光灯等光源都是 由于自发辐射而发光的。由于各个受激原子自发跃迁返回基态时在时间上有早有晚; 辐射出来的光子在方向上四面八方;而且它们的激发能级很多,自发辐射出来光的频 率和波长大小不一,所以单色性和方向性都很差。自发辐射是普通光源的发光机理。 三、 受激吸收 处于低能级的粒子,在频率为ν的入射光(ν满足4.1式)诱发下,吸收入射光的 能量而跃迁到高能级的过程称为受激吸收。 四、 受激辐射 物质发光除自发辐射外,还有一种是受激辐射。当一束光入射到具有大量激发态 原子的系统中, 若这束光的频率ν与 ( E 2 ? E1 ) h 很接近, 则处于激发态能级上的原子, 在这束光的刺激下会跃迁到较低能级,同时发出一束光,这束光与入射光有着完全相 同的特性,它的频率、相位、传播方向以及偏振方向都是完全一致的。因此相当于把 入射光放大了,这样的发光过程称为受激辐射。 受激吸收和受激辐射概念是由爱因斯坦首先提出的,是激光产生的理论基础。应 当指出,受激辐射与自发辐射是两种本质不同的物理过程。自发辐射的几率只与原子
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本身有关, 而受激辐射的几率不仅与原子性质有关还与入射光频率、 光强等因素有关, 而且它们发出的光性质也不相同,这便是激光区别于普通光的根本原因。 五、 粒子数反转 通常情况下,物质体系处于热力学平衡状态,受激吸收和受激辐射同时存在,其 吸收和辐射的总几率取决于高低能级上的粒子数。在平衡态下任意两个高低能级上的 粒子数分布服从玻尔兹曼统计规律:

n2 n1 = e ?( E2 ?E1) / kT
式中 n1、E1——低能级上的粒子数和该能级的能量; n2、E2——高能级上的粒子数和该能级的能量; T——平衡态时的绝对温度 k——玻尔兹曼常数 显然, 高能级能量大于低能级能量, 因而在 热平衡状态下, 体系高能级上的粒子数恒小于低 能级上的粒子数(如图4-2所示)。所以,在热平 衡状态时, 对于入射到粒子体系的相应频率的外 界光, 体系受激吸收的几率恒大于受激辐射的几 率, 体系对光的吸收总是大于发射, 对光起衰减 E1 n2 n1 E E2 n2/ n1=e

(4.2)

-( E2- E1)/kT

n

图 4-2 粒子数按能级的玻尔兹曼分布

作用。吸收了外界光子而跃迁到高能级的粒子再以自发辐射的形式将能量消耗掉。因 此,通常情况下,我们只见到原子的光吸收现象,而看不到光的受激辐射现象。 激光器中利用辉光放电、光辐射等手段激励粒子体系,使其突破通常的热平衡状 态,即将基态上的粒子有选择的激发到某一个或几个高能级上去,使这些高能级上的 粒子数大大增多,从而超过低能级,这种状态称为粒子数反转。此时,体系的受激辐 射几率超过受激吸收几率,受激辐射占优势,对外界入射光的反应效果是总发射大于 总吸收,体系具备放大功能,通过该体系的光将会得到放大。因此粒子数反转是实现 激活和光放大的必要条件。 激光的产生 六、 激光的产生 实现粒子数反转的工作物质具有光放大作用,经工作物质的放大而射出的光强与 入射光强之比称为光放大系数,光强很弱时的放大系数叫小信号增益系数,用G°表 示。工作物质内部也存在损耗,单位长度的损耗用损耗系数α表示。激活物质内沿Z 轴的光放大行为可表示为: I(Z)=I0 e(G°-α)Z 式中 I0——初始光强 I(Z)——传播到Z处的光强 由于光放大是由高能级粒子向低能级受激辐射跃迁而产生的,受激辐射要消耗高 能级粒子数。因此,光强的增大是以粒子数反转值的减少为代价的。光强I越大,受激
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(4.3)

跃迁掉的高能级粒子就越多,粒子数反转值就越少,光的放大就越慢,增益系数也就 变小, 这种现象称为增益饱和。 含有增益饱和效应的放大系数G可表示为光强I的函数, 即 G(I)= G°/(1+I/Is) 式中Is——饱和光强 由于自发辐射,激活物质内总存在微弱光强I0。最初,光强按小信号放大规律增 大,但随着I(Z)的增大将出现增益饱和效应,增益系数将按式(4.4)减少,I(Z)的增大将 逐渐减慢。最后当G(I)= α时,I(Z)不再增加而达到一个稳定的极限值Im,即 G(Im)= G°/(1+Im/Is) = α Im= (G°-α)Is /α (4.5) (4.6) (4.4)

Im只与放大物质本身的参数有关,而与初始光强无关。也就是说,不管初始光强 多么微弱,只要激活物质足够长,就能不断得到放大,总能形成确定大小的光强Im。 激光能实际形成和增大的条件为: Im= (G°-α)Is /α≥0 即 G°≥α (4.7) (4.8)

当G°=α时,光强维持在初始光强水平上;只有当G°>α时,光强才能增大,G°-α 越大,输出功率越高。 七、 激光模式 激光是一种电磁波。由激活物质两端的反射镜组成的光腔将对电磁场加上一定的 限制,根据电磁波理论,一切被约束在有限空间范围内的电磁场都只能存在于一系列 分列的特征状态(即本征态)之中,每一个本征态都有自己的振荡频率和空间分布。通 常将光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为光腔的模式,激光模式也就是光腔 内可区分的光波的状态。只要光腔的结构确定,腔内振荡模式的特征也就随之确定。 光波场的空间分布可分解为沿腔轴方向的分布和沿垂直于腔轴方向的分布。沿轴向的 场分布称为纵模,垂直于轴向的场分布称为横模,光腔模式是横模和纵模的组合。 横模用代表横向电磁波的TEMmn表示,m表示沿辅角φ方向场经过零值的次数,n 表示沿半径r方向光场过零值的次数。m、n值也对应于横模的传播方向,m、n较小的 模与腔轴构成的夹角较小, 因而值m、 n也表征横模发散角的大小。 TEM00模称为基模, 它的发散角最小,能量最集中。在激光加工中最为有利。其它m、n值较大的模称为 高阶模。 纵模也就是光腔内的驻波场分布,应满足谐振条件:L=q·λq/2 式中L为腔长;q为半波长数。 λq =2L/q, 凡是满足谐振条件能在光腔内稳定存在的驻波场就 fq=q·C/2L 是一种纵模,每种纵模用q标记。纵模的谐振波长和频率由下式确定:

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4.3 激光的特性
激光也是一种光,它具有一般光的共性,如光的反射、折射、衍射以及干涉等。 激光还具有不同于普通光的一些基本特性, 即高强度、 单色性、 相干性和方向性。 这是因为:普通光源的发光是以自发辐射为主,发光物质中大量的发光中心基本上是 无秩序地、相互独立地产生光发射的,各个发光中心发出的光波无论方向、相位或者 偏振状态都是不同的,亦即在全部发光过程中,发光中心的相互独立的个体行为占主 导地位。而激光不同,它的发光是以受激辐射为主,发光物质中大量的发光中心基本 上是相互关联地产生光发射,各个发射中心发出的光波具有相同的频率、方向、相位 和偏振状态,亦即在全部发光过程中,发光中心的相互关联的集体行为占主导地位。 1. 高强度 光的强度通常是指单位时间内通过单位面积的光能量,光强度用W/cm2作单位。 光源的亮度B通常是指在光源表面的单位面积S上,在垂直于表面的方向,单位时间T 在单位立体角Ω内发射出的光能W,即B=W/S TΩ。用W/(cm2?sr)作单位。 就光能在空间上的集中而论,如果能将分散在180°立体角范围内的光能全部压 缩到0.18°立体角范围内发射,则在不必增加总发射功率的情况下,发光体在单位立 体角内的发射功率就可提高一百万倍,亦即其亮度提高一百万倍。 就光能在时间上的集中而论,如果把一秒钟时间内所发出的光压缩到亚毫秒数量 级的时间内发射,形成短脉冲,则在总功率不变的情况下,瞬时短脉冲功率又可以提 高几个数量级,从而大大提高了光的亮度。激光的亮度和强度之所以如此高,原因就 是激光可以实现光能在空间上和时间上的高度集中。 2. 单色性好 在光学领域中,“单色”是指光的波长(或频率)为一个确定的数值。实际上严格 的单色光是不存在的。波长为λ0的单色光是指中心波长为λ0、谱线宽为?λ的一个光谱 范围。?λ称为该单色光的谱线宽,它是衡量单色性好坏的尺度,?λ越小,单色性就越 好。 在激光出现以前,单色性最好的光源是氪86灯,它发出的单色光λ0=605.7nm,在 低温条件下,?λ只有47×10-5nm。激光出现后,单色性有了很大的飞跃。因为工作粒 子数反转和激光振荡只能发生在数目有限的高低能级之间,只有少数几个振荡频率能 维持振荡,并且每个振荡频率的振荡宽度远比整个荧光谱线宽度小得多。用选模技术 可使激光器实现单频振荡,单纵模稳频激光的谱线宽度可以小于10-8nm。单色性比氪 灯提高了几万倍到几十万倍。 3. 相干性好 光源的相干性可以用相干时间或相干长度来度量。相干时间是指光源先后发出的 两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔。在这个最大的时间间隔内光所走的路程 (光程)就是相干长度,它与光源的单色性密切有关,即

