基于特種加工的激光加工技術(shù)

1、基于特種加工的激光加工技術(shù)王青青前言1. 特種加工的產(chǎn)生背景五十年代以來，由于機械工業(yè)、電子工業(yè)、航空航天工業(yè)和化學(xué)工業(yè)等的迅猛發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，許多產(chǎn)品要求具備很高的強度重量比和性能價格比，有些產(chǎn)品則需要在高溫、高壓高速、重載荷或腐蝕環(huán)境下長期而可靠地進行工作。為了適應(yīng)這一要求，各種新結(jié)構(gòu)、新材料和復(fù)雜形狀的精密零部件大量涌現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)形狀愈來愈復(fù)雜，材料性能愈來愈強韌，精度要求愈來愈高，表面完整性愈來愈嚴(yán)格，這就使機械制造面臨一系列嚴(yán)峻的任務(wù)：（1）. 難切削材料的加工 如硬質(zhì)合金、高溫合金、鈦合金、耐熱不銹鋼、淬火工具鋼、聚晶精鋼石、寶石、陶瓷、玻璃、硅、鍺等高硬度、高強度、高韌性

2、、高脆性、高熔點、高純度的導(dǎo)體、非導(dǎo)體和半導(dǎo)體等的加工。（2）復(fù)雜型面的加工 如渦輪葉片、型腔模等零件上的立體型面、噴絲頭、花鍵等的零件上的型孔、小孔或窄縫。（3）精密表面的加工 如航空陀螺、高壓液壓活門、精密光學(xué)透鏡等零件上的精細(xì)表面尺寸精度達(dá)0.1微米，表面粗糙度Ra 達(dá)0.01微米。（4）特殊零件的加工 如薄壁零件、彈性元件等低剛度零件。上述情況，用傳統(tǒng)的切削加工方法難以達(dá)到經(jīng)濟性的要求。在生產(chǎn)的迫切需要下，人們通過各種渠道、借助于多種能量形式，探尋新的工藝途徑，于是各種區(qū)別于傳統(tǒng)切削方法的新型的特種加工方法先后應(yīng)運而生。2. 特種加工的發(fā)展趨勢目前，國際上對特種加工技術(shù)的研究主要表現(xiàn)在

3、以下幾個方面：（1）微細(xì)化。目前，國際上對微細(xì)電火花加工、微細(xì)超聲波加工、微細(xì)激光加工、微細(xì)電化學(xué)加工等的研究方興未艾，特種微細(xì)加工技術(shù)有望成為三維實體微細(xì)加工的主流技術(shù)。（2）特種加工的應(yīng)用領(lǐng)域正在拓寬。例如，非導(dǎo)電材料的電火花加工，電火花、激光、電子束表面改性等。（3）廣泛采用自動化技術(shù)。充分利用計算機技術(shù)對特種加工設(shè)備的控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)進行優(yōu)化，建立綜合參數(shù)自適應(yīng)控制裝置、數(shù)據(jù)庫等，進而建立特種加工的CAD/CAM和FMS 系統(tǒng)，這是當(dāng)前特種加工技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。（4）用簡單工具電極加工復(fù)雜的三維曲面是電解加工和電火花加工的發(fā)展方向。 我國的特種加工技術(shù)起步較早。20世紀(jì)50年代中期

4、，我國工廠已設(shè)計并研制出電火花穿孔機床。60年代末，上海電表廠張維良工程師在陽極-機械切割的基礎(chǔ)上發(fā)明了我國獨創(chuàng)的高速走絲線切割機床，上海復(fù)旦大學(xué)研制出電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)，從此，電火花線切割加工技術(shù)在我國迅猛發(fā)展并遍地開花。1979年，我國成立了全國性的電加工學(xué)會。2006年，我國電火花穿孔成型機床年產(chǎn)量大于3000臺；電火花數(shù)控線切割機床年產(chǎn)量大于40000臺；電加工機床生產(chǎn)企業(yè)由最初的50家增至200家以上。至此，我國電加工的機床總擁有量也躍居世界的前列。但是，由于我國原有的工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，特種加工設(shè)備和整體技術(shù)水平與國際先進水平有不少差距，因此，每年還需從國外進口300臺以上高檔電加工機

