淺析激光加工技術

1、淺析激光加工技術班級：學號：姓名：摘要特種加工是技術20世紀40年代發(fā)展起來的，由于材料科學、高新技 術的發(fā)展和激烈的市場競爭、發(fā)展尖端國防及科學研究的急需，不僅新產 品更新?lián)Q代日益加快，而且產品要求具有很高的強度重量比和性能價格比， 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 解加工應用較廣，泛稱電加工。而激光加工技術很有可能在未來幾年里有 更好的技術進步和發(fā)展。所以本文主要圍繞特種加工技術中的激光加工技術介紹了激光加工技 術的原理、發(fā)展過程、應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。關鍵字：激光加工技術激光加工技術原理1.1

2、激光加工技術簡介激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料（包括金屬 與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術。激光 加工作為先進制造技術已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機 械制造等國民經濟重要部門，對提高產品質量、勞動生產率、自動化、無 污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。1.2激光加工技術工作原理激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料（包括金屬 與非金屬）進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術。激光 加工作為先進制造技術已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機 械制造等國民經濟重要部門，對提高產品質量、勞動生產率、自動

3、化、無 污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。激光技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技 術，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、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢 測系統(tǒng)。2） 激光加工工藝包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、 微調等各種加工工藝。激光加工技術發(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70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、激光加工是國外激光應用中最大 的項目，也是對傳統(tǒng)產業(yè)改造的重要手段，主要是kW級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實現(xiàn)對各種材料的切割、焊接、打孔、刻 劃和熱

4、處理等。據(jù)19971998年的最新激光市場評述和預測，1997年全世 界總激光器市場銷售額達32.2億美元，比1996年增長14%，其中材料加工 為8.29億美元，醫(yī)療應用4億美元，研究領域1.5億美元。1998年總收入 預計增長19%，可達到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預計超過10億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應用。激光加工應用領域中，CO?激光器以切割和焊接應用最廣，分別占到70% 和20%，表面處理則不到10%。而YAG激光器的應用是以焊接、標記（50%） 和切割（15%）為主。在美國和歐洲CO?激光器占到了 7080%。我國激光加 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，而以熱處理為主的約占15%，大多數(shù)是進行激光處理汽車發(fā)動機的 汽缸套。這項技術的經濟性和社會效益都很高，故有很大的市場前景。在汽車工業(yè)中，激光加工技術充分發(fā)揮了其先進、快速、靈活地加工 特點。如在汽車樣機和小批量生產中大量使用三維激光切割機，不僅節(jié)省 了樣板及工裝設備，還大大縮短了生產準備周期；激光束在高硬度材料和 復雜而彎曲的表面打小孔，速度快而不產生破損；激光焊接在汽車工業(yè)中 已成為標準工藝，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，然后再進行沖壓。雖然激光熱處理 在國外不如焊接和切割普遍，但在汽車

6、工業(yè)中仍應用廣泛，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)達國家，激光加工技術和計算機數(shù)控技術及柔性制造技術相 結合，派生出激光快速成形技術。該項技術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、打孔和標記等方面發(fā)揮了越來越 大作用。通常認為YAG激光器切割可以得到好的切割質量和高的切割精度， 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量的提高而 被突破。YAG激光器已開始擠進kw級CO2激光器切割市場。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用。目前，國外激光打孔主要應用在航空航天、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3050kw，打孔用 的脈沖寬度越來越窄，重復頻率越來越高，激光器輸出參數(shù)的提高，很大 程度上改善了打孔質量，提高了打孔速度，也擴大了打孔的應用范圍。國 內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的 生產及手表寶石軸承的生產中。氣體激光器加工原理高重復頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對激光加工 機理和工藝的深入研究，激光加工技

8、術有了很大進展，使用范圍隨之擴大。數(shù)千 瓦的激光加工機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備競相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計算機數(shù)字控制、工業(yè)機器人 等技術相結合，大大提高了激光加工機的自動化水平和使用功能。固體激光器加工原從激光器輸出的高強度激光經過透鏡聚焦到工件上，其焦 點處的功率密度高達10（10（瓦/厘米（，溫度高達1萬攝氏度以上，任何材料 都會瞬時熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應對材料進行焊接、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。激光加工技術應用現(xiàn)狀目前已成熟的激光加工技術包括：激光快速成形技術、激光焊

