激光加工物理基礎(chǔ)

第三講激光加工物理根底簡(jiǎn)介(一)激光加工是以激光光子作為能量的載體，通過(guò)光子與材料的相互作用，引起材料一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，從而實(shí)現(xiàn)材料的制備、成形、改性、聯(lián)接和去除等。按照光與物質(zhì)的相互作用機(jī)理，激光加工可分為基于光熱效應(yīng)的“熱加工〞和基于光化學(xué)效應(yīng)的“冷加工〞兩種。激光加工的根本概念激光的多維性特征DissociationlimitIonizationlimitGroundstatemoleculesElectronicexcitationusingaUVlaserVibrationalexcitationusinganIRlaserhvPhotoionizationhve-hvIonization激光“冷〞加工激光熱加工激光加工的物理機(jī)制材料加工用典型激光器YAGlasersCO2lasersCOlasersRubylasersCOILlasersSolidstatelasersGaslasersDiodelasersDouble(triple)frequencyYAGlasersExcimerlasersCOIL

—

ChemicalOxygen-IodineLaser

(化學(xué)氧碘激光器)Nd:YAG—NeodymiumdopedYttriumAluminiumGarnet

(摻釹釔鋁石榴石)Excimer—ExcitedDimer(準(zhǔn)分子)幾種典型激光的光子能量CO2激光器：

=10.6

m、

=h

=0.12eVCO激光器：

=5.4

m、

=h

=0.23eVCOIL激光器：

=1.32

m、

=0.93eVNd:YAG激光器：

=1.06

m、

=h

=1.16eV半導(dǎo)體激光器：

=800-980nm、

=1.25~1.54eV三倍頻YAG激光器：

=355nm、

=h

=3.48eV

KrF準(zhǔn)分子激光器:

=248nm,

=h

=4.9eV

CO2和YAG等紅外激光器，光子能量低，加工過(guò)程是以熱的形式表達(dá)，即材料吸收激光能量引起溫度升高、熔化或汽化，從而實(shí)現(xiàn)材料外表熱處理、合金化、熔覆、焊接、打孔、切割，等等，是為激光熱加工。紫外波長(zhǎng)的激光器，光子能量大，和一些高分子聚合物的分子的結(jié)合能相當(dāng)〔高分子聚合物主要由H、C、O、N組成，其中C-H鍵的鍵能只有3.5eV〕，因此，紫外激光作用在這類物質(zhì)上將可能直接打破分子間的結(jié)合鍵，依靠所謂的光化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)該種材料的剝蝕加工，是為激光冷加工。但是，高聚物中的C-O,N-N,C-N的鍵能均高于所有紫外光子的能量，紫外激光加工聚合物實(shí)際上是同時(shí)存在光解和熱解兩個(gè)過(guò)程。紫外激光加工金屬和大多數(shù)的非金屬那么仍然是基于光熱效應(yīng)的熱加工。紅外飛秒激光加工是屬于熱加工，還是冷加工？激光制造工藝方法1、激光熱加工固態(tài)加熱退火、外表相變硬化熱應(yīng)力成形、矯直控制斷裂切割激光輔助切削加工……熔化外表拋光外表重熔改性、外表合金化、熔覆外表織構(gòu)化金屬零件增材成形、再制造熱傳導(dǎo)焊接……2、激光“冷〞加工刻蝕光固化(多光子聚合)成形激光輔助化學(xué)蝕除功能材料激光輻照改性……汽化熔深焊接切割、制孔、雕刻物理/化學(xué)氣相沉積、外表清洗沖擊波改性、沖擊波成形……激光熱加工根本物理過(guò)程示意圖a.固態(tài)加熱b.表面重熔c.小孔效應(yīng)d.等離子體屏蔽103W/cm2108W/cm2激光焊接熔深/熔寬與激光功率〔密度〕的關(guān)系材料:st37-2低碳鋼RS20000CO2激光器,D=100mm,f=300mm,df=1.1mm,

f=0V=2m/min無(wú)輔助氣體外表加熱切割深熔焊接不同加工方法激光束入射條件示意實(shí)現(xiàn)不同激光加工之簡(jiǎn)單方法激光加工工藝與激光功率密度及作用時(shí)間的關(guān)系激光加工的特點(diǎn)激光的應(yīng)用必然是充分地利用激光獨(dú)有的特性,尋找KILLERAPPLICATIONS！金屬對(duì)激光吸收的一般規(guī)律吸收系數(shù)與穿透深度I0I(z)R：材料表面的反射率；：材料的吸收系數(shù)（cm-1）k：材料吸收指數(shù)