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L = λ0 ?λ

2

式中,L是相干长度;λ0为光源的中心波长;?λ为光源的谱线宽度。 这就是说,单色性越好,相干长度就越大,光源的相干性也越好。某些单色性很 好的激光器所发出的光,采取适当的措施以后,其相干长度可以达到几十公里。而单 色性很好的氪灯所发出的光,相干长度仅为78厘米,用它进行干涉测量时最大可测长 度只有38.5厘米,其它光源的相干长度就更小了。 4. 方向性好 光束的方向性是用光束的发散角来表征的。普通光源由于各个发光中心是独立地 发光,而且具有不同的方向,所以发射的光束是很发散的。即使是装上聚光系统,要 使光束的发散角小于0.1sr仍是十分困难的。而激光则不同,激光的高方向性主要是由 受激辐射机理和光学谐振腔对振荡光束方向的限制作用所决定的。在最好的情况下, 输出光束的方向性可以达到由光束截面直径D所决定的衍射极限,即光束的立体发散 角Ω≈(2.44λ/D)2。光束的方向性越好,意味着激光束可以传播到越远的距离或在焦 点上获得越小的光斑尺寸。 激光的高方向性使得激光能有效低传递较长的距离, 能聚焦到极小的光斑尺寸(焦 点光斑面积直径可以<10?m),获得极高的能量密度,这些是激光加工的重要条件。 基模高斯分布光束直径和发散角最小, 其方向性最好, 在激光切割、 焊接中也最有效。

4.4 激光加工材料的物理过程及激光加工的特点
一、激光加工的基本原理 人们在日常生活中发现,太阳光经过凸透镜以后可以聚焦成一个很小的光点,如 果把纸张等易燃物放到凸透镜下焦点的地方,很快就会燃烧。这说明光本身就是一种 能量,经过聚焦以后,能量集中到焦点附近,使温度达到300℃以上。然而,直接利 用太阳光聚焦进行材料加工是困难的,因为照射到地面的太阳光能量密度不够大,再 者, 照射到地面上的太阳光虽近似于平行光, 但因为其是非单色光, 经过透镜折射时, 不同色光焦距各不相同,很难聚焦成很细的光束,更不能聚焦成只有几十微米的小光 斑。这样就不可能在焦点附近获得足够大的能量密度和足够高的温度来加工工件。 激光则不同,由于它的强度高,方向性好,单色性好。可以通过一系列的光学系 统,把激光束聚焦成一个很小的光斑(直径仅有几微米到几十微米),获得 107~1011W/cm2的能量密度以及10000℃以上的高温。从而能在几毫秒甚至更短的时 间内使各种物质熔化和气化,以达到蚀除材料的目的。 激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。它即包括复杂的微观量子过程, 也包含激光作用于各种介质材料所发生的宏观现象——激光的反射、吸收、折射、衍 射、干涉、偏振、光电效应、气体击穿等。
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激光束与材料相互作用过程可形成多种加工工艺,例如,有的要求激光对材料加 热并去除材料,如切割、打孔等;有的要求将一种或多种材料加热到熔化程度而不要 求去除材料,如焊接和合金化等连接过程;有的则要求加热到一定温度是使材料组织 发生相变,如表面强化和硬化等。但无论哪种加工工艺,它们所涉及的激光与材料相 互作用的原理基本是一致的,即当一束空间强度和时间特性分布确定的激光照射到金 属表面时,随着照射时间的推移将产生如下几个过程: 1. 激光强化过程。 这时激光脉冲能量足够高,作用时间足够短,并具有相应 的初试条件。激光束对材料表面产生局部压应力而形成表面强化过程。 2. 激光的反射、吸收、加热过程 当一束激光照射到材料表面时,一部分能量将被反射掉。金属对激光的反射因激 光的波长不同而不同,各种金属对常用的CO2激光和YAG激光的反射率的实验结果如 表4-1所示。 表 4-1 主要金属对常用激光的反射率
反射率% 金属材料 Au Ag Cu Fe Mo Al W Sn Si 钢铁(1%C) 康铜 波长0.9~1.1?m 94.7 96.4 90.1 65.0 58.2 73.3 62.3 54.0 28.0 63.1 72.4 波长9~11?m 97.7 99.0 98.4 93.8 94.5 96.9 95.5 87.0 28.0 92.8~96.0 94.2

从表中可以看到:Au、Ag、Cu的反射率特别高,常用来作反射镜。一般而言, 电导率高的材料对光波的反射率也高。此外,反射率与金属表面的粗糙度有关,镜面 的反射率最高。 钢铁对红外波长的激光的反射率也很高, 给激光加工带来不利的影响, 但钢铁工件的表面经过黑化处理后,能吸收90%以上的激光。 除了一部分能量被反射掉,其余部分能量透入材料内部而被材料所吸收,透入材 料内部的能量主要对材料起加热作用。由于大量光子是通过与金属晶格的相互作用使 其产生振动而转换成热能, 所以, 吸收系数与材料结构、 激光波长以及是否偏振有关。 表面粗糙、具有人为涂层的表面、加工中金属表面形成的液相和气相等都有利于提高 材料对光能的吸收。被金属表面吸收的功率密度会深入材料内部,其规律为:

q(z) = q i ? (1 ? R )e ?αz
式中,q(z)表示沿光束轴线方向,距金属表面深度z处的光功率密度;α表示光在 材料中的吸收系数;qi为入射激光束的光功率密度;R为材料表面的反射率。 多数金属的吸收系数α=105~106cm-1。吸收过程只限于被照射表面下0.01~0.1?m 范围内。根据现代的研究认为:光子的能量主要被导电电子所吸收,并在与晶格的碰

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撞中,在很短的时间内(10-11~10-10s)把电子的能量传给晶格,结果引起材料温度的上 升。然后按热传导的机理向周围和内部传播,从而改变材料表面及内部各点的温度。 3. 材料的熔化与气化 激光对金属的加热可以看作是一种表面热源,在表层光能变为热能,其向金属深 处的传播遵循一般的热传导规律。 在足够高的功率密度和激光束照射下,材料加工表面达到熔化甚至气化温度,从 而使材料熔融溅出或气化蒸发,与此同时,材料内部的微裂纹与缺陷由于受材料熔融 和其它场强变化而进一步萌生和扩展,从而导致周围材料的疲劳和破坏。激光功率密 度过高时,材料在表面上气化,而不在深层熔化。如果功率密度过低,则能量就会扩 散而加热较大的体积,这时会使焦点处熔化深度很小。 金属材料在系列脉冲激光束的作用下,当第一个脉冲到达材料表面并被吸收时, 由于材料表面的温度梯度很陡,表面上先产生熔化区域,接着产生气化区域。当下一 个脉冲来临时,光束能量在熔融状态材料的一定厚度内被吸收,此时较内层材料就能 达到比表层气化更高的温度,使材料内部气化压力加大,促使材料外喷,把熔融状的 材料也一起喷了出去。所以,在一般情况下,材料是以蒸气和熔融态两种形式被蚀除 的。如果功率密度更高而脉冲很窄时,在很短时间内多次将气化能量输给材料,引起 局部过热现象,从而引起爆炸性的气化,此时材料完全以气化的形式被蚀除,而几乎 不出现熔融状态。 非金属材料在激光照射下的蚀除十分复杂。一般来说,非金属材料的反射率比金 属低得多,因而非金属吸收到材料内部的能量比金属多,加上非金属材料的导热性较 差,使得热影响区的热动力学过程与金属材料有本质差别。 二、激光加工的特点 激光加工是将激光束照射到加工物体的表面,用以去除或熔化材料或改变物体表 面性能,从而达到加工的目的。因此激光加工属于无接触加工,它的主要特点包括: 1. 激光加工的功率密度高达10 ~10 W/cm ,几乎可以加工任何材料。例如各种 金属材料、石英、陶瓷、金刚石等,如果是透明材料(如玻璃)也只需采取一些色化 和打毛措施,仍可加工。 2. 加工精度高。激光束易于导向、聚焦和发散,根据加工要求,可以得到不同的 光斑尺寸和功率密度。由于激光光斑大小可以聚焦到微米级,输出功率可以调节,因 此可以加工微孔和窄缝,适合于精密微细加工。 3. 加工质量好。激光束照射到物体的表面是局部的,虽然加工部位的热量很大、 温度很高,但光束和工件的相对移动速度快,对非照射的部位几乎没有影响,因此, 激光加工的热影响区小。如热处理、切割、焊接过程中,加工工件基本无变形。 4. 激光加工所用的工具是激光束,是非接触加工,加工时没有明显的机械力,没 有工具损耗问题,加工速度快,容易实现加工过程自动化。此外还可以通过透明体进 行加工,如对真空管内部进行焊接加工等。
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7 11 2

