目前國(guó)內(nèi)激光加工技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

1、目前國(guó)內(nèi)激光加工技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用實(shí)例韓毅摘要：概括地介紹了激光加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，簡(jiǎn)單介紹了激光打孔和切割、激光焊接、激光表面改性技術(shù)、激光劃蝕、銑削與毛化、激光沉積、激光快速成型技術(shù)、激光標(biāo)記與標(biāo)刻、激光加工技術(shù)在紡織，服裝行業(yè)的應(yīng)用等激光加工技術(shù)等若干典型應(yīng)用，并介紹了國(guó)內(nèi)的激光加工行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：激光技術(shù)；激光加工；發(fā)展現(xiàn)狀前言激光是20世紀(jì)人類的四大發(fā)明之一，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、科學(xué)研究和日常生活中。2l 世紀(jì)號(hào)稱人類已經(jīng)進(jìn)入光電子時(shí)代，作為能量光電子的激光技術(shù)的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用將極大地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活。激光加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光、機(jī)、電技術(shù)相結(jié)合，是一種先進(jìn)制造技術(shù)目前正

2、處于向傳統(tǒng)制造技術(shù)中許多工藝過(guò)程積極滲透的階段。由于它具有無(wú)接觸、不需要工模具、清潔、效率較高、方便實(shí)行數(shù)控和可以用來(lái)進(jìn)行特殊加工，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、冶金、航空航天、機(jī)械、紡織、化工、建筑、造船、儀器儀表、微電子工業(yè)、藝術(shù)品制作、日常生活用品和工業(yè)用品制造等眾多領(lǐng)域。用來(lái)進(jìn)行打孔、切割、銑削、焊接、刻蝕、大型零件的強(qiáng)化和修復(fù)、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造。工藝美術(shù)品制作和清洗、產(chǎn)品標(biāo)刻和防偽等。1 激光加工技術(shù)的主要應(yīng)用11 激光打孔和切割由于激光可以通過(guò)聚焦而獲得高密度能量，瞬間可使任何固體材料熔化，甚至蒸發(fā)，因此，從理論上說(shuō)可以用激光來(lái)加工任何種類的固體材料。事

3、實(shí)上，激光一發(fā)明，人們首先想到利用它來(lái)對(duì)寶石這類利用常規(guī)加工方法難以加工的材料進(jìn)行孔加工。目前已經(jīng)廣泛用于各類材料進(jìn)行孔加工和切割，如利用激光進(jìn)行木模板的切割和石油管道的激光切縫等。圖1為激光在鋼板上加工的密排孔，圖2 為利用激光在金屬上切割的漸開(kāi)線(光滑無(wú)毛刺 。12 激光焊接與其它焊接技術(shù)比較，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：激光焊接速度快、深度大、變形小。能在室溫或特殊的條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。例如，激光通過(guò)電磁場(chǎng)，光束不會(huì)偏移；激光在空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過(guò)玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接。激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時(shí)，深寬比可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1?？珊?/p>

4、接難熔材料如鈦、石英等，并能對(duì)異性材料施焊，效果良好。便如，將銅和鉭兩種性質(zhì)截然不同的材料焊接在一起，合格率幾乎達(dá)百分之百。也可進(jìn)行微型焊接。激光束經(jīng)聚焦后可獲得很小的光斑，且能精密定位，可應(yīng)用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的微、小型元件的組焊中，例如，集成電路引線、鐘表游絲、顯像管電子槍組裝等由于采用了激光焊，不僅生產(chǎn)效率大、高，且熱影響區(qū)小，焊點(diǎn)無(wú)污染，大大提高了焊接的質(zhì)量。利用激光的高密度能量，可以對(duì)高熔點(diǎn)、難熔金屬或兩種不同金屬材料進(jìn)行焊接，也可以對(duì)非金屬材料進(jìn)行焊接(如玻璃的焊接 ；加熱速度快，作用時(shí)間短，熱影響區(qū)小，熱變形可以忽略；屬于非接觸焊接，無(wú)機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形；激光焊接裝置容易與計(jì)算機(jī)

5、聯(lián)機(jī)；可以在大氣中焊接和無(wú)悸染等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用。圖3和圖4分別為激光焊接的鋸片和鉆頭，圖5激光焊接的不等厚鋼板沖壓成的汽車部件。13 激光表面改性技術(shù)激光表面改性技術(shù)包括：激光表面相變硬化、激光表面合金化與熔覆、激光表面非晶化與微晶和激光沖擊強(qiáng)化等。利用激光表面改性技術(shù)可以極大地提高零件表面的機(jī)械、物理和化學(xué)性質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。圖6是應(yīng)用于冶金行業(yè)的軋輥激光相變淬火。圖1 激光加工的密排列 圖2 激光加工的漸開(kāi)線 圖3 激光焊接的金剛石鋸片 圖4 激光焊接的鉆頭 圖5 光焊接的不等厚鋼板沖壓的汽車部件 圖6 軋滾的激光相變淬火14 激光刻蝕、銑削與毛化激光