：激光波長(zhǎng)

光在介質(zhì)界面上的反射和折射電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的切線分量在界面上連續(xù)；電位移矢量D和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的法向分量在界面上連續(xù)12i0

垂直入射時(shí)的反射率和吸收率金屬對(duì)激光的吸收金屬中存在大量的自由電子，如果光子的能量較低〔CO2和YAG等紅外激光屬于此類〕，通常只對(duì)金屬中的自由電子發(fā)生作用，也就是說(shuō)能量的吸收是通過(guò)金屬中的自由電子這個(gè)中間體，然后電子通過(guò)碰撞將能量傳遞給晶格。Drude反射率和吸收率我們可以很直觀地看出，輻射激光的波長(zhǎng)越短〔即圓頻率越大〕、導(dǎo)電性越差〔即電導(dǎo)率0越小〕，金屬對(duì)入射激光的吸收率越高。Hagen-Rubens關(guān)系式

在低頻輻射時(shí)，即上述反射率和吸收率是Drude反射率和吸收率的一種特例，其適應(yīng)范圍是十分有限的。對(duì)于高導(dǎo)電性金屬，僅在長(zhǎng)波輻射時(shí)有效〔如金屬Ag，波長(zhǎng)須大于500m〕，對(duì)于弱導(dǎo)電性金屬，公式的適應(yīng)范圍可以擴(kuò)大到中紅外〔如金屬Hg，波長(zhǎng)大于7m即可〕。因此，就現(xiàn)有的可用于金屬材料加工的激光器件而言，只有在CO2激光輻射弱導(dǎo)電性金屬時(shí)，才可以采用以上公式計(jì)算金屬的反射率和吸收率。帶間吸收

當(dāng)激光的波長(zhǎng)較短(<0.5m)時(shí)，由于激光光子的能量較大，激光除與自由電子發(fā)生相互作用之外，還可對(duì)金屬中的束縛電子發(fā)生作用，引起價(jià)帶電子向?qū)щ娮拥能S遷，從而使金屬的反射能量降低，透射能量增強(qiáng)，金屬對(duì)激光的吸收率增大。因此，對(duì)可見(jiàn)和紫外激光，必須考慮帶間躍遷(interbandtransitions)引起的吸收增加，即帶間吸收AIB(Interbandabsorption)。因此，金屬的吸收率由以下二局部組成，稱為金屬的內(nèi)在吸收或固有吸收，用Ai表示：激光垂直入射時(shí)室溫下金屬的吸收率反射率和吸收率與激光偏振狀態(tài)和入射角的關(guān)系什么是光的偏振電磁波中起光作用的主要是電場(chǎng)矢量，所以電場(chǎng)矢量又叫光矢量。在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，光矢量可能有各種不同的振動(dòng)狀態(tài)，這種振動(dòng)狀態(tài)通常稱為光的偏振態(tài)。光波為橫向電磁波，電場(chǎng)、磁場(chǎng)、傳播速度三者相互垂直：五種常見(jiàn)的光的偏振態(tài)：一、線偏振光光矢量只沿一個(gè)固定的方向振動(dòng)，也就是說(shuō)光矢量只在同一個(gè)平面內(nèi)振動(dòng)，因此線偏振光也稱為平面偏振光。偏振面偏振面：光矢量的方向和光的傳播方向構(gòu)成的平面光振動(dòng)在圖示平面內(nèi)光振動(dòng)在垂直于圖示平面內(nèi)二、自然光自然光不僅初相位彼此不相關(guān)，而且光振動(dòng)的方向也是隨機(jī)分布的。在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各個(gè)方向振動(dòng)的光矢量都有。平均來(lái)說(shuō)，光矢量具有軸對(duì)稱而且均勻分布，各方向光振動(dòng)的振幅相同。三、局部偏振光介于線偏振光和自然光之間，在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，沿各個(gè)方向振動(dòng)的光矢量都有，但振幅不相同，各方向的光矢量之間沒(méi)有固定的相位關(guān)系。在圖示平面內(nèi)的光振動(dòng)較強(qiáng)在垂直于圖示平面內(nèi)的光振動(dòng)較強(qiáng)在垂直于光的傳播方向的平面內(nèi)，光矢量按一定的頻率旋轉(zhuǎn)〔左旋或右旋〕。如果光矢量端點(diǎn)軌跡是一個(gè)圓，這種光叫圓偏振光。如果光矢量端點(diǎn)軌跡是一個(gè)橢圓，這種光叫橢圓偏振光。四、圓偏振光五、橢圓偏振光圓偏振光橢圓偏振光圓偏振光和橢圓偏振光中的光矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于兩個(gè)相互垂直的振動(dòng)的合成，這兩個(gè)分振動(dòng)之間有確定的相位關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，兩束偏振面垂直的線偏振光疊加，當(dāng)相位固定時(shí)，獲得橢圓偏振光，當(dāng)兩束偏振光的強(qiáng)度相等且相位為/2或3/2時(shí)，得到圓偏振光。反射和折射時(shí)光的偏振自然光在兩種各向同性介質(zhì)分界面上反射和折射時(shí)，不僅光的傳播方向要改變，而且偏振狀態(tài)也要發(fā)生變化。一般情況下，反射光和折射光不再是自然光，而是局部偏振光。在反射光中垂直于入射面的光振動(dòng)多于平行振動(dòng)，而在折射光中平行于入射面的光振動(dòng)多于垂直振動(dòng)。自然光反射和折射后產(chǎn)生部分偏振光布儒斯特定律：反射光的偏振化程度和入射角有關(guān)。當(dāng)入射角等于某一特定值i0時(shí)，反射光是光振動(dòng)垂直于入射面的線偏振光。這個(gè)特定的入射角稱為起偏角，即布儒斯特角。當(dāng)光以布儒斯特角入射時(shí)，反射光和折射光垂直，有：i0i0