5. 加工中易产生金属气体及火星等飞溅物,要注意通风抽走,操作者应带防护眼 镜。

4.5 激光加工的基本设备
激光加工时,是将光束与加工工件表面作相对运动,既可以是光束运动,也可以 是工件运动,也可以是光束与工件同时运动。在运动中,要求光斑尺寸可调、功率或 能量可调,以达到各种加工的目的。有时还要求光束与加工工件表面成法线方向。要 完成这些功能,必须有完整的激光加工系统。 一、激光加工机的基本组成部分 激光加工系统的基本组成部分包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部 分,其结构原理如图4-3所示。 时间控制 触 发 器 显 微 镜





激 光 器

聚焦系统 投 影 仪

电压控制

机电控制

工 作 台

图 4-3 激光加工装置结构原理示意图 1. 激光器 是整个激光加工系统的核心,它的任务就是把电能转变成为光能,产

生所需要的激光束。对激光器的基本要求是稳定、可靠,只有长期稳定运行的激光器 才能完成加工任务。不同的应用对激光束的质量和波长有不同的要求。波长越短,金 属表面对激光的吸收越大。 目前常用的激光器分类方法有按工作物质、工作方式和输出特性3种分类方法: 1) 按工作物质的形态可以分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器以及液 体激光器4类。 2) 按激光器的工作方式不同又可以分为连续激光器和脉冲激光器两类。 3) 按激光器输出特性, 即按照产生激光的粒子分类又可以分为原子激光器、 离子 激光器、分子激光器等。 气体激光器一般采用电激发,其效率高、寿命长,常使用在连续工作方式。由于 气体激光器 气体介质的均匀性好,容易得到频率稳定的低阶横模输出,激光的相干性好,常用于 精密测量、全息照相等。大功率激光束也可用于高质量加工。固体激光器 固体激光器一般采用光 固体激光器 激励,其能量转化环节多,效率低,光的激励能量大部分转换为热量而损失掉。为了 尽可能提高效率,设计各种类型的光反射腔有着十分重要的意义。另一方面,为了避 免固体介质过热,通常采用脉冲方式工作并采用合适的冷却装置。使用Q开关的固体
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激光器其脉冲峰值功率很大,可以达到1000MW。如此大的脉冲能量用于工业加工, 如打孔、焊接等无疑是最佳选择。液体激光器 液体激光器可以工作在连续或脉冲方式,它的一个 液体激光器 主要特点是可以在很宽的波长范围内调谐。目前在光谱学中得到广泛应用。半导体激 半导体激 光器在所有激光器中是体积最小、结构简单坚固、便于直接调谐。目前在光通信、光 光器 电测距以及光信息存储与处理等方面有着重要而广泛的应用,最新的研究结果表明, 通过合理的设计,半导体激光器也可以直接用于激光加工。目前,常用于工业加工的 激光器如表4-2所示。 表 4-2 常用激光器的性能特点
种类 工作物质 红宝石 固体激光器 钕玻璃 掺钕钇铝石榴石YAG 二氧化碳 气体激光器 氩(Ar )
+

波长(?m) 0.69 1.06 1.06 10.6 0.5145 0.4880

发散角 10 ~10 10 ~10 10 ~10 10 ~10 10 ~10
-2 -2 -2 -2 -2 -8 -3 -3

输出方式 脉冲 脉冲 脉冲 连续 脉冲 连续

能量

主要用途

几~十几焦耳 打孔、焊接 几~几十焦耳 打孔、焊接 几~几十焦耳 打孔、 切割、 焊 100~1000W 接、微调 几焦耳 切割、 焊接、 热 几十~几千瓦 处理、微调 光盘刻录存贮

-3

-8

2.激光器电源

激光器电源根据需要提供能量,包括电压控制、时间控制及触发

器等。由于各类激光器的工作特点不同,因此不同类型的激光器对供电电源的要求也 不同。例如气体激光器电源有直流、射频、微波、电容器放电等多种。 3.光学系统 它是激光器和机械部分的连接部分,它是将激光束传输到工件被加 工部位的设备。它包括质量监控设备、光传输转向系统、激光聚焦系统和观察瞄准系 统几部分,激光聚焦系统是使激光束聚焦,调整光斑的大小和形状的。观察瞄准系统 能观察和调整激光束的焦点位置,并将激光加工位置显示在投影仪上。 根据加工工件的形状、尺寸和性能要求,经激光束功率测量及反馈控制、光束传 输、放大、整形、聚焦,通过可见光同轴瞄准系统,将被加工部位找准,实现各种类 型的激光微细加工。光学系统的关键技术包括激光传输与变化方式、光路及机械结构 的合理设计、光学元件的选择等。 4.机械系统 主要包括床身、能在三坐标内移动的工作台及机电控制系统等。随 着计算机技术的快速发展,目前已采用计算机来控制工作台的移动或光束运动,实现 激光加工的数字控制。激光加工机的种类很多,结构形式差异很大。 激光加工设备除了基本组成部分外,为了有助于排除加工产物,提高加工速度和 质量,激光加工机床上都设计有吹气或吸气装置,安装在激光输出的聚焦物镜下,以 减少加工产物的粘附,有利于保持工件表面及聚焦物镜的清洁。 二、激光加工机的分类 为完成激光加工操作,必须有激光束与工件的相对运动,按运动方式可分为4种 类型激光加工机。 1. 工作台作X-Y二维运动,激光只作Z向调节,这是应用最广的一种。
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2. 工件不动,激光器不动,光路系统中反射镜作X-Y方向的运动。因为光路元件 质量轻,移动方便,但要求移动精度高。 3. 工件不动,激光器连同外光路一同作X-Y二维运动。 4. 光路或连同激光器作X向运动,工件作Y向运动。大型板材的切割常采用这种 类型的激光加工机。 激光加工机也可以按实用用途和工艺不同进行分类。 如激光打孔机、 激光切割机、 激光焊接机、多功能激光机等。

4.6 激光加工工艺及应用
4.6.1激光表面处理技术 激光表面处理技术
激光表面处理是材料表面局部处理工艺的一种新技术。它通过激光与材料表面相 互作用,使材料表层发生所希望的物理、化学、力学性能的变化,从而改变材料表面 的组织、结构或成分。获得工业应用上许多优良性能。 作为一种精密可控的高能量密度热源的激光可以对金属表面进行多种加工处理, 包括激光强化、激光毛化、激光标记、激光清除及激光化学气相沉积等。 4.6.1.1. 金属表面的激光强化 金属制品表面的激光强化是一项高新技术。通过激光强化可以显著地提高硬度、 强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等,从而大大提高产品的质量,延长产品使用寿命, 降低成本。 金属表面的激光强化方法很多,参照D.S.Gnanamuthu的方法,对金属表面强化 方法进行分类如图4-4所示。 金属激光强化 材料不熔化 材料熔化 合金化 相变硬化 非晶化 熔覆 晶粒细化 冲击硬化 材料气化