6、刻蝕在微電子行業(yè)可以用于半導(dǎo)體器件和芯片的加工，也可以用于精密光學(xué)器件的加工。如用激光刻蝕加工半導(dǎo)體芯片和二維光柵。利用激光的高密度能量，可以對(duì)硬脆性難加工材料進(jìn)行激光銑削加工為利用脈沖激光分別銑削加工的硬質(zhì)合金和氧化鋁陶瓷。利用二氧化碳激光器在鋼材上銑削加工的三維模具。利用脈沖激光還可以對(duì)軋輥進(jìn)行毛化，經(jīng)過(guò)毛化的軋輥軋制的汽車簿板具有著油漆牢固的特點(diǎn)。另外，還可以利用激光對(duì)鋼套等零件進(jìn)行毛化，可以大大地提高其耐磨密壽命。15 激光物理氣相沉積、激光化學(xué)氣相沉積、激光誘導(dǎo)液相化學(xué)鍍和激光誘導(dǎo)固相反應(yīng)沉積激光物理沉積主要是利用蒸發(fā)機(jī)制制膜利用此種方法可以制非金屬膜，也可以制金屬膜(包括難熔金屬膜

7、 。激光化學(xué)氣相沉積是利用激光束的局部高溫、高能誘導(dǎo)反應(yīng)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)沉積成膜的方法。激光誘導(dǎo)液相化學(xué)鍍可將基板樣品直接放入鍍液中，用激光輻照誘導(dǎo)反應(yīng)沉積。與普通化學(xué)鍍相比，激光誘導(dǎo)化學(xué)鍍沉積速度要快得多，鍍層更加平整致密。一般認(rèn)為激光誘導(dǎo)化學(xué)鍍的機(jī)理是由于激光可在局部產(chǎn)生高溫，使照射區(qū)溶液迅速升溫活化。分離出金屬粒子。而基板表面同時(shí)被高溫活化，吸附能力大為增強(qiáng)所以沉積易于進(jìn)行。激光誘導(dǎo) 固相沉積法直接采用激光誘導(dǎo)固體膜發(fā)生作用，反應(yīng)生成金屬或合金沉積在基板上。利用此種方法可以用來(lái)進(jìn)行電路板布線。16 激光快速成型技術(shù)自20世紀(jì)90年代初美國(guó)3D Systems公司開(kāi)發(fā)出世界首臺(tái)商品化的快速

8、成型系統(tǒng)以來(lái)，快速成型技術(shù)得到蓬勃發(fā)展?？焖俪尚?Rapid Prototyoing ，簡(jiǎn)稱RP 是通過(guò)把材料堆積，快速、精密地制造出實(shí)際零件，它體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、數(shù)控、激光加工、新材料等學(xué)科和技術(shù)的綜合利用。它不需要借助其它設(shè)備和工具迅速和精確地制造出復(fù)雜的工模具、模型和工藝品。激光快速成型技術(shù)粉末燒結(jié)法快速制造出的零件主要有激光層疊法、粉末燒結(jié)法、光固化法等。17 光標(biāo)記和藝術(shù)品制作生活用品和生產(chǎn)用品的標(biāo)記和防偽是不可缺少的，而同時(shí)人們對(duì)產(chǎn)品的美化和藝術(shù)品的要求也越來(lái)越高。激光標(biāo)記和藝術(shù)品制作就是利用高密度能量的激光束，會(huì)聚在工件表面的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行表面掃描，使材料表面發(fā)生物理或化學(xué)的變化

9、，導(dǎo)致目標(biāo)表面的光反射特性的變化，從而獲得可見(jiàn)圖案。它屬于一種非接觸的標(biāo)刻方式。與傳統(tǒng)的加工方式(如噴墨打印，電火花加工機(jī)械刀刻等 相比，它具有許多難以比擬的優(yōu)點(diǎn)。如它采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，效率高、節(jié)奏快；激光刻劃精細(xì)，可以對(duì)各種材料的表面進(jìn)行標(biāo)記，并且耐久性非常好；采用激光標(biāo)刻的防偽效果好等。現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用激光來(lái)標(biāo)刻的五金件和鍵盤，并且利用激光在竹和木頭等材料上雕刻制作藝術(shù)品。18 激光材料合成、激光清洗和激光加工在建筑上的應(yīng)用早在1977年美國(guó)麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系科學(xué)Haggerty 博士發(fā)明了陶瓷粉末的激光合成法，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到廣泛利用激光來(lái)制造金屬和非金屬材料納米粉。激光清洗可以

