激光加工技術(shù)的基本情況

PAGEPAGE4激光加工技術(shù)摘要：激光加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來(lái)完成加工過(guò)程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等。用激光束對(duì)材料進(jìn)行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光能適應(yīng)任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場(chǎng)合和特種材料的加工制造方面起著無(wú)可替代的作用。關(guān)鍵詞：加工原理、發(fā)展前景、強(qiáng)化處理、微細(xì)加工、發(fā)展前景。圖1.1一激光加工的原理及其特點(diǎn)激光加工的原理：激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來(lái)切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無(wú)接觸式加工，工具不會(huì)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(duì)象受熱影響的范圍較小而且不會(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上（如圖1.1）。激光加工的特點(diǎn)：激光具有的強(qiáng)度高、單色性好、相干性好、方向性好的特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢(shì)：1、激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工熔點(diǎn)高、硬度大和質(zhì)脆的材料(如陶瓷、金剛石等)；2、激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問(wèn)題；3、工件不受應(yīng)力，不易污染； 4、可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；5、激光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級(jí),作用時(shí)間可以短到納秒和皮秒,同時(shí),大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級(jí)，因而激光既適于精密微細(xì)加工,又適于大型材料加工；6、激光束容易控制,易于與精密機(jī)械、精密測(cè)量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)相結(jié)\o"查看圖片"7、激光加工過(guò)程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射部位沒(méi)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。8.它可以通過(guò)透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。9.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(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。10.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(guó)通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的異形槽，不到4H即可高質(zhì)量完成，而原來(lái)采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項(xiàng)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)可省5萬(wàn)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。雖然激光加工擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但不足之處也是很明顯的。二激光技術(shù)用激光束對(duì)材料進(jìn)行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光加工有許多優(yōu)點(diǎn)：①激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化，即使熔點(diǎn)高、硬度大和質(zhì)脆的材料(如陶瓷、金剛石等)也可用激光加工；②激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問(wèn)題；③工件不受應(yīng)力，不易污染；④可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；⑤激光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級(jí),作用時(shí)間可以短到納秒和皮秒,同時(shí),大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級(jí)，因而激光既適于精密微細(xì)加工,又適于大型材料加工；⑥激光束容易控制,易于與精密機(jī)械、精密測(cè)量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加工的高度自動(dòng)化和達(dá)到很高的加工精度；⑦在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工。激光打孔采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔,脈沖寬度為0.1～1毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.005～1毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等工件的加工。激光打孔圖2.1激光切割、劃片與打標(biāo)的組織結(jié)構(gòu).處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.1-0.8mm.2.處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高.激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結(jié)合,而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性.3.被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時(shí)間很短（10-2-10秒），故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。4．加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。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(zhǎng)，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(zhǎng)和控制照射時(shí)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(duì)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(zhǎng)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。圖2.4強(qiáng)化處理激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個(gè)過(guò)程，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時(shí)可用于金屬材料的表面相變強(qiáng)化，當(dāng)激光束能連密度處于高端時(shí)，工件表面光斑出相當(dāng)與一個(gè)移動(dòng)的坩堝，可完成一系列的冶金過(guò)程，包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù)，將給制造業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

而在刀具材料改性中主要應(yīng)用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時(shí)迅速凝固，產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。激光熔凝是用適當(dāng)?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.表面熔化時(shí)一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。

2.在激光熔凝過(guò)程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時(shí)急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