图 4-4 金属激光强化方法的分类 一、激光淬火 激光淬火可以提高金属材料表面的强度、耐磨性、耐腐蚀性。激光淬火一般分为 3种工艺:激光相变淬火(激光相变硬化)、激光熔化淬火(激光熔凝强化)和激光冲击淬 火(激光冲击强化)。三种工艺的共同理论基础都是激光与物质相互作用的规律。三种 工艺的差别主要是作用于材料上的激光能量密度以及激光作用到物质上的时间不同,
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如表4-3所示。 表 4-3 不同激光淬火工艺的差别
工艺方法 激光相变硬化 激光熔凝强化 激光冲击强化 功率密度/W·cm-2 冷却速度/℃·s-1 作用时间/s 104~105 10-3~10-6 5 7 4 6 10 ~10 10 ~10 10-4~10-8 108~1010 10-8~10-10 作用区深度/mm 0.2~1.0 0.2~2.0 0.02~0.2

(一)激光相变硬化 激光相变硬化是以高能量密度(10 ~10 W/cm )的激光束快速扫描工件, 工件表面
5 6 极薄一层的小区域内快速吸收能量而使温度急剧上升(温升速度可达10 ~10 ℃/s)到 4 5 2

高于相变点而低于熔化的温度,此时工件的基体材料仍处于冷态。当激光束离开被照 射的部位时,由于热传导的作用,表面热量迅速传到周围介质(如空气)和工件的其它 部位,在瞬间可进行自冷淬火,实现工件表面相变硬化。由于过程是在快速加热和快 速冷却下完成的,所以得到的硬化层组织较细,硬度高于普通淬火硬度。 激光相变硬化后表面的性能 ①. 硬度 一般认为激光相变硬化后的硬度比常规淬火高15~20%, 激光相变硬化 所得超高硬度的机理,认为是由于激光相变硬化是急热急冷过程,碳在奥氏体中来不 及均匀化,因而马氏体中含碳量较高。马氏体硬度增加、马氏体细化和很高的位错密 度是激光相变硬化得到超高硬度的原因。 ②. 表面粗糙度 一般来说,激光功率密度高,扫描速度低,材料表面达到的温 度高,熔化严重或马氏体相变完全,扫描作用区的凸起就高,对粗糙度的影响明显。 如果工艺参数选择得当,并选择适当的预处理,则可获得较小变化的粗糙度,无须激 光硬化后再进行精磨工序加工。 ③. 残余应力 激光相变硬化后相变硬化区的应力为压应力,硬化区下层为拉应 力。这种在淬硬层下产生的拉应力对接触疲劳产生的剥落会有重要影响,而表面层的 压应力对疲劳强度有利。 ④. 变形 变形小是激光相变硬化工艺的一个重要特征。对某些要求不高的零件 可用作成品的最后处理。但厚度小于5mm的零件,变形问题仍不可忽视,一般采取辅 助冷却或特殊工艺方法。 ⑤. 疲劳强度 ⑥. 耐磨性 械性能。 (二)激光熔凝强化 激 光 熔 凝 强 化 是 以 很 高 的 激 光 功 率 密 度 (105~107W/cm2) 在 极 短 的 时 间 (10-4~10-8s)内与金属交互作用,使金属表面局部区域在瞬间被加热到相当高的温度, 足以使表面材料熔化,当激光束离开被照射的部位时,借助于冷态的金属基体吸热和
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激光相变硬化可使金属材料的显微组织明显细化,表面硬度提高 激光相变硬化后零件的耐磨性明显高于其它处理方法后的耐磨性,

并具有残余压应力,因而可有效地提高金属材料的疲劳强度。 这是因为激光相变后,可以提高零件表面的硬度,细化晶粒和组织结构,改善表面机

传导作用,使已熔化的极薄表层金属快速凝固,实现工件表面的熔凝强化。激光熔凝 强化得到的是铸态组织,其硬度较高,耐磨性也较好。常用于铸铁以得到表面更硬的 莱氏体组织。 激光熔凝强化处理可以获得很多非平衡组织,包括过饱和固溶体、新的非平衡相 和非晶相。激光熔凝过程是熔化、结晶的过程,其结晶过程依从于快速熔凝的基本理 论,主要是界面稳定性理论和成分过冷理论及绝对稳定性理论。激光熔凝过程中,金 属材料发生的变化主要是温度场的变化和凝固理论的综合作用。有关详细理论可参考 文献[4]。 (三)激光冲击强化 激光冲击强化是以很高的激光功率密度(10 ~10 W/cm )在极短的时间(20~40ns) 内将金属材料表面局部区域加热到足以使其气化的温度,由于表面突然气化,可产生 高达10 Mpa压力,使金属材料表面产生强烈的塑性变形,使激光冲击波作用区的显 微组织出现复杂的位错网络。其结构类似于经高爆炸冲击及快速平面冲击的材料中的 亚结构。这种组织能明显提高材料表面硬度、屈服强度以及疲劳寿命。因此,由激光 冲击波作用产生的材料表面硬化及强度的提高统称为激光冲击硬化。 由于冲击应力波持续时间很短,所以工件几乎不产生畸变。一般认为,激光冲击 强化技术最重要的应用是局部强化焊接件及精加工后的工件,如用来冲击强化精加工 后的齿轮、轴承等,特别是对于铝合金件尤其适用。 激光淬火主要应用于表面处理,与其它表面处理相比,具有以下优点:淬硬层组 织细化,硬度比常规淬火提高15~20%,铸铁经淬火后耐磨性可提高3~4倍;加热速 度快,工艺周期短,生产效率高,成本低,工艺过程易实现计算机控制,自动化程度 高;对于槽壁、小孔、盲孔、深孔以及腔筒内壁等特殊部位,只要光束能照射到的部 位均可以进行处理;可进行大型零件的局部表面硬化及形状复杂零件的硬化处理;可 以实现自冷淬火,不需要油或水等介质,对环境无污染;淬硬层深度可精确控制。 同时激光淬火也存在以下缺点:由于激光淬火是表面局部强化,无助于基体材料 性能的改变,且硬化深度受限制,一般在1mm以下,因而不适用于大负荷重型零件的 淬火;由于金属对波长10.6?m的激光反射率很高,为增大对激光的吸收率,须作表 面涂层或其它预处理;设备费用高。 在激光淬火过程中,影响激光硬化效果的因素有很多,主要考虑的工艺参数有激 光器的输出功率、扫描速度和光斑尺寸的大小,三者的综合作用直接反映了硬化过程 的温度及其保温时间。此外,在制订脉冲激光淬火工艺时,必须全面考虑硬化图形, 重叠系数、脉冲频率、步进距离及表面粗糙度等。 二、激光合金化 激光合金化是在高能束激光作用下,使材料表面熔化同时,加入一种或多种合金 元素,经过短暂的液态对流扩散后形成一层浓度相当高且相当均匀的合金层,从而使 廉价材料表面具有预定的高合金特性的技术——即利用激光改变金属及合金表面化
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学成分的技术。显然,激光合金化的广泛应用必将带来巨大的经济效益和社会效益。 从1977年首先用CO2激光进行激光合金化研究以来, 激光合金化的深度提高了几 个数量级,逐渐达到了工业应用的水平。 激光合金化按合金元素的加入方式分为3类,即预置式激光合金化、送粉式激光 合金化和气体激光合金化。 预置式激光合金化是把要添加的合金元素预先置于基材合金化部位,然后再激光 辐射熔化。预置合金元素的方法主要有:热喷涂法、化学黏结法、电镀法、溅射法和 离子注入法。其中热喷涂法和化学黏结法适于较厚层合金化,而溅射法和离子注入法 适于薄层或超薄层合金化。 送粉式激光合金化就是采用送粉装置将要添加的合金粉末直接送入基材表面的 激光熔池内,使添加合金元素和激光熔化同步完成。送粉法除可用于激光表面合金化 外,还特别适合于在金属表面注入TiC、WC等硬质颗粒。 气体激光合金化是将基体置于适当的气氛中,使激光辅照部位从气氛中吸收碳、 氮等并与之化合,实现表面合金化。气体激光合金化通常是在基材表面熔融的条件下 进行的,有时也可以在基材表面仅被加热到一定温度而不使其熔化的条件下进行。 三、激光熔覆 激光熔覆与激光合金化有许多相似之处,它们都是利用高能量密度的激光束所产 生的快速熔凝过程,在基材表面形成与基材相互熔合的,具有完全不同成分与性能的 合金涂层。但它们却有原则区别。激光熔覆不是以基体上的熔融金属为溶剂加入合金 元素,而是用另行配制的合金元素粉末被激光熔化,成为熔覆层的主体合金,同时基 体金属也有一薄层熔化,与之构成冶金结合。因此,激光熔覆后,其涂层的化学成分 基本上不变化,即基体材料的成分几乎没有进入涂层内。 由于激光束的高能密度所产生的近似绝热的快速加热过程,激光熔覆对基材的热 影响很小,引起的变形也小。控制激光的输入能量,还可以将基材的稀释作用限制在 极低的程度(2~8%),从而保持了原熔覆材料的优异性能。 激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面,且材料的成分不受通常的 冶金力学条件限制,因此所采用的熔覆材料的范围相当广泛。包括镍基、钴基、铁基 合金、碳化物复合材料及陶瓷材料等。 在激光熔覆过程中,所加的是事先配制好的一定组元成分的合金粉末。对激光熔 覆材料要求有:具有所需要的使用性能、具有良好的固态流动性、粉末材料的热膨胀 系数和导热性应尽可能与基材接近、具有良好的润湿性、合金粉末的熔点不易太高以 及具有良好的造渣、除气、隔气性能。目前尚无专用于激光熔覆的合金粉末,常采用 的材料主要是热喷涂或热焊接用粉末。 激光熔覆按熔覆材料的供给方式大致可分为两大类,即预置式激光熔覆和同步式 激光熔覆。 预置式激光熔覆是将熔覆材料预先放置在基材表面的熔覆位置上,然后采用激光