10、使物體表面的污垢吸收光能而蒸發(fā)去除，或者在表面產(chǎn)生力學(xué)共振而使污垢凝結(jié)脫落。激光清洗可以用來(lái)清洗微電子芯片、設(shè)備的剝漆和古董及字畫的除垢等。目前，激光加工在建筑上的應(yīng)用主要是高檔建筑五金的焊接，以及建筑裝飾品的制造，而國(guó)外已經(jīng)有利用激光進(jìn)行建筑陶瓷和大理石的切割應(yīng)用報(bào)道。隨著激光器和激光加工技術(shù)的發(fā)展，有望可以利用激光進(jìn)行混凝土件表面玻璃化處理、巖石打洞、大塊混凝土件的切割和放射性物質(zhì)的處理等。19 激光加工技術(shù)在紡織，服裝行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例超過(guò)三分之二的紡織服裝面料可利用激光來(lái)制作各種數(shù)碼圖案。傳統(tǒng)的紡織面料制作工藝需要后期的磨花、燙花、壓花等加工處理，而二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)在此方面具有制作方便、

11、快捷、圖案變換靈活、圖像清楚、立體感強(qiáng)、能夠充分表現(xiàn)各種面料的本色質(zhì)感，以及歷久常新等上風(fēng)。假如結(jié)合鏤空工藝更是一語(yǔ)道破，相得益彰。服裝面料及成衣激光繡花適合：紡織面料后整理加工廠、面料深加工廠、成衣服裝廠、面輔料及來(lái)料加工企業(yè)。激光打標(biāo)具有打標(biāo)精度高，速度快，打標(biāo)清楚，可在硬、軟、脆產(chǎn)品的平面、弧面和飛行物上打印各種文字、符號(hào)、圖案的特點(diǎn)。激光打標(biāo)兼容了激光切割、雕刻的各種優(yōu)點(diǎn)，可在金屬及有機(jī)聚合物薄片上精密加工，加工尺寸小的復(fù)雜圖案。打印標(biāo)記具有永不磨損的防偽性能，可專門制作布標(biāo)、皮標(biāo)、金屬標(biāo)、打印圖案復(fù)雜精細(xì)的各種司徽和LOGO ，是品牌服裝衣飾物加工的最佳選擇。長(zhǎng)期以來(lái)，商標(biāo)的切邊、刺

12、繡圖案的切邊以及刺繡圖案中的打孔拼花都存在一個(gè)對(duì)位題目。精確而高效的切割，是業(yè)界共同的期待?，F(xiàn)有的自動(dòng)視覺(jué)追蹤切割系統(tǒng)在傳統(tǒng)的人工對(duì)位切割的基礎(chǔ)上前進(jìn)了一大步，能夠分局對(duì)位點(diǎn)來(lái)自動(dòng)定位切割。但對(duì)于紡織產(chǎn)品的隨機(jī)變形不能自動(dòng)糾正，因此會(huì)產(chǎn)生大量的廢品?，F(xiàn)在行業(yè)內(nèi)已有企業(yè)成功開(kāi)發(fā)出自動(dòng)識(shí)別尋邊切割系統(tǒng)，能夠依據(jù)所織商標(biāo)圖形的邊沿，自動(dòng)天生切割路徑，并正確地利用激光沿邊切割。還能夠自動(dòng)定位，對(duì)刺繡圖形中的圖案進(jìn)行切割打孔。激光技術(shù)目前在制鞋及皮革行業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛。激光的上風(fēng)在于可以在各種皮革面料上快速雕刻和鏤空出各式圖案，而且操縱方面靈活，同時(shí)不會(huì)使皮革表面產(chǎn)生任何形變，以體現(xiàn)出皮革本身的顏色

13、與質(zhì)感。它更具有雕刻精度高、鏤空無(wú)毛邊、任意選形等多種上風(fēng)，適合鞋面、鞋材、皮具、手袋、箱包、皮服等加工生產(chǎn)廠家的需要。激光雕刻是指將激光設(shè)備連接激光雕刻軟件，圖稿輸進(jìn)自動(dòng)雕刻的作業(yè)方式。目前，半導(dǎo)體激光打標(biāo)機(jī)是激光加工領(lǐng)域技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。利用這種技術(shù)，任何復(fù)雜圖形都能雕刻?？梢赃M(jìn)行鏤空雕刻和不穿透的盲槽雕刻，從而雕刻出深淺不一、質(zhì)感不同、具有層次感和過(guò)渡顏色效果的各種神奇圖案。憑借這些上風(fēng)，激光雕刻迎合了國(guó)際服裝加工的新潮流。通過(guò)數(shù)控的激光照射，汽化牛仔布料表面的染料，從而在各種牛仔面料上制作出不會(huì)退色的影像圖案、漸變花形、貓須磨砂等效果，為牛仔時(shí)尚又增添了新的靚點(diǎn)。牛仔噴花激

