激光加工簡述

1、激光加工技術(shù)的原理及應(yīng)用 吳雪松（東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院應(yīng)用物理系） 摘要 激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一種加工新技術(shù)，涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科。由于激光加工熱影響區(qū)域小，光束方向性好，幾乎可以加工任何材料。常用來進(jìn)行選擇性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特點(diǎn)，目前已應(yīng)用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、切削加工，快速成形，激光鉆孔和基板劃片關(guān)鍵詞：激光;加工；切割；處理；焊接 引言雖然我國的綜合國力不斷提升，中國制造在世界范圍內(nèi)的好評不斷提升，但我們不得不承認(rèn)，中國在加工技術(shù)上的不盡

2、人意。尤其在機(jī)械制造和精密加工方面，更是與世界先進(jìn)水平差了一大截。拿汽車制造來說，德國的汽車制造業(yè)是中國望塵莫及的，其內(nèi)在原因，就是中國的加工技術(shù)太差。而這篇文章的主要目的，就是用先進(jìn)的激光技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的機(jī)械類加工技。我們知道，傳統(tǒng)的車床工藝由于在切割、焊接與鍛壓工具上有著本身的局限性。例如，銑刀本身有著一定的線度，使得其加工的精確度下降。并且在從事機(jī)械加工工藝方案擬定、機(jī)床和刀具設(shè)計(jì)等工作時 ,都離不開對切削力的估計(jì) ,它是進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的重要依據(jù) .目前通常使用的切削力計(jì)算方法是用單因素法通過實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式 ,但這種經(jīng)驗(yàn)公式往往有一定的精度限制。而激光器加工完全可以避免這種加工誤

3、差。那高功率固體激光器是如何加工材料的呢？ 正文1.激光加工的原理早期的激光加工由于功率較小，大多打小孔和微型焊接。到20世紀(jì)70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對激光加工機(jī)理和工藝的深入研究，激光加工技術(shù)有了很大進(jìn)展，使用范圍隨之?dāng)U大。數(shù)千瓦的激光加工機(jī)已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設(shè)備競相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了激光加工機(jī)的自動化水平和使用功能。 從激光器輸出的高強(qiáng)度激光經(jīng)過透鏡聚焦到工件上，其焦點(diǎn)處的功率密度高達(dá)1071012瓦厘米2，溫度高達(dá)1萬攝氏度以上，任何

4、材料都會瞬時熔化、氣化。1激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對材料進(jìn)行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器和氣體激光器。使用二氧化碳?xì)怏w激光器切割時，一般在光束出口處裝有噴嘴，用于噴吹氧、氮等輔助氣體，以提高切割速度和切口質(zhì)量。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面。2.激光加工的特點(diǎn) 2 激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢： 1.由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，

5、因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。 2.它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點(diǎn)的材料。 3.激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。 4.激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。 5.它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。 6.由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。 7.使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。例如：1美國通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動

6、機(jī)上的異形槽，不到4H即可高質(zhì)量完成，而原來采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項(xiàng)，每臺發(fā)動機(jī)的造價可省5萬美元。2激光切割鋼件工效可提高8-20倍，材料可節(jié)省15-30%，大幅度降低了生產(chǎn)成本，并且加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。3.激光技術(shù)的應(yīng)用1. 激光快速成形技術(shù) 快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，根據(jù)零件的CAD模型，用激光束將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復(fù)雜的零件，該技術(shù)已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 2. 激光焊接技術(shù) 激光焊接強(qiáng)度高、熱變形小、密封性好，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊，以及

7、熔點(diǎn)很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心臟起搏器，其密封性好、壽命長，而且體積小。激光熱處理用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小,可處理形狀復(fù)雜的零件和部件,可對盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。3. 激光打標(biāo)技術(shù) 3 激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的

8、一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。準(zhǔn)分子激光打標(biāo)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，特別適用于金屬打標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)亞微米打標(biāo)，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。4. 激光切割技術(shù) 在造船、汽車制造等工業(yè)中,常使用百瓦至萬瓦級的連續(xù)CO2激光器對大工件進(jìn)行切割,既能保證精確的空間曲線形狀,又有較高的加工效率。對小工件的切割，常用中、小功率固體激光器或CO2激光器。在微電子學(xué)中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區(qū)小。另外還有激光熱處理、激光細(xì)微加工、激光劃線技術(shù)等。以上列舉了激光在加工技術(shù)中的廣泛應(yīng)用。雖然，激光加工相比于傳統(tǒng)的車銑床加工來說，還沒有進(jìn)入特別成熟的地步，但隨著其加工的突出優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)的完善，我們相信，未來的加工業(yè)是