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辐射扫描熔化,熔覆材料以粉、丝、和板的形式加入,其中以粉的形式最常用。同步 式激光熔覆是将熔覆材料直接送入激光束中,使供料和熔覆同时完成。熔覆材料主要 也是以粉末的形式送入,有的也采用丝材或板材同步送料。 预置式激光熔覆工艺流程为:基材表面预处理——预置熔覆材料——预热——激 光熔化——后热处理。同步式激光熔覆工艺流程为:基材表面预处理——送料激光熔 化——后热处理。 预热是指将基材整体或表层加热到一定的温度,以使激光熔覆在热的基材表面上 进行的处理工艺。其作用是防止基材热影响区发生比容增大的马氏体相变而诱发覆层 裂纹,减少基材与覆层间的温差以降低覆层冷缩中产生的应力,增加熔层液相停留时 间以利于熔层内的气泡和造渣产物的排除。 预热的加热方法主要有炉内加热、火焰喷枪加热和感应加热等。 由于预热降低了表面熔层的冷却速度,因此可引起激光熔覆合金层的硬度降低。 对于某些合金,则可通过后续热处理恢复其硬度。 后热处理是工件熔覆后所进行的一类保温处理,可用于消除或减小覆层的残余应 力;消除或减小熔覆对基体产生有害热影响等。用于防止覆层冷却裂纹和基材热影响 区发生马氏体相变的后热处理,应在激光熔覆后立即将熔覆件送入升至预定温度的加 热炉内保温。 四、激光非晶化 激光非晶化是用高功率激光束快速扫描加热材料表面,借助材料自身的热传导急 剧冷却而直接得到表面非晶态的技术。这项技术融合了高功率激光束的表面选区加工 特点和非晶态金属合金的优良性能,具有综合优势。激光非晶化是研究金属非晶化和 材料表面改性的重要方法。 1. 非晶态金属的特性 非晶态金属合金由于各向同性、且没有晶界的存在,从而具有强韧兼备的力学性 能、高电阻低温度系数的电学性能、高导磁低铁损的软磁性能、耐强酸碱腐蚀的化学 性能等。具体特征见表4-4。 表 4-4 非晶态金属合金的特性
特性 强度 弹性 硬度 加工硬化 加工性 耐疲劳强度 韧性 导磁性 磁致伸缩 电阻 温度变化 比重 耐腐蚀性 非晶态特点 比常用材料高2000~5000MPa 比晶态金属低20~30% HV600~1200 几乎没有 冷压延展性达30% 比晶态金属差 大 与镍铁钼超级导磁合金相匹敌 与晶体金属相同 比晶体金属的1~2倍 电阻、霍尔系数温度变化小 比晶体金属小1% 比不锈钢高

机 械 性 能 磁 性 电气 特性 其 它

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2. 激光非晶化的优点 激光非晶化用高能量密度的激光脉冲将金属表面瞬间加热至液态,激光脉冲停止
10 后液态表面向仍处于冷态的基体深处迅速导热,冷却速度极快,可以达到10 K/s,比

常用的急冷法高几个数量级,可以得到急冷法从未得到过的纯金属非晶态。 利用激光非晶化虽然不能得到薄箔式非晶金属,却能将金属零件表面几纳米的薄 层处理成非晶态,对提高零件的耐腐蚀性及耐磨性有很大的意义。 3. 激光非晶化研究的方法 目前对激光非晶化的研究有脉冲激光非晶化和连续激光非晶化两种 ① 脉冲激光非晶化 脉冲激光非晶化主要采用固体脉冲激光器。 为了获得短脉冲或超短脉冲, 如微秒、 纳秒、皮秒及飞秒,需要采用锁模、调Q或倍频技术。 脉冲激光非晶化是一种研究非晶化的有效工具,吸引了国内外许多学者进行试验 研究。人们对脉冲激光非晶化所做的研究工作,使人们对激光非晶化的特点、难度、 可行性和今后的发展潜力有了较多的认识。由于脉冲激光非晶化只能得到微区非晶, 效率很低,难以实用化。因此,主要局限于理论研究。 ② 连续激光非晶化 连续激光非晶化研究通常用高功率CO2激光器(1~20kW), 由于要求聚焦焦斑功率 密度高于106W/cm2,因而对激光束质量有所要求,往往采用输出高斯模或低阶模的 快速轴向流动CO2激光器以及输出低阶模的横流CO2激光器。 经过20多年的研究和发展已经取得了许多成果, 对激光非晶化的认识和理解不断 加深,并在不少材料上获得了微区的非晶态组织,但连续激光非晶化的发展仍然比较 缓慢,具体应用为数不多。 4.6.1.2. 激光毛化、标记、清除及激光化学气相沉积 激光毛化、标记、 一、 激光毛化 激光毛化是采用特殊调制的高重复频率、高能量的脉冲激光技术对材料的表面进 行毛化,形成均匀分布(或可控分布)的微坑。激光毛化技术的成功应用实例是对冷 轧薄板的轧辊表面进行处理。冷轧辊表面毛化后,辊面硬度高,毛化均匀,使用寿命 长。粗糙度可控,能有效的提高轧制速度,并能克服薄板退火粘连现象。轧出的钢板 或其它金属板的板型优良,伸长率和涂镀性都大大提高。激光毛化技术还可以用于记 录磁盘的生产制造过程,以提高存储量和使用寿命。 二、 激光标记 激光打标是在各种不同的物质表面上用激光束打上永久的标记。打标效应是通过 表层物质的蒸发露出深层物质, 或者是通过光能导致表面物质的化学物理变化而 “刻” 出痕迹,或者是通过光能烧掉部分物质,显示出所刻蚀的图案、文字。激光打标原理 有以下两种:

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1. “热加工”用较高能量密度的激光束照射在被加工表面上,材料表面吸收激 光光能,在照射区发生热激发过程,从而使工件表面温度上升,产生变态、熔融蒸发 等现象。 2. “冷加工”用很高负荷能量的紫外光子打断材料或周围介质的化学键,使材 料发生非热过程破坏,由于它不是热烧蚀,不产生“热损伤”副作用,是打断化学键 的冷剥落,因此对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用,所以这 种冷加工激光标记具有特殊意义,例如在微电子工业中半导体基片上开出狭窄的槽, 在基底材料上沉积化学物质薄膜等。 激光标记加工具有普通激光加工技术的优点,而且还具有许多独特的优点:①能 标记数字、字符、条形码、图案等;②标志线宽窄(12?m),深度浅(10?m),可以对毫米 级尺寸的零件进行加工;③不会对加工区以外的材料产生烧蚀和热变形;④标志质量 好,不会损伤产品,标志是永久性标志,不会自然消退;⑤加工效率高,能方便地实 现计算机自动控制;⑥加工成本低。 三、 激光清除 激光清除技术是利用激光与材料相互作用过程中的气化过程来清除掉工件表面 上的锈斑、氧化物、毛刺和飞边等冗余的无用或有害部分,实质上就是烧蚀掉工件表 面上的不需要的和影响工件在机器设备运行中或加工中的正常作用的冗余部分。激光 清除技术可以精确地清除掉不需要的部分而不损伤其它正常部位的表面,这一点是一 般清除技术(机械清除、化学清除)很难做到的。 激光清除技术的成功应用实例是激光清洗。传统的清洗磁盘和晶片等精密电子部 件的方法是使用氟里昂一类化学药剂,它是破坏臭氧层的罪魁祸首。新加坡国立大学 工学院发明的激光清洗技术可以替代传统的化学清洗方法,是一种新技术,其优点是 ①它不使用有害的化学物质,因此不会损害操作者的健康,不会污染环境;②经济效 益高,氟里昂等价格昂贵,存储和运输都需要资金,而激光清除只需一次固定投资即 可;③激光清除可以解决传统清洗无法解决的问题。如磁盘或晶片都是由微细颗粒组 成的,肉眼无法看到,这样的材料只能用激光清除技术才能清洗干净。 这项技术获得了新加坡国家科技奖,并已在新加坡得到广泛应用。 四、 激光化学气相沉积 化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)简称CVD,它是在高温下利用气态物质 在固态工件表面上进行化学反应生产固态沉积物的过程。CVD必须具备下列三要素: 1. 沉积层通过气相化学反应生产; 2. 沉积层的形核与长大是在基体上进行的; 3. 沉积层的反应是吸热反应。 一般情况下,CVD热源由辐射或感应加热提供。如果这种辐射热源由激光辐射提 供时,这种化学气相沉积工艺就称为激光化学气相沉积(Laser Chemical Vapor Deposition)技术,简称LCVD技术。
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LVCD技术与传统的VCD技术相比具有如下优点:①由于使用的热源是一种高能 量密度、高单色性、高方向性及高纯净度的激光热源,使化学气相沉积获得了极大的 反应速率、成倍地提高了沉积效率;②由于激光的高方向性,高温区只发生在工件的 局部表面上,保护了被沉积工件基本性能不变,减小了工件的热变形;③由于激光是 光辐射,可以提供绝对纯净的热源,对周围环境无污染。

4.6.2 激光焊接
激光焊接是将高强度激光束直接照射到材料表面,通过激光与材料的相互作用, 使材料局部熔化而粘结在一起。虽然波长为10.6?m的CO2 激光和波长为1.06?m的 YAG激光作用于金属表面时大部分被反射,吸收率较低,但当金属达到熔化状态时, 吸收率急剧上升,这给激光焊接提供了有利的条件。 激光焊接可以采用连续激光束和脉冲激光束两种方式得以实现。脉冲输出的红宝 石激光器和钕玻璃激光器适合于点焊,脉冲点焊主要用于微小型金属器件的精密焊 接。而连续输出的CO2激光器和YAG激光器适合于缝焊,激光缝焊广泛用于多种元、 器件的加工,如用激光封装焊接继电器外壳、锂电池和钽电容外壳、集成电路封装等 都是很有效的方式。氩离子激光器适合于集成电路的引线焊接,因为它的波长是 488nm的蓝色可见光,便于观察调节。 激光焊接之所以迅速地扩展其应用领域,是因为激光焊接有如下优点: ①. 激光照射时间短,焊接过程极为迅速。这不仅有利于提高生产率,而且可以 减小热影响区范围,变形小,被焊接材料不易氧化。 ②. 激光焊接没有焊渣和氧化膜产生,易用于微型精密仪表中的焊接。 ③. 激光不仅能焊接高导热系数(铜、银)和高熔点的材料,而且还可以实现不 同种材料的焊接,甚至还可以实现金属与非金属材料间的焊接。例如用陶瓷作基体的 集成电路,由于陶瓷熔点很高,且很脆,不宜施加压力,采用其它焊接方法很困难, 而激光焊接是比较方便的。 ④. 可焊接难以接近的部位,能够实施非接触远距离焊接,具有很大的灵活性。 4.6.2.1. 激光点焊 激光点焊在微电子工业中得到了最有效的应用。用这种方法可以焊接很细的导 线、导线与接触面的焊接、导线与薄膜的焊接以及薄片间的焊接。 1. 导线的焊接 焊接导线时采用四种焊接方式:对焊、搭焊、交叉焊和T形焊。 丝与丝的对焊中,其间隙要求很高,丝越细,间隙要求越小。为此,在实际焊接 中可以采用45°截面对焊(增大接触面积)或先用激光使两丝端部先熔化成小球后再 对焊,如图4-5所示。
图 4-5 细丝对焊方法
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两导线交叉焊接时,激光照射两金属丝交叉点,使两丝同时熔化。同时在两导线 间施加一定压力,在这个压力的作用下,当共同焊槽形成时,两条导线移动,使它们 的轴线移向同一平面。 两导线搭接焊时,两导线平行放置,激光照射搭接部位,使两丝同时熔化。 T形焊类似于交叉焊,但更灵活。 2. 导线与接触面的焊接 在电子学中,常常必须将导线与大块零件的表面连结。为了形成焊接,必须保证 提前熔化大块金属。此外,大块金属的熔深必须大约为被焊接导线半径的1/2,这样 才能获得高质量的焊接。 导线与大块金属的焊接质量与焊接零件之间的相互配置和焊接部位有关。将导线 或细丝直立在预先加工好的孔中,这是最容易完成的一种焊接。当采用T形焊接时, 最好根据导线的直径采用两点或多点焊接。如果采用搭焊,最好的结果是将辐射同时 对准导线和大块零件。若将导线预置于大块零件上预先做好的沟槽内,则焊接的牢靠 形显著增加。 3. 导线与薄膜的焊接 激光焊接可用于导线与混合微型电路中的薄膜元件的联结。这种元件都是在真空 中镀制而成,其厚度通常为0.3?m ~1?m。薄膜的材料为铜、铬、镍、金等。这些电 路元件均镀在玻璃或硅微晶玻璃制的片基上。金、铜、镍和其它材料制成的导线直径 为30~80?m。若膜厚和导线直径的差别太大,而导线必须焊接,其熔点需要的辐射能 量将大大超过破坏薄膜的阀值能量。因此,辐射决不能直接照射在电路薄膜元件上。 4. 薄片的焊接 用激光焊接小厚度的同类或异类材料制成的薄片极为有效。此时,要求辐射的能 量必须精确定量,使被焊接的材料加热时不受破坏。 在实际中,两薄片的焊接可以采用直接焊接相应的接触面来实现,或通过预先涂 覆在要焊接表面上的易熔金属来实现。在直接焊接时,必须保证两薄片相互熔化,薄 片上的表面不得但是过强的蒸发。在涂覆易熔金属时,可以减少接触点热阻抗不稳定 的影响。 4.6.2.2. 激光缝焊 随着大功率 CO2 激光器和 YAG 激光器的研制成功,为以足够大的速度覆盖激光 辐射作用范围而成功地实现缝焊提供了可能。 激光焊接解决了那些到目前为止其它方法无法焊接的金属间的焊接。但是激光焊 接也不是所有的金属都能焊接。 激光缝焊要求被焊零件必须得到适当的位置和固定,这个操作叫定位。为了获得 狭而平整、精细的焊缝,装配间隙必须小,即装配越紧密,效果越好。如果接头间隙 超过光斑尺寸,焊接将无法进行。 为了调节光斑的功率密度和直径,广泛采用辐射离焦法。此时,被焊零件的表面 安置在物镜焦面的上面或下面,焦面上的光斑具有最小的直径。采用离焦法焊接时常
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将被焊零件表面置于焦面之下。 激光缝焊的主要工艺参数包括:激光输出功率、光斑直径大小、材料种类及表面 状态、焊接速度和工件装配间隙大小。详细工艺规律可参考文献[6]。 大多数常规焊接接头形式也适用于激光焊接,最常见的接头设计是对接、搭接和 角接(T形接)。

