激光束加工技术Word格式.docx

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热加工具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程.冷加工具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。

这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用

2.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：

①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。

②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。

③激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。

④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。

⑤它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。

⑥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。

⑦使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。

例如：

①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。

②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

激光加工有许多优点：

①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；

②激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；

③工件不受应力，不易污染；

④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；

⑤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；

⑥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；

⑦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0.1～1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005～1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。

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。

5.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

（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100μm。

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50μm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50μm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0.1μm，最小加工孔径达5μm，表面粗糙度达0.1μm。

加工节径300μm、厚100μm的9齿不锈钢齿轮时，先用φ24μm的电极连续打孔加工出粗轮廓，再用φ31mm电极按齿形曲线扫描出轮廓，精度达±

3μm。

也可用它加工微型阶梯轴，最小直径为30μm，加工的键槽截面为10μm×

10μm。

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100μm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5～10μm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5～10，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、现状及前景

1.激光加工的发展

激光加工是一门发展极快的新技术，已成为发展新兴产业，改造传统制造业的关键技术设备之一。

各种激光（标记、焊接、微调、打孔、切割、划线、热处理等）系统、设备，已经或正在进入各工业领域，诸如电子、轻工、包装、礼品、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等，为传统工业的技术改造和制造业的现代化提供先进的技术装备。

中国国内存在着巨大的激光加工应用市场，而这个市场因中国加入WTO以来国内正在迅速形成的“全球制造基地”而获得快速增长。

国内外投资者和激光业者正在抢滩这一市场。

因此中国的激光加工技术市场将迅速增长，中国激光加工技术产业化将会加速实现。

国内外从事激光器和激光加工技术系统研发、生产和经营的企业正面临极好机遇和挑战。

国际市场据ILS统计，全球工业激光系统的产值1997年为20.63亿美元，1998年为23.38亿美元，1999年为25.91亿美元，从1997年至1999年全球工业激光系统的产值年增长率一直保持在13％左右。

但2000年全球工业激光系统的产值仅为27.76亿美元（约229亿人民币），其年增长率降为7％左右，开始受到网络经济泡沫，美国和全球范围经济衰退的影响。

2001年的经济衰退使得半导体工业受到重创，相关的半导体加工制造、材料加工、标记和微细加工等行业受到影响，例如用于光刻设备的准分子激光器和用于半导体加工生产测量系统的He-Ne激光器的销售严重下降。

此外，由于电信行业的不景气使光纤光栅生产过剩，导致用于制造光栅的准分子激光器，金属蒸汽激光器或氩离子激光器没有市场。

约占全球工业激光器销售额40％ 

的大功率CO2激光器销售受到打击最大。

在激光加工应用市场范围方面，国内外的区别较大，国外激光加工应用一开始便立足于高科技、高技术行业，如汽车制造工业，半导体工业，航空航天工业等，例如上世纪九十年代中期，美国、日本的激光加工应用已主要集中在电子、半导体、汽车工业领域，所占份额约为本国激光加工设备的25-30%。

国内市场中国国内工业激光市场的起步晚于发达国家20年左右，可以说中国的激光产业在1995年前后才刚刚起步，而在当时，国外发达国家的工业激光系统已得到广泛的应用。

国内工业激光加工设备的销售台数和销售额自1995年才开始有较大的增长，在1995年至1996年，1999年至2000年至2001年呈现高峰，有成倍增长。

但因起点低，至1999年的产值仅为1亿6千万元，至2000年达到3亿4千万元，比1999年增长112%，增长较快的原因是电池激光封焊和电子元器件，小五金的激光标记市场采用了大量的YAG激光焊接机和激光标记机。

2001年国内工业激光加工系统的产值为6亿3千万元，比2000年增长86%，2002年为10亿3千万元，比2001年又增长65%，其主要原因除激光标记和电池封焊获得持续增长外，国产激光切割、熔敷系统应用的增长较大。