n1n2反射率和吸收率與激光偏振態(tài)和入射角的關(guān)系吸收率與激光偏振狀態(tài)和入射角的關(guān)系吸收率%入射角

鐵切割前沿激光的偏振狀態(tài)

切割方向切割方向切割前沿不同位置的吸收率與激光偏振狀態(tài)的關(guān)系切割前沿位置方位角()吸收率線偏振光切割時(shí)切口質(zhì)量不均勻切割前沿能量耦合效率與偏振狀態(tài)的關(guān)系吸收率傾斜角

偏振態(tài)對(duì)焊接的影響采用平行偏振光進(jìn)行外表處理采用垂直偏振光進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)理論入射角吸收率不銹鋼FdfF－壓力，df－聚焦光斑直徑焊接區(qū)聚焦鏡激光束激光束激光束激光束導(dǎo)帶槽壓力輪傳送輪導(dǎo)帶輪激光束帶材聚焦鏡導(dǎo)帶槽線偏振激光的獲得a)b)圓偏振激光的獲得入射激光線偏振光圓偏振光圓偏振鏡外表狀態(tài)對(duì)吸收率的影響室溫下不同金屬對(duì)CO2激光的吸收率實(shí)際金屬表面的吸收率由兩部分組成

金屬的光學(xué)性質(zhì)所決定的固有吸收率Ai和表面光學(xué)性質(zhì)所決定的附加吸收率Aext

Ai—金屬的固有吸收率Aext—表面狀態(tài)引起的附加吸收率Ar—表面粗糙度引起的附加吸收率Aid—雜質(zhì)與缺陷引起的附加吸收率Aox—表面氧化物引起的附加吸收率外表粗糙度的影響室溫下35NCD16鋼不同外表狀態(tài)時(shí)對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收率缺陷和雜質(zhì)的影響不同外表加工方法制造的銅鏡的特性氧化物的影響當(dāng)暴露于空氣中時(shí)，常規(guī)金屬外表多數(shù)情況下覆蓋著一層氧化物。氧化層的厚度X和結(jié)構(gòu)取決于金屬試件的準(zhǔn)備和經(jīng)歷的時(shí)間，相當(dāng)厚的氧化層可以使試件的吸收率增加一個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高。氧化層對(duì)吸收的影響還取決于激光波長(zhǎng)。例如，通常情況下，鋁外表的自然氧化鋁層是很薄的(X<10nm)。在準(zhǔn)分子激光產(chǎn)生的紫外區(qū)220nm，薄的氧化膜層的附加吸收超過(guò)金屬的固有吸收，即AoxAi；但是，在同樣的氧化鋁膜對(duì)CO2激光卻是完全透明的。鋁外表40A厚的自然氧化鋁膜層對(duì)CO2激光的附加吸收缺乏鋁的固有吸收的1.6%，即Aox0.016Ai，然而采用陽(yáng)極氧化處理鋁外表所得到的氧化鋁厚膜對(duì)CO2激光的吸收率接近100%。金屬吸收率隨溫度的變化當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬中電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，直流電阻率增大，因此隨著溫度升高，如果不存在帶間吸收，也就是說(shuō)針對(duì)紅外激光，金屬的固有吸收率增大。理論和實(shí)驗(yàn)研究均說(shuō)明，針對(duì)紅外激光，金屬吸收率與溫度依賴關(guān)系可以用下面簡(jiǎn)單的表示式來(lái)描述：當(dāng)金屬?gòu)墓滔噢D(zhuǎn)變成液相時(shí)，每個(gè)金屬原子的導(dǎo)電電子數(shù)、金屬密度以及金屬的直流電阻率同時(shí)改變，因此，我們可以預(yù)期在金屬的熔點(diǎn)處從固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)時(shí)金屬的吸收率有一個(gè)臺(tái)階增長(zhǎng)。幾種純金屬對(duì)10.6