4.6.3 激光打孔
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术,也是激光加工的重要应用领域之 一。随着现代工业和科学技术的迅速发展,使用硬度大、熔点高的材料越来越多,而 传统的切削加工无法满足这些材料的加工工艺要求。如火箭发动机和柴油机的燃料喷 嘴加工、 化学纤维喷丝板打孔、 钟表及仪表中的宝石轴承打孔, 金刚石拉丝模加工等。 随着激光技术的不断发展和完善,利用激光束进行加工成为最佳选择。 如前所述。激光束是能量密度极高、空间相干性很好、时间特性可控的光束,它 以极小的发散度在空间传播。一般用于打孔的激光束发散角为几毫弧度。经过光学系 统的整理、聚焦和传输之后,在焦点处得到一个直径为几微米至十几微米的细小光斑 其能量密度高达10 ~10 W/cm ,能使各种材料熔化或气化。因此可以作为一个高强 度热源对材料进行加工处理。 激光打孔的过程由激光加热开始。当聚焦的高能激光束照射到被加工工件表面上 时,材料由于吸收光子的能量使材料迅速升稳,可使被加工材料表面温度达到万度以 上。使材料液化并发生气化,使气化的金属蒸气携带熔融的金属一同以较高的压力从 液相金属底部强烈喷出,从而实现在材料上打孔的过程。 以脉冲激光打孔为例说明激光打孔的过程。为了叙述方便,将激光脉冲宽度分成 5个小段,其中“1”段为前缘,“2”、“3”、“4”段为稳定输出阶段,“5”段为尾缘。如图4-6 所示。当“1”段到达并进入材料后,材料开始被加热,打孔过程开始。由于材料表面的 反射,加热显的缓慢无力,通过热传导,造成周围区域材料的温升,材料开始熔化, 面积大,深度浅。当“2”段到达并进入材料后,由于熔化材料吸收率显著增加,加热变 得剧烈,熔融面积缩小深度增加,并有材料开始气化。在“3”、“4”段到达并进入材料 后打孔过程相对稳定进行。当“5”段到达并进入材料后,材料的加热接近尾声。气化及 熔化迅速结束,最终形成尖锥形孔底。
5 4 3 2 1 5 4 3 2 5 4 3
5 7 2

5 4

5

a

b

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图4-6 激光打孔孔形成过程示意图

利用激光几乎可以在任何材料上打微小孔。由于激光打孔是一种非接触式的加工 过程,因此,不需要加工工具,打孔速度快、效率高,适合于自动化连续打孔。如硬 质合金化学纤维喷丝板,在φ100mm的表面上要加工φ0.6mm的12000个孔,只要半 天时间即可完成,比机械加工效率高几十倍。激光打孔的孔径可小到0.01mm左右, 且深度与孔径比可达到5以上。 激光打孔用的激光器主要有红宝石、钕玻璃、Nd:YAG和CO2激光器等。 4.6.3.1. 激光打孔的分类 激光打孔的成型方法有两种,一种是复制法,即将光束形状复制于加工表面;一 种是轮廓迂回法,即被加工表面的形状由光束和被加工零件相对位移的轨迹决定,以 实现切割成型。 1. 复制法 激光束以一定的空间强度分布和定位精度重复照射到工件固定的一点上,在辐射 垂直方向上没有光束和工件的相对位移。 复制法有单脉冲和多脉冲序列,目前一般多采用多脉冲序列。其特点是可使工件 上能量的横向扩散减至最小,并有助于控制孔的大小和形状。 激光束形状可通过光学系统获得。如在聚焦光束中或在透镜前放置一个所需要形 状的孔栏,即可以加工出异形孔。 2. 轮廓迂回法 加工表面形状由激光束和被加工工件相对位移的轨迹来确定。用轮廓迂回法加工 时,激光器既可以在脉冲状态下工作,也可以在连续状态下工作。采用轮廓迂回法可 以把孔径扩大和切割成具有任意形状横截面的孔。 4.6.3.2. 激光打孔的特点 激光打孔主要用于小孔、窄缝等的微细加工。激光打孔与其它孔加工方法相比具 有以下优点: 1) 激光打孔可以在几乎所有材料上进行,材料适应性广; 2) 激光打孔可以获得大的深径比; 3) 激光打孔时是非接触加工,加工时不需要工具。因此,不存在工具磨损问题; 4) 激光打孔适合于数量多、密度高的群孔加工,加工速度快、效率高。 5) 激光打孔可以在难加工材料的斜面上加工; 6) 对被加工材料的氧化、变形、热影响区小,不需要特别的保护处理。 4.6.3.3. 激光打孔的工艺 一、激光打孔的步骤 在进行激光打孔时一般按照以下的步骤进行: 1. 详细了解打孔材料及打孔要求。 2. 进行模拟实验。激光打孔的绝大部分工件是成品零件或半成品零件,所以有
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必要在加工前,在与正式零件材质、厚度等相近的试件上进行模拟激光打孔,以便进 行必要的激光参数选择,为正式打孔作好准备。 3. 设计便利、快捷的工装夹具。当进行单件生产时,可考虑采用平口钳或三爪 钳作夹具;当加工件数较多时,须制作作用夹具。 4. 设计加工程序。为了提高打孔效率和加工精度,要在机器允许的条件下进行 必要的编程。 5. 实施有效的打孔。在准备工作就绪后,便可以正式实施打孔,打孔时不仅要 注意机器有无异常及外围条件有无变化,还要及时排除打孔不稳定因素,保证加工打 孔的顺利进行。 二、影响激光打孔质量的因素 激光打孔是激光与材料相互作用的极其复杂的热物理过程,因此,影响激光打孔 质量的因素很多。为了高效获得高质量的孔,应根据激光打孔的一般原理和特点,对 影响激光打孔的主要参数进行分析和了解。 表4-5、4-6、4-7和4-8分别列出了影响打孔深度的主要因素及其影响情况、影响 打孔圆度的主要因素及其影响情况、影响打孔直径的主要因素及其情况和影响打孔锥 度的主要因素及其情况。 表 4-5 影响打孔深度的主要因素
影响因素 激光器输出能量 孔深随激光能量的增大而增大 激光的脉冲宽度 为增加孔深,对导热性好的材料用短脉冲加工;对导热性差的材料可采用长 脉冲加工 激光器的模式 能量相同时,基模激光器加工孔较深 激光的照射次数 为了得到小而深的孔,可采用多次照射 聚焦物镜的焦距 短焦距物镜打的孔细而深,一般焦距为15~50mm,焦距过短,透镜容易损 坏 影 响 情 况

表 4-6 影响打孔圆度的主要因素
影响因素 激光器的模式 工件位置 光学系统调整 附加装置 基模能打出较圆的孔 适当偏离焦点,孔形较好 激光束的光轴和聚焦物镜的光轴重合,并垂直于工件表面,才能加工出圆孔 工件背面加正压、负压或放置反射镜可提高圆度;采用通气喷嘴 影 响 情 况 激光器输出能量 为保证孔的圆度,需选择适当的激光能量

聚焦物镜的结构 为了打出圆孔,必须使用消球差物镜

表 4-7 影响打孔锥度的主要因素
影响因素 激光的照射次数 下能量多次照射,可减小锥度 聚焦物镜焦距 焦距短,锥度小,但孔呈中鼓状;而焦距增大,孔锥度增大
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影 响 情 况

激光器输出能量 小能量加工,孔细而尖;能量增大,锥度减小

工件位置 孔的深径比

焦点与加工表面位置不同,孔的截面形状也不同 孔的锥度随着加工深径比增大而增大

聚焦物镜的结构 孔的锥度与透镜的数值孔径*成正比
*数值孔径NA=NsinA,其中N——透镜折射率,A——入射光与光轴的夹角

表 4-8 影响打孔直径的主要因素
影响因素 激光器发散角 激光器输出能量 聚焦物镜焦距 材料性质 输出能量越大,孔径越大 焦距越短,孔径越小 一般对熔点高、材料导热性好的材料打的孔直径小 影 响 情 况 孔径大小于激光器发散角成正比