2002年我国激光打标机市场销售额达到5.029亿元,比2001年增长75.7%，激光切割机市场销售额达到2.417亿元，比2001年增长75.6%，激光加工机市场销售额增长幅度最大，达到9746万元，比2001年增长550.5%，激光焊接机市场销售额达到8655.7万元，比2001年增长19.9%，激光快速成型机市场销售额达到4750万元，比2001年增长90.2%。

此外，微调机、划片机市场销售额也有不同程度增长。

激光热处理机市场销售额2002年出现下降，由2001年的7370万元减至1148万元,下跌了84.4%，减少了6222万元之多。

国内工业激光设备企业和研制生产概况自上世纪90年代开始，随着市场经济快速发展，国内出现了许多从事研制、生产和经营激光器和激光加工设备的公司。

按现代企业制度建立的这些新兴公司（企业），经营理念完全定位于市场经济，在市场中找生机，发挥企业优势，择优而用，满足用户要求,通过融资，壮大财力,吸纳海内外技术优势，通过各种渠道，形成自家的技术优势和服务于用户的产品优势。

2.激光加工的应用现状

激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出20多种激光加工技术。

激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。

激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

目前已成熟的激光加工技术包括：

激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。

这里将简单介绍三种加工技术：

切割、焊接与打标。

（1）激光切割

激光切割时，激光头喷嘴离工件的距离变化和入焦量对切口质量有重要影响，喷嘴离工件太远将使切缝加宽，粗糙度提高，距离太近喷嘴很容易与工件发生碰撞。

距离控制在离工件0.5-0.8mm之间,切割后的表面质量较好。

入焦量约1mm，可保证切口平整，获得良好的表面加工质量。

切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。

钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。

切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。

进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。

大多数有机与无机材料都

可以用激光切割。

在工业制造系统占有份量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它是什么样的硬度，都可以进行无变形切割。

当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。

激光切割可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

（2）激光焊接

激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。

激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。

激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使材料熔化而不使其汽化，在冷却后成为一块连续的固体结构。

随着我国工业经济的发展，特别是家电、汽车、计算机、通讯、医疗、航天等众多领域大量使用塑料材料，而且原先许多传统使用金属的零部件（汽车进气管、油箱、过滤器、医学上使用的流体输送系统等）也开始逐渐被塑料所代替，这些领域所使用的塑料材料不仅要求数量大，而且使用种类多，科技含量高，是塑料制品加工业中能获得高经济效益的最佳领域。

因此，在塑料制品的加工过程中人们渴望一种更加快速、有效、干净的塑料焊接方式。

由于材料和设备方面的进步，使激光焊接技术作为一种连接塑料制品的专门方法得到了生产厂家的认可，主要用于连接敏感性塑料制品（含有线路板）、具有复杂几何形状的塑料件以及有严格洁净要求的塑料制品（医药设备）等等。

激光焊接塑料的基本原理是，两种塑料在低压力下被夹紧在一起，激光穿过一个制品，然后被另外一个制品吸收，吸收激光能量的制品将光能转化为热能，在塑料的接触面熔化，形成一个焊接区。

绝大多数本色的塑料和许多有色的半透明塑料都能被激光焊接，例如聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚苯烯（PP）等材料。

（3）激光打标

光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。

激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。

全固体紫外波段激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。

3.激光加工的发展前景

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5KW~10KWCO2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。

（1）数控化和多功能化

把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，并把多种加工功能基于一台机床上，如楚天集团生产的JHM-IGY-400/500B多功能激光加工机。

整机由激光器、激光电源、光学系统、三/四轴联动工作台、CNC控制系统、CCD监控系统、制冷系统、光纤传输系统、He-Ne激光指示系统和密闭气室装置等组成，具有焊接、切割、打孔和简单标记等多种功能，已成为激光加工发展的一个重要趋势。

（2）高频度和高可靠性

目前，国外YAG激光器的重复频度已达2000次/秒，二极管阵列泵浦的YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1～2万小时。

国内虽然达不到这种水平，但也朝着这一方向努力。

参考文献

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