波長(zhǎng)光波的吸收率與溫度的關(guān)系的理論計(jì)算結(jié)果單晶鋁對(duì)10.6

波長(zhǎng)光波的吸收率的溫度依賴關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果鋁試樣對(duì)10.6

波長(zhǎng)光波的吸收率的溫度依賴關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線反常吸收效應(yīng)(Theeffectofanomalousabsorption)(a)空氣中，1atm，(b)真空，殘余壓力：0.5torrA0：低功率CO2激光輻射時(shí)，銅的吸收率；曲線1,2,3：高能脈沖TEACO2激光輻射形成等離子體后,銅(曲線1)、表面有NaF(曲線2)和NaCl(曲線3)薄涂層的銅的吸收率金屬的激光加熱金屬吸收激光是通過(guò)自由電子這一中間體，然后通過(guò)電子與晶體點(diǎn)陣的碰撞將多余能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫w點(diǎn)陣的振動(dòng)。電子和晶體點(diǎn)陣碰撞總的能量的弛豫時(shí)間的典型值為10-13s，因此可以認(rèn)為材料吸收的光能向熱能的轉(zhuǎn)變是在一瞬間發(fā)生的。由于金屬中的自由電子數(shù)密度很高，金屬對(duì)光的吸收系數(shù)很大，約為105~106cm-1。對(duì)于從波長(zhǎng)0.25m的紫外光到波長(zhǎng)為10.6的紅外光這個(gè)波段內(nèi)的測(cè)量結(jié)果說(shuō)明，光在各類金屬中的穿透深度僅為10nm數(shù)量級(jí)，也就是說(shuō)，透射光波在金屬外表一個(gè)很薄的表層內(nèi)被吸收。因此金屬吸收的激光能量使外表金屬加熱，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)，熱量由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。Thelaserheatingsource多模激光束，可以假設(shè)在半徑為rF的圓形光斑內(nèi)能量分布是均勻的，即：對(duì)于高斯光束，當(dāng)光斑特征尺寸是由光強(qiáng)為中心光強(qiáng)的1/e2時(shí)的半徑?jīng)Q定時(shí)〔光斑內(nèi)的功率密度占總功率的86%〕：當(dāng)光斑特征尺寸是由光強(qiáng)為中心光強(qiáng)的1/e時(shí)的半徑?jīng)Q定時(shí)：Theheatconductionequation式中為材料密度，C為(定壓)比熱，T為溫度，t為時(shí)間，K為材料導(dǎo)熱系數(shù)，Q為單位時(shí)間單位體積內(nèi)的發(fā)熱量。激光外表加熱時(shí)，光能在材料外表被吸收，不存在體積熱源，Q=0，激光的作用按邊界條件處理。配合其它的邊界條件，