淺析激光加工技術(shù)

1、淺析激光加工技術(shù)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：摘要特種加工是技術(shù)20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的，由于材料科學(xué)、高新技 術(shù)的發(fā)展和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、發(fā)展尖端國(guó)防及科學(xué)研究的急需，不僅新產(chǎn) 品更新?lián)Q代日益加快，而且產(chǎn)品要求具有很高的強(qiáng)度重量比和性能價(jià)格比， 并正朝著高速度、高精度、高可靠性、耐腐蝕、高溫高壓、大功率、尺寸 大小兩極分化的方向發(fā)展。特種加工中以采用電能為主的電火花加工和電 解加工應(yīng)用較廣，泛稱電加工。而激光加工技術(shù)很有可能在未來幾年里有 更好的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。所以本文主要圍繞特種加工技術(shù)中的激光加工技術(shù)介紹了激光加工技 術(shù)的原理、發(fā)展過程、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。關(guān)鍵字：激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)原理1.1

2、激光加工技術(shù)簡(jiǎn)介激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬 與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術(shù)。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 污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。1.2激光加工技術(shù)工作原理激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬 與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術(shù)。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)

3、化、無 污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。激光技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科的一門綜合技 術(shù)，傳統(tǒng)上看，它的研究范圍一般可分為：1）激光加工系統(tǒng) 包括激光器、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床、控制系統(tǒng)及檢 測(cè)系統(tǒng)。2） 激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標(biāo)、劃線、 微調(diào)等各種加工工藝。激光加工技術(shù)發(fā)展過程早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀(jì)70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、激光加工是國(guó)外激光應(yīng)用中最大 的項(xiàng)目，也是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kW級(jí)到10kW級(jí)CO2激光器和百瓦到千瓦級(jí)YAG激光器實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料的切割、焊接、打孔、刻 劃和熱

4、處理等。據(jù)19971998年的最新激光市場(chǎng)評(píng)述和預(yù)測(cè)，1997年全世 界總激光器市場(chǎng)銷售額達(dá)32.2億美元，比1996年增長(zhǎng)14%，其中材料加工 為8.29億美元，醫(yī)療應(yīng)用4億美元，研究領(lǐng)域1.5億美元。1998年總收入 預(yù)計(jì)增長(zhǎng)19%，可達(dá)到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預(yù)計(jì)超過10億美元，醫(yī)用激光器是國(guó)外第二大應(yīng)用。激光加工應(yīng)用領(lǐng)域中，CO?激光器以切割和焊接應(yīng)用最廣，分別占到70% 和20%，表面處理則不到10%。而YAG激光器的應(yīng)用是以焊接、標(biāo)記（50%） 和切割（15%）為主。在美國(guó)和歐洲CO?激光器占到了 7080%。我國(guó)激光加 工中以切割為主的占10%，其中98%以上的C

5、O?激光器，功率在1.5kW2kW 范圍內(nèi)，而以熱處理為主的約占15%，大多數(shù)是進(jìn)行激光處理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的 汽缸套。這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益都很高，故有很大的市場(chǎng)前景。在汽車工業(yè)中，激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進(jìn)、快速、靈活地加工 特點(diǎn)。如在汽車樣機(jī)和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機(jī)，不僅節(jié)省 了樣板及工裝設(shè)備，還大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期；激光束在高硬度材料和 復(fù)雜而彎曲的表面打小孔，速度快而不產(chǎn)生破損；激光焊接在汽車工業(yè)中 已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，日本Toyota已將激光用于車身面板的焊接，將不同厚度 和不同表面涂敷的金屬板焊接在一起，然后再進(jìn)行沖壓。雖然激光熱處理 在國(guó)外不如焊接和切割普遍，但在汽車

6、工業(yè)中仍應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、 活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，激光加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相 結(jié)合，派生出激光快速成形技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)不僅可以快速制造模型，而且 還可以直接由金屬粉末熔融，制造出金屬模具。80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和標(biāo)記等方面發(fā)揮了越來越 大作用。通常認(rèn)為YAG激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度， 但在切割速度上受到限制。隨著 YAG激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而 被突破。YAG激光器已開始擠進(jìn)kw級(jí)CO2激光器切割市場(chǎng)。YAG激光器特 別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件，如鋰電池、心臟起搏器、 密封繼電器

7、等。YAG激光器打孔已發(fā)展成為最大的激光加工應(yīng)用。目前，國(guó)外激光打孔主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5 年前的400w提高到了 800w至1000w。打孔峰值功率高達(dá)3050kw，打孔用 的脈沖寬度越來越窄，重復(fù)頻率越來越高，激光器輸出參數(shù)的提高，很大 程度上改善了打孔質(zhì)量，提高了打孔速度，也擴(kuò)大了打孔的應(yīng)用范圍。國(guó) 內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的 生產(chǎn)及手表寶石軸承的生產(chǎn)中。氣體激光器加工原理高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對(duì)激光加工 機(jī)理和工藝的深入研究，激光加工技

8、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(jìng)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(dòng)化水平和使用功能。固體激光器加工原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)10（10（瓦/厘米（，溫度高達(dá)1萬攝氏度以上，任何材料 都會(huì)瞬時(shí)熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對(duì)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。激光加工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊

9、接技術(shù)、 激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光 蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲(chǔ)技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、 激光熱處理和表面處理技術(shù)。激光快速成形技術(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。激光焊接技術(shù)具有溶池凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不 同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高，對(duì)高熔點(diǎn)、高反射率、高導(dǎo) 熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。激光打孔

10、技術(shù)具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低和綜合技術(shù)經(jīng) 濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。激光切割技術(shù)可廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時(shí)間，降低加工成本，提高工件質(zhì)量。脈沖激光適用于金屬材料，連 續(xù)激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。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(duì)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)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文 字、符號(hào)和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級(jí)，這對(duì)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)