3.其熔層薄、熱作用區(qū)小，對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。

4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點(diǎn)超細(xì)化，形成亞穩(wěn)相可獲得無(wú)擴(kuò)散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。光束可以通過(guò)光路導(dǎo)向，因而可以處理零件特殊位置和形狀復(fù)雜的表面。綜合激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及以被廣泛應(yīng)用的技術(shù)的缺點(diǎn)，把激光技術(shù)應(yīng)用于刀具材料表面強(qiáng)化處理，將是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一，尤其對(duì)于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高加工效率和加工精度，并能對(duì)難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進(jìn)行切削加工。由于它們強(qiáng)度相對(duì)較低，韌性較差，嚴(yán)重地限制了它們的應(yīng)用范圍，因此把激光表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。微細(xì)加工選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的激光，通過(guò)各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進(jìn)行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制；通過(guò)CAD/CAM軟件進(jìn)行仿真圖案（或文字）和控制，實(shí)現(xiàn)高保真打標(biāo)；利用光阱的“束縛力”，對(duì)生物細(xì)胞執(zhí)行移動(dòng)操作（生物光鑷）。微細(xì)加工工藝。（l）微細(xì)機(jī)械加工工藝凸形（外）表面的微細(xì)切削大多采用單晶金剛石車刀或銑刀。刀尖半徑約為100μm。單晶金剛石立銑刀的刀頭形狀，當(dāng)?shù)毒呋剞D(zhuǎn)時(shí)，金剛石刀片形成一個(gè)45°圓錐的切削面。凹形（內(nèi)）表面的微細(xì)切削時(shí)，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如鉆孔用麻花鉆可加工小至50μm的孔，更小的孔則無(wú)麻花鉆商品，可采用扁鉆。微細(xì)加工中俯—個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是刀具安裝后的姿態(tài)及其與主軸軸線的同軸度是否與坐標(biāo)系一致，否則很難保證微小的切除量。為此可在同一臺(tái)機(jī)床上制作刀具后進(jìn)行加工，使刀具的制作和微細(xì)加工采用同一工作條件，避免裝夾的誤差。如果在機(jī)床上采用線放電磨削制作銑刀，可以用它銑出50μm寬的槽。

（2）微細(xì)電加工工藝微型軸和異形截面桿的加工可采用線放電磨削法（WEDG）加工。它的獨(dú)特的放電回路使放能僅為一般電火花加工的1/100。如需獲得更為光滑的表面，則可以在WEDG加工后，再采用線電化磨削法（WECG），它是用去離子水在低電流下去除極薄的表面層。微細(xì)電火花加工（MEDM）所用的機(jī)床如日本松下電氣產(chǎn)業(yè)公司的MG-ED71，它的定位控制的分辯率為0.1μm，最小加工孔徑達(dá)5μm，表面粗糙度達(dá)0.1μm。加工節(jié)徑300μm、厚100μm的9齒不銹鋼齒輪時(shí)，先用φ24μm的電極連續(xù)打孔加工出粗輪廓，再用φ31mm電極按齒形曲線掃描出輪廓，精度達(dá)±3μm。也可用它加工微型階梯軸，最小直徑為30μm，加工的鍵槽截面為10μm×10μm。加工微小零件的電極應(yīng)在同一臺(tái)電加工機(jī)床上制作，否則由于電極的連接和安裝誤差很難加工出小于直徑100μm微型孔。如在微細(xì)電火花機(jī)床上加工電極或超聲加工工具，就可加工出5～10μm微型孔。微細(xì)電加工與微細(xì)機(jī)械加工相比雖材料切除率較低，但加工尺寸能更細(xì)小，孔的長(zhǎng)徑比更大可達(dá)5～10，尤其對(duì)于微細(xì)的復(fù)雜凹形內(nèi)腔加工更有其優(yōu)越性。三激光加工的發(fā)展前景

激光加工用于再制造業(yè)和應(yīng)用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，并優(yōu)于其它加工技術(shù)。激光加工用于再制造業(yè)是由相變硬化發(fā)展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂層發(fā)展到復(fù)合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術(shù)成為再制造的一項(xiàng)重要手段。它主要是采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系統(tǒng)。與國(guó)際上激光加工系統(tǒng)相比，我國(guó)的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的4%左右。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒(méi)有；主力激光器不過(guò)關(guān)；微細(xì)激光加工裝備缺口較大；而這些領(lǐng)域我國(guó)的生產(chǎn)加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進(jìn)入，國(guó)內(nèi)應(yīng)用市場(chǎng)有很大發(fā)展空間。預(yù)測(cè)今后2-3年內(nèi)，我國(guó)激光加工銷售額將會(huì)由2008年的35億人民幣上升翻一倍，也就是說(shuō)會(huì)達(dá)到70億元產(chǎn)值。國(guó)內(nèi)各類制造業(yè)接受了激光加工技術(shù)，它可使他們的產(chǎn)品增加技術(shù)含量，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和