加工表面到物镜焦点距离 加工表面如偏离焦点,则孔径变大,但偏离过大,加工不出孔

4.6.4 激光切割
激光切割原理与激光打孔基本相同,都基于聚焦后的激光具有极高的功率密度而 使工件材料瞬时汽化蚀除。所不同的是,在激光切割中工件与激光要作相对运动以形 成切缝。常用连续的或高重复率的大功率Nd:YAG和CO2激光器。有时还用带有气体 喷口的切割机,所用的气体一般为惰性气体或氧气,惰性气体主要为防止工件燃烧或 氧化,喷射氧气可以加快切割速度,并能保护光学系统不被汽化的材料所污损。 激光切割是激光加工中发展最为成熟、采用最广的一种工艺。目前生产的激光切 割机已能切割几厘米厚的钢板,切割速度是线切割速度的几十倍。而且切割无燥声, 很容易使用数控方法,进行50?m以下的高精度的切割,对细缝以及复杂曲线的切割 特别有利。如:喷丝头的型孔加工,精密零件的窄缝切割等。激光也可以用来切割非 金属材料,如聚丙烯、纸张、木材、纺织品等。 4.6.4.1. 激光切割的特点 激光切割具有以下优点: 1. 可同样方便地切割易碎、脆、软、硬材料,也可以多层层叠切割纤维织物。 2. 切缝窄,节省切割材料,还可以切割不穿透的盲槽; 3. 切割速度快,生产效率高; 4. 无显著切削力,热影响区小,工件变形; 5. 无刀具磨损,不需更换刀具; 6. 切口可向任意方向进行,并可在任意位置开始切割或停止切割; 7. 可以实现多工位操作,易于数控或计算机控制; 8. 噪音低,无公害; 9. 切割边沿质量好,无毛刺,无切割残渣。 但激光切割也存在如下缺点:1. 切割深度有限;2. 设备昂贵,一次性投资较大。

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4.6.4.2. 激光切割的分类 从切割各类材料的不同物理形式来看,激光切割可以分为气化切割、熔化切割、 反应切割和控制断裂切割四类。 1. 气化切割 在极高的激光功率密度(10 W/cm )的光束作用下,工件上将产生
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很高的温度梯度。由于加热时间极短,物质来不及熔化时温度就已超过材料的沸点温 度,因此物质瞬间气化,气化物质被迅速排开而实现了切割。这种气化切割主要用于 脉冲激光,切割不熔化的材料,如木材、碳素材料、塑料以及陶瓷划片等。 2. 熔化切割 激光功率密度在10 W/cm 左右,可以使材料表面产生匙孔,但其
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熔化物不是靠气化过程清除,而是另外用辅助气流吹除。气体喷嘴常与激光束同轴。 这种切割不存在蒸汽对激光束的反射与吸收问题。激光束在切口内移动时只与前侧的 材料相互作用。由于激光束投射到材料斜面时入射角很大,吸收的激光能量不足以维 持连续的熔化熔化过程只能一步一步地进行,因此切割边呈现波浪形花纹。这种熔化 切割主要用于不能与氧发生放热反应的材料,如铝等。 3. 反应熔化切割 利用激光束将材料加热到燃点(材料在纯氧中燃烧的温度),然 后通以能与材料发生放热反应的工业纯氧,使之发生化学反应,发出的热量为下一层 切割提供能量。在切割低碳钢时,钢在纯氧中燃烧所放出的能量占全部加工热量的 60%。因此这种方法所需激光的能量只有气化切割的5%。反应熔化切割方法是目前 应用最广的方法,主要用于钢和钛的切割。 4. 控制断裂切割 是指通过激光束加热, 把易受热破坏的脆性材料高速、 可控地 切断。这种切断原理可概括为激光束加热脆性材料小块区域,引起热梯度和随之而来 的严重机械变形,使材料形成裂缝。 4.6.4.3. 激光切割的工艺参数 激光切割通常以激光功率及模式、焦点位置、切割速度和辅助气体压力为4个主 要参数。此外还包括材料厚度和性能等。在生产上首先要考虑的是质量,质量包括切 口粗糙度和切口宽度。其次是考虑生产率,即切割速度。 1 影响切口宽度的因素 在激光功率及焦斑直径一定的条件下,切割速度对切口宽度影响较大。另外,焦 点位置对切口宽度也有影响。 2 影响表面粗糙度的因素 切口粗糙度一般是上部好,下部差。切割速度对粗糙度影响最大。速度过低时, 切口波浪形比较严重,速度太快时,切口下部的熔融物清除不完全。焦点位置对切口 粗糙度也较大。此外,喷嘴与工件的距离也有影响。 3 影响切割速度的因素 喷射气流能促使下层材料氧化燃烧以放出热量,吹除生产的液态氧化物及熔融金 属。因此喷嘴的直径与位置对加工影响很大,此外喷气压力也会影响切割速度。

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4.6.5 其它加工
1. 激光划片 通常在一块20mm×40mm的半导体基板上可以制成数百个微型电路。 在微型电路 制成之后必须将它们分割成单独的电路片,每块电路片包含一组微型电路。这种分割 过去通常用金刚石刀刻线, 然后再沿线分开, 但这种方法容易使硅片破碎, 废品率高。 YAG激光器用于半导体划片,可以利用聚焦后的激光在晶片上扫描移动,实现分割。 激光划片速度为10~30mm/s,宽度为0.06mm,产品合格率达99%以上,比金刚石划 片优越得多,可将1cm 的硅片切割成几十个集成电路块或几百个晶体管管芯。 2. 电阻微调 电子微型器件中的薄膜电阻大多采用气相沉积的方法来制造,将电阻材料沉积到 基板上形成电阻,但用这种方法得到的电阻值通常不够精确。一般采用的方法是将阻 值做得比需要的阻值略低一些, 然后再将它调整到精确的数值。 调整的方法有很多种, 但都不及激光调整来得灵活、精确和快速。激光调整的方法是将激光聚焦到电阻材料 上,使它蒸发以减小电阻材料的厚度,使其组织增加,直至达到要求值,它的精确度 可以达到阻值的0.01%。 3. 准分子激光加工(激光光刻) 随着微电子工业的发展,集成电路的容量变得越来越大,体积越来越小,已经从 大规模集成电路发展到了超大规模集成电路,它的线度仅1.5~3?m。在传统的集成电 路生产过程中,一般采用光刻的方法:先将电路图形放大绘制出来,然后用照相制版 的方法将电路图形制成掩模板,再用掩模板将电路图形曝光到涂有光刻胶的基片上, 然后是显影、烘干、腐蚀、去胶,就得到了所需的电路图形了,整个过程非常复杂。 准分子激光器的输出波长很短,可以达到的空间分辨率为10-7m,而且更容易引 起许多化学反应的发生。用准分子激光器照射放在卤素气体中的硅片,只有激光照射 到的部分才发生化学反应,产生腐蚀,其它未被照射部分则不发生化学反应。这样就 可以按需要在硅片上蚀刻出线度为10-6m的超大规模集成电路的电路图形。采用激光 不需要使用感光剂,而且省略了大量的传统工艺的工序。硅片在曝光的同时,腐蚀也 就形成了,只需要一道工序。需要强调的是,激光在这里已不再是单纯地作为热源来 使用了,这是与前述应用不同的地方。 准分子激光具有以下优点:①准分子加工有机材料尺寸极为精确且棱角十分完 好;②周围材料无烧伤现象,也无残渣、毛刺;③热影响区小,基体材料变形小;④ 从基体上去除材料,基体不受任何影响;⑤可以用漏空掩膜板成像于材料表面,一次 加工一定面积,而不是靠焦点的移动。
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思考题: 思考题:
1. 激光有哪些特性? 2. 试述激光加工的基本原理。
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3. 简述激光加工的特点。 4. 常用的激光器有哪几类? 5. 您知道的激光加工工艺有哪些? 6. 为什么说激光是20世纪3大发明(计算机、激光、)之一?

参考文献
1. 刘晋春. 赵家齐. 赵万生. 特种加工(第三版),北京:机械工业出版社,2000 2. 刘晋春. 陆纪培. 特种加工,北京:机械工业出版社,1987 3. 张立鼎. 先进电子制造技术——信息装备的能工巧匠,北京:国防工业出版社, 2000 4. 虞钢. 虞和济著. 集成化激光智能加工工程. 北京:冶金工业出版社,2002 5. 闫毓禾. 钟敏霖编著. 高功率激光加工及其应用. 天津:天津科学技术出版社, 1994 6. 胡传炘,夏志东. 特种加工手册. 北京:北京工业大学出版社,2001,4 7. 刘贺云. 柳世传. 精密加工技术,武昌:华中理工大学出版社,1991 8. 王家金. 激光加工技术,北京:中国计量出版社,1992 9. 邱元武. 激光技术和应用,上海:同济大学出版社,1997 10. 赵万生. 特种加工技术,北京:高等教育出版社,2001,6 11. 张辽远. 现代加工技术. 北京:机械工业出版社,2002,9

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