11、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。 激光去重平衡技術(shù)是用激光去掉高速旋轉(zhuǎn)部件上不平衡的過重部分，使慣 性軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達(dá)到動(dòng)平衡的過程。激光去重平衡技術(shù)具有測(cè)量和 去重兩大功能，可同時(shí)進(jìn)行不平衡的測(cè)量和校正，效率大大提高，在陀螺 制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于高精度轉(zhuǎn)子，激光動(dòng)平衡可成倍提高平 衡精度，其質(zhì)量偏心值的平衡精度可達(dá) 1%或千分之幾微米。激光蝕刻技術(shù)比傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、可大幅度降低生產(chǎn)成 本，可加工0.1251微米寬的線，非常適合于超大規(guī)模集成電路的制造。 激光微調(diào)技術(shù)可對(duì)指定電阻進(jìn)行自動(dòng)精密微調(diào)，精度可達(dá)0.01%0.0

12、02%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調(diào)包括薄膜電阻（0.010.6微米厚）與厚膜電阻（2050微米厚）的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電 路的微調(diào)。激光存儲(chǔ)技術(shù)是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計(jì)算機(jī)信息 的一種技術(shù)，是信息化時(shí)代的支撐技術(shù)之一。激光劃線技術(shù)是生產(chǎn)集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，其劃線細(xì)、精度高（線寬為 1525微米，槽深為5200微米），加工速度快（可達(dá)200毫米/秒），成品 率可達(dá)99.5%以上。激光清洗技術(shù)的采用可大大減少加工器件的微粒污染，提高精密器件 的成品率。激光熱、表處理技術(shù)包括：激光相變硬化技術(shù)、激光包覆技術(shù)、激光 表面合金化技術(shù)、激光退火技術(shù)、激光沖擊硬化

13、技術(shù)、激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)、 激光上釉技術(shù)，這些技術(shù)對(duì)改變材料的機(jī)械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有 重要作用。激光相變硬化（即激光淬火）是激光熱處理中研究最早、最多、進(jìn)展最 快、應(yīng)用最廣的一種新工藝，適用于大多數(shù)材料和不同形狀零件的不同部 位，可提高零件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，國(guó)外一些工業(yè)部門將該技術(shù)作為保證 產(chǎn)品質(zhì)量的手段。激光包覆技術(shù)是在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用的激光表面改性技術(shù)之一，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，可大大提高產(chǎn)品的抗腐蝕性。激光表面合金化技術(shù)是材料表面局部改性處理的新方法，是未來應(yīng)用 潛力最大的表面改性技術(shù)之一，適用于航空、航天、兵器、核工業(yè)、汽車制 造業(yè)中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。激光

14、退火技術(shù)是半導(dǎo)體加工的一種新工藝，效果比常規(guī)熱退火好得多。 激光退火后，雜質(zhì)的替位率可達(dá)到98%99%,可使多晶硅的電阻率降到普 通加熱退火的1/21/3,還可大大提高集成電路的集成度，使電路元件間 的間隔縮小到0.5微米。激光沖擊硬化技術(shù)能改善金屬材料的機(jī)械性能，可阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高鋼、鋁、鈦等合金的強(qiáng)度和硬度，改善其抗疲勞性能。激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)可提高金屬的沉積速度，速度比無激光照射快1000 倍，對(duì)微型開關(guān)、精密儀器零件、微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和 修補(bǔ)具有重大義意。使用改技術(shù)可使電度層的牢固度提高昂1001000倍。激光上釉技術(shù)對(duì)于材料改性很有發(fā)展前途，其成本低，容易控制

15、和復(fù)制， 有利于發(fā)展新材料。激光上釉結(jié)合火焰噴涂、等離子噴涂、離子沉積等技 術(shù)，在控制組織、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 電子材料、電磁材料和其它電氣材料經(jīng)激光上釉后用于測(cè)量?jī)x表極為理想。激光加工技術(shù)發(fā)展前景激光技術(shù)在我國(guó)經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了上千項(xiàng)科技成果，許多已 用于生產(chǎn)實(shí)踐，激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以 20%的速度增長(zhǎng)，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問題，如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼、 本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國(guó)汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進(jìn)口的狀態(tài)， 激光標(biāo)記機(jī)與激光焊接機(jī)的質(zhì)量、功能、價(jià)格符合國(guó)內(nèi)目前市場(chǎng)的需求， 市場(chǎng)占有率達(dá)90%以上。激光加工技

16、術(shù)的發(fā)展前景：數(shù)控化和綜合化把激光器與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)以 及高精度和自動(dòng)化的工件定位相結(jié)合，形成研制和生產(chǎn)加工中心，已成為 激光加工發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。小型化和組合化國(guó)外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一臺(tái)機(jī)床上，制成激光沖床，它兼有激光切割的多功能性和沖壓加工的 高速高效的特點(diǎn)，可完成切割復(fù)雜外形、打孔、打標(biāo)、劃線等加工。高頻度和高可靠性目前，國(guó)外YAG激光器的重復(fù)頻度已達(dá)2000次/秒，二極管陣列泵浦的Nd: YAG激光器的平均維修時(shí)間已從原來的幾百小 時(shí)提高到12萬小時(shí)。采用激元激光器進(jìn)行金屬加工這是國(guó)外激光加工的一個(gè)新課題。激元激光器能發(fā)射出波長(zhǎng)157350納米的紫外激光，大多數(shù)金屬對(duì)這種激 光的反射率很低，吸收率相應(yīng)很高，因此，這種激光器在金屬加工領(lǐng)域有 很大的應(yīng)用價(jià)值。激光是本世紀(jì)的重大發(fā)明之一，具