14、光加工是一項(xiàng)新興的、有豐厚加工利潤(rùn)和市場(chǎng)空間的加工項(xiàng)目，極適合牛仔服裝廠、水洗廠、加工型等企業(yè)和個(gè)人進(jìn)行牛仔系列產(chǎn)品的增值深加工。電腦繡花工藝中，有兩個(gè)步驟很重要，即貼布繡前的切割和繡花后下料的切割。在傳統(tǒng)的加工工藝中，繡前切割采用的刀模加工方式的缺陷在于，輕易產(chǎn)生織物須邊，且加工精度受刀模限制，異性圖形難以加工，刀模的制作周期常，本錢高，因此制約了貼布繡花的發(fā)展。而繡后下料切割，大多采用的是熱切加工方式，該方式又有切邊縫隙大、邊沿發(fā)黃發(fā)硬、難以對(duì)位等缺點(diǎn)。異性圖形依靠人工手剪，更是輕易散邊，產(chǎn)生廢品，所以急需有一種先進(jìn)的加工方式來(lái)取代這兩種舊的加工方式。激光加工固然也屬于熱加工方式，但由于激

15、光高度的聚焦性，照射光斑纖細(xì)，熱擴(kuò)散區(qū)小，因此極適合對(duì)紡織纖維面料的切割。具體表現(xiàn)在加工面料范圍廣泛、切口平滑無(wú)飛邊、自動(dòng)收口、無(wú)變形、圖形可通過(guò)計(jì)算機(jī)隨意設(shè)計(jì)和輸出、無(wú)需刀模等等。這使得激光加工成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的替換方式。 2 國(guó)內(nèi)內(nèi)激光加工的發(fā)展現(xiàn)狀由上可見(jiàn)，激光加工作為先進(jìn)制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造、紡織等國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要部門，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、自動(dòng)化、無(wú)污染、減少材料消耗等起到愈來(lái)愈重要的作用。德國(guó)為了推廣激光加工技術(shù)，除了建立9個(gè)國(guó)家級(jí)激光中心外，還大量建立激光加工站；同時(shí)在大、 中、小型企業(yè)積極建立激光加工生產(chǎn)線，例如：大眾汽車廠的齒輪激光加工生產(chǎn)

16、 線；奔馳汽車廠共有18個(gè)廠房，其中有8個(gè)廠房安裝了激光加工生產(chǎn)線。美國(guó)是 世界上最早建立激光加工站的國(guó)家，1996年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，美國(guó)激光加工站的 年收入已逾6080億美元， 在美國(guó)激光加工站已超過(guò)1765家，這對(duì)于在美國(guó)推廣 激光加工技術(shù)起著重要的作用。激光切割和焊接等在日本電子、電機(jī)、汽車、車 輛零部件，等小件、大批量生產(chǎn)中得到迅速發(fā)展?？傊?，日本產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用激光加 工技術(shù)是最為普及的。 我國(guó)在20世紀(jì)90年代初，在武漢建立了國(guó)家級(jí)的激光加工 工程研究中心，以期達(dá)到在全國(guó)起到示和推廣的目的。北京、上海等地方和部委 聯(lián)合建立激光加工工程研究中心，另外，很多地方政府以及眾多科研機(jī)構(gòu)和高校 也

17、建立了激光加工研究中心來(lái)進(jìn)行激光加工技術(shù)研究和推廣， 已經(jīng)取得了比較滿 意的效果。例如。天津冷軋薄板廠由于采用了激光毛化技術(shù)，將面臨倒閉的企業(yè) 起死回生僅1995年生產(chǎn)了6億元的激光毛化鋼板，出口創(chuàng)匯數(shù)千萬(wàn)美元；又如 西安內(nèi)燃機(jī)配件廠建立了12條缸套激光熱處理生產(chǎn)線將缸套壽命提高了13 倍現(xiàn)已在全國(guó)范圍推廣。因此，發(fā)展激光產(chǎn)業(yè)將帶動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)的改造和發(fā)展。 然而作為未來(lái)世界加工工廠的中國(guó)，目前只有一百三、四十家類似國(guó)外的激光加 工站，因此，很必要加大力度進(jìn)行推廣。 從中國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)激光分會(huì)的逐年統(tǒng)計(jì)看， 激光加工裝備的年銷售 額一直在高速增長(zhǎng)。 說(shuō)明激光加工技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)從研究，實(shí)驗(yàn)探索中走出了象 牙之塔，走上實(shí)用化的道路。保持銷售額年增長(zhǎng)在 20%左右。目前已經(jīng)形成激光 加工機(jī)生產(chǎn)企業(yè)達(dá) 200 余家，從業(yè)人員近 2