9、接技術、 激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光去重平衡技術、激光 蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、 激光熱處理和表面處理技術。激光快速成形技術集成了激光技術、CAD/CAM技術和材料技術的最新成 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雜的零件，該技術 已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)領域得到廣泛應用。激光焊接技術具有溶池凈化效應，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，對高熔點、高反射率、高導 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、技術具有精度高、通用性強、效率高、成本低和綜合技術經 濟效益顯著等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代制造領域的關鍵技術之一。激光切割技術可廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。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的重要應用領域。激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一。激光打標是利用高能 量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化 學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標可以打出各種文 字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級，這對產品的防偽 有特殊的意義。準分子激光打標是近年來發(fā)展起來的一項

11、新技術，特別適 用于金屬打標，可實現(xiàn)亞微米打標，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。 激光去重平衡技術是用激光去掉高速旋轉部件上不平衡的過重部分，使慣 性軸與旋轉軸重合，以達到動平衡的過程。激光去重平衡技術具有測量和 去重兩大功能，可同時進行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺 制造領域有廣闊的應用前景。對于高精度轉子，激光動平衡可成倍提高平 衡精度，其質量偏心值的平衡精度可達 1%或千分之幾微米。激光蝕刻技術比傳統(tǒng)的化學蝕刻技術工藝簡單、可大幅度降低生產成 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。 激光微調技術可對指定電阻進行自動精密微調，精度可達0.01%0.0

12、02%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調包括薄膜電阻（0.010.6微米厚）與厚膜電阻（2050微米厚）的微調、電容的微調和混合集成電 路的微調。激光存儲技術是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計算機信息 的一種技術，是信息化時代的支撐技術之一。激光劃線技術是生產集成電路的關鍵技術，其劃線細、精度高（線寬為 1525微米，槽深為5200微米），加工速度快（可達200毫米/秒），成品 率可達99.5%以上。激光清洗技術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、表處理技術包括：激光相變硬化技術、激光包覆技術、激光 表面合金化技術、激光退火技術、激光沖擊硬化

13、技術、激光強化電鍍技術、 激光上釉技術，這些技術對改變材料的機械性能、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、進展最 快、應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度，國外一些工業(yè)部門將該技術作為保證 產品質量的手段。激光包覆技術是在工業(yè)中獲得廣泛應用的激光表面改性技術之一，具有很好的經濟性，可大大提高產品的抗腐蝕性。激光表面合金化技術是材料表面局部改性處理的新方法，是未來應用 潛力最大的表面改性技術之一，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、退火技術是半導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，雜質的替位率可達到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。激光沖擊硬化技術能改善金屬材料的機械性能，可阻止裂紋的產生和擴展，提高鋼、鋁、鈦等合金的強度和硬度，改善其抗疲勞性能。激光強化電鍍技術可提高金屬的沉積速度，速度比無激光照射快1000 倍，對微型開關、精密儀器零件、微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產和 修補具有重大義意。使用改技術可使電度層的牢固度提高昂1001000倍。激光上釉技術對于材料改性很有發(fā)展前途，其成本低，容易控制

15、和復制， 有利于發(fā)展新材料。激光上釉結合火焰噴涂、等離子噴涂、離子沉積等技 術，在控制組織、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應用前景。 電子材料、電磁材料和其它電氣材料經激光上釉后用于測量儀表極為理想。激光加工技術發(fā)展前景激光技術在我國經過30多年的發(fā)展，取得了上千項科技成果，許多已 用于生產實踐，激光加工設備產量平均每年以 20%的速度增長，為傳統(tǒng)產業(yè) 的技術改造、提高產品質量解決了許多問題，如激光毛化纖技術正在寶鋼、 本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進口的狀態(tài)， 激光標記機與激光焊接機的質量、功能、價格符合國內目前市場的需求， 市場占有率達90%以上。激光加工技

16、術的發(fā)展前景：數(shù)控化和綜合化把激光器與計算機數(shù)控技術、先進的光學系統(tǒng)以 及高精度和自動化的工件定位相結合，形成研制和生產加工中心，已成為 激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。小型化和組合化國外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一臺機床上，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，可完成切割復雜外形、打孔、打標、劃線等加工。高頻度和高可靠性目前，國外YAG激光器的重復頻度已達2000次/秒，二極管陣列泵浦的Nd: YAG激光器的平均維修時間已從原來的幾百小 時提高到12萬小時。采用激元激光器進行金屬加工這是國外激光加工的一個新課題。激元激光器能發(fā)射出波長157350納米的紫外激光，大多數(shù)金屬對這種激 光的反射率很低，吸收率相應很高，因此，這種激光器在金屬加工領域有 很大的應用價值。激光是本世紀的重大發(fā)明之一，具