1激光加工技术的应用与发展激光加工技术的应用与发展摘要：激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过 程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。 用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光 能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种 材料的加工制造方面起着无可替代的作用。关键词：加工原理、发展前景、强化处理、微细加工、发展前景。一 激光加工的原理及其特点1. 激光加工的原理激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材 料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的 表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围 较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此 激光加工可应用到不同层面和范围上。 激光加工的特点激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势： 由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调， 因此可以实现多种加工的目的。 它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及 高熔点的材料。 激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。 激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工， 对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小， 后续加工量小。 它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合， 对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。 使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。例如：美国通 用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到 4H 即可高质量 完成，而原来采用电火花加工则需要 9H 以上。仅此一项，每台发动机的造价 可省 5 万美元。激光切割钢件工效可提高 8-20 倍，材料可节省 15-30%，大 幅度降低了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。虽然激光加工拥 有许多优点，但不足之处也是很明显的。二 激光技术2用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。 激光加工有许多优点：激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔 化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光 加工；激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；工件不受应力， 不易污染；可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；激光束的发 散角可小于 1 毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同 时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精 密微细加工,又适于大型材料加工；激光束容易控制,易于与精密机械、精密测 量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度； 在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。激光打孔 采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为 0.11 毫秒,特别适于打微孔和异 形孔,孔径约为 0.0051 毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金 刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。激光切割、划片与刻字 在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续 CO2 激光器对大 工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的 切割常用中、小功率固体激光器或 CO2 激光器。在微电子学中，常用激光切划 硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标 记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。3激光微调 采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数 （如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。激光微调精度高、速度快，适于 大规模生产。利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路 存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节。激光焊接 激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及 熔点很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿 命长，而且体积小。激光热处理 用激光照射材料，选择适当的波长和控制照 射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激 光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件 变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如， 气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击所引起损4伤的硅材料。强化处理 激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过 程，在金属材料激光表面强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材 料的表面相变强化，当激光束能连密度处于高端时，工件表面光斑出相当与一 个移动的坩埚，可完成一系列的 冶金过程，包括表面重熔、表层增碳、表层合 金化和表层熔覆。这些功能在实际应用中引发的材料替代技术，将给制造业带 来巨大的经济效益。而在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理，熔化处理是金属材料表面在 激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。根据材料表面 组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速 冷凝，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。它具有以下优点：1.表面熔化时一般不添加任何金属元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。2.在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂志 有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。3.其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可不 再进行后续磨光而直接使用。4.提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚 稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传 统方法得不到的优良性能。光束可以通过光路导向，因而可以处理零件特殊位置和形状复杂的表面。综合激光技术的优点及以被广泛应用的技术的缺点，把激光技术应用于刀 具材料表面强化处理，将是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一，尤5其对于陶瓷、硬质合金刀具这种高硬度、耐热性好等优点，有利于提高加工效 率和加工精度，并能对难加工材料如淬火钢在不利的加工条件下进行切削加工。 由于它们强度相对较低，韧性较差，严重地限制了它们的应用范围，因此把激 光表面强化技术应用于陶瓷、硬质合金刀具具有深刻的研究意义和广阔的应用 前景。微细加工 选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦 系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的 “光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可利用其光阱的 “力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。例如，高精密光栅的刻制；通 过 CAD/CAM 软件进行仿真图案（或文字）和控制，实现高保真打标；利用光 阱的“束缚力” ，对生物细胞执行移动操作（生物光镊） 。 微细加工工艺。（l）微细机械加工工艺凸形（外）表面的微细切削大多采用单晶金刚石车刀或铣刀。刀尖半径约 为 100m。单晶金刚石立铣刀的刀头形状，当刀具回转时，金刚石刀片形成一 个 45圆锥的切削面。凹形（内）表面的微细切削时，最小的可加工尺寸受刀 具尺寸的限制，如钻孔用麻花钻可加工小至 50m 的孔，更小的孔则无麻花钻 商品，可采用扁钻。微细加工中俯个关键问题是刀具安装后的姿态及其与主轴轴线的同轴度 是否与坐标系一致，否则很难保证微小的切除量。为此可在同一台机床上制作 刀具后进行加工，使刀具的制作和微细加工采用同一工作条件，避免装夹的误 差。如果在机床上采用线放电磨削制作铣刀，可以用它铣出 50m 宽的槽。（2）微细电加工工艺 微型轴和异形截面杆的加工可采用线放电磨削法（WEDG）加工。它的独 特的放电回路使放能仅为一般电火花加工的 1/100。如需获得更为光滑的表面， 则可以在 WEDG 加工后，再采用线电化磨削法（WECG） ，它是用去离子水在 低电流下去除极薄的表面层。微细电火花加工（MEDM）所用的机床如日本松 下电气产业公司的 MG-ED71，它的定位控制的分辩率为 0.1m，最小加工孔径 达 5m，表面粗糙度达 0.1m。加工节径 300m、厚 100m 的 9 齿不锈钢齿轮 时，先用 24m 的电极连续打孔加工出粗轮廓，再用 31mm 电极按齿形曲线 扫描出轮廓，精度达3m。也可用它加工微型阶梯轴，最小直径为 30m，加 工的键槽截面为 10m10m。加工微小零件的电极应在同一台电加工机床上制作，否则由于电极的连接 和安装误差很难加工出小于直径 100m 微型孔。如在微细电火花机床上加工电 极或超声加工工具，就可加工出 510m 微型孔。微细电加工与微细机械加工 相比虽材料切除率较低，但加工尺寸能更细小，孔的长径比更大可达 510， 尤其对于微细的复杂凹形内腔加工更有其优越性。三 激光加工的发展前景6激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点， 并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合 金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光 表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用 5KW10KWCO2 高 功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距 甚大，仅占全球销售额的 4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至 没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生 产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后 2-3 年内，我国激光加工销售额将会由 2008 年的 35 亿人民币上升翻一倍，也就 是说会达到 70 亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们 的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应 21 世纪高新技术的产业化、 满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极 研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应 微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。 参考文献：【1】张辽远，现代加工技术。北京：机械工业出版社，2008.7【2】宋威廉，激光加工技术的发展。北京：机械工业出版社，2008.3【3】曾智江 朱三根，微细技工技术的研究。北京：高等教育出版社，2007.12【4】孟永刚，激光加工技术。北京：国防工业出版社，2008.01