激光加工技术的基本情况.docx

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激光加工技术的基本情况

激光加工技术的基本情况

激光加工技术

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

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（如图1.1）。

激光加工的特点：

激光具有的强度高、单色性好、相干性好、方向性好的特性决定了激光在加工领域存在的优势：

　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可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工熔点高、硬度大和质脆的材料（如陶瓷、金刚石等）；

　　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

7、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。

8.它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。

9.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。

10.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

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：

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、划片与打标

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。

CO2激光切割机的整个系统由控制系统、运动系统、光学系统、水冷系统、排烟和吹气保护系统等组成，采用最先进的数控模式实现多轴联动及激光不受速度影响的等能量切割，同时支持DXP、PLT、CNC等图形格式并强化界面图形绘制处理能力；采用性能优越的进口伺服电机和传动导向结构实现在高速状态下良好的运动精度。

激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。

在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率，一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。

每一个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面溅射出一个细小的孔，在计算机控制下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，这样就会把物体加工成想要的形状。

切割时,一股与光束同轴气流由切割头喷出，将熔化或气化的材料由切口的底部吹出（注：

如果吹出的气体和被切割材料产生热效反应,则此反应将提供切割所需的附加能源；气流还有冷却已切割面，减少热影响区和保证聚焦镜不受污染的作用）。

与传统的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割质量（切口宽度窄、热影响区小、切口光洁）、高的切割速度、高的柔性（可随意切割任意形状）、广泛的材料适应性等优点。

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。

激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。

聚焦后的极细的激光光束如同刀具，可将物体表面材料逐点去除，其先进性在于标记过程为非接触性加工，不产生机械挤压或机械应力，因此不会损坏被加工物品；由于激光聚焦后的尺寸很小，热影响区域小，加工精细，因此，可以完成一些常规方法无法实现的工艺。

激光加工使用的“刀具”是聚焦后的光点，不需要额外增添其它设备和材料，只要激光器能正常工作，就可以长时间连续加工。

激光加工速度快，成本低廉。

激光加工由计算机自动控制，生产时不需人为干预。

激光能标记何种信息，仅与计算机里设计的内容相关，只要计算机里设计出的图稿打标系统能够识别，那么打标机就可以将设计信息精确的还原在合适的载体上。

因此软件的功能实际上很大程度上决定了系统的功能。

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　

激光焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件焊接中。

高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。

获得了以小孔效应为理论基础的深熔接，在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。

与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：

激光焊接速度快、深度大、变形小。

能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。

例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：

1，最高可达10：

1。

可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。

便如，将铜和钽两种性质截然不同的材料焊接在一起，合格率几乎达百分之百。

也可进行微型焊接。

激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中，例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等由于采用了激光焊，不仅生产效率大、高，且热影响区小，焊点无污染，大大提高了焊接的质量。

可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。

在YAG激光技术中采用光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。

激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。

激光热处理技术（激光相变硬化、激光淬火）

激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对金属实现相变硬化（或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性处理，产生用其大表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。

经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上,从而提高起抗磨性,抗疲劳,耐腐蚀,抗氧化等性能,延长其使用寿命.激光热处理技术与其它热处理如高频淬火,渗碳,渗氮等传统工艺相比,具有以下特点:

1.无需使用外加材料,仅改变被处理材料表面的组织结构.处理后的改性层具有足够的厚度,可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm.2.处理层和基体结合强度高.激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合,而且处理层表面是致密的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性.3.被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-2-10秒），故零件的热变形区和整体变化都很小。

故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。

4．加工柔性好，适用面广。

利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。

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。

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）。

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。

参考文献：

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