5、床。我國大量生產(chǎn)的電加工機床往往是技術(shù)含量較低，售價和利潤也較低的勞動力密集型的產(chǎn)品。這些都有待于我們?nèi)ヅs超，是我國從制造大國發(fā)展成制造強國。3. 特種加工的應(yīng)用范圍特種加工技術(shù)在國際上被稱為21世紀(jì)的技術(shù)，對新型武器裝備的研制和生產(chǎn)，起到舉足輕重的作用。隨著新型武器裝備的發(fā)展，國內(nèi)外對特種加工技術(shù)的需求日益迫切。不論飛機、導(dǎo)彈，還是其它作戰(zhàn)平臺都要求降低結(jié)構(gòu)重量，提高飛行速度，增大航程，降低燃油消耗，達(dá)到戰(zhàn)技性能高、結(jié)構(gòu)壽命長、經(jīng)濟可承受性好。為此，上述武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)平臺都要求采用整體結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、先進冷卻結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)，以及鈦合金、復(fù)合材料、粉末材料、金屬間化合物等新材料。為此，需

6、要采用特種加工技術(shù)，以解決武器裝備制造中用常規(guī)加工方法無法實現(xiàn)的加工難題，所以特種加工技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是：難加工材料，如鈦合金、耐熱不銹鋼、高強鋼、復(fù)合材料、工程陶瓷、金剛石、紅寶石、硬化玻璃等高硬度、高韌性、高強度、高熔點材料。難加工零件，如復(fù)雜零件三維型腔、型孔、群孔和窄縫等的加工。低剛度零件，如薄壁零件、彈性元件等零件的加工。以高能量密度束流實現(xiàn)焊接、切割、制孔、噴涂、表面改性、刻蝕和精細(xì)加工。激光加工技術(shù)激光加工20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的。它擴展了光為人類服務(wù)的領(lǐng)域，加深了人類對光的認(rèn)識。激光加工再制造業(yè)同樣有其不可替代的地位。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

7、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)成為再制造的一項重要手段。它主要是采用高功率激光器及其系統(tǒng)。但目前我國激光在此領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)尚不成熟。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)少；主力激光器不過關(guān)；微細(xì)激光加工裝備缺口較大；而這些領(lǐng)域我國的生產(chǎn)加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進入，國內(nèi)應(yīng)用市場有很大發(fā)展空間。國內(nèi)各類制造業(yè)接受了激光加工技術(shù)，使他們的產(chǎn)品加快產(chǎn)品更新的速度。1. 激光加工的原理激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）的原理進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一種加工新技術(shù)，涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學(xué)科。由于激光加工

8、熱影響區(qū)域小，光束方向性好，其幾乎可以加工任何材料。常用來進行選擇性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特點，其發(fā)展前景廣闊，已廣泛應(yīng)用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、切削加工，快速成形，激光鉆孔和基板劃片，半導(dǎo)體處理等。激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會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、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。目前，公認(rèn)的激光加工原理是兩種：分別為激光熱加工和光化學(xué)加工(又稱冷

9、加工 。激光熱加工指當(dāng)激光束照射到物體表面時，引起快速加熱，熱力把對象的特性改變或把物料熔解蒸發(fā)。熱加工具有較高能量密的激光束（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，在照射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生熱激發(fā)過程，從 而 使材料表面（或涂層）溫度上升，產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象光化學(xué)加工指當(dāng)激光束加于物體時，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程冷加工具有很高 負(fù) 荷 能 量 的（ 紫 外 ）光 子，能 夠 打 斷 材 料（特 別 是 有 機 材 料）或 周 圍 介 質(zhì) 內(nèi) 的 化 學(xué) 鍵 ，至使材料發(fā)生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標(biāo)記加工中具有特殊的意義，因為它不是熱燒

10、蝕，而是不產(chǎn)生“熱損傷”副作用的、打斷化學(xué)鍵的冷剝離，因而對被加工表面的里層和附近區(qū)域不產(chǎn)生加熱或熱變形等作用。2. 激光加工的歷史發(fā)展激光加工是一門發(fā)展極快的新技術(shù)，已成為發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，改造傳統(tǒng)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè) 備 之 一 。各 種 激 光（標(biāo) 記、焊 接、微 調(diào)、打 孔、切 割 、劃 線、熱 處 理 等 ）系 統(tǒng) 、設(shè) 備 ， 已經(jīng)或正在進入各工業(yè)領(lǐng)域，諸如電子、輕工、包裝、禮品、小五金工業(yè)、醫(yī)療器械、汽車、機械制造、鋼鐵、冶金、石油等，為傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造和制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進的技術(shù)裝備。中國國內(nèi)存在著巨大的激光加工應(yīng)用市場，而這個市場因中國加入W TO 以來國內(nèi)正在迅速形成的“全球

11、制造基地”而獲得快速增長。國內(nèi)外投資者和激光業(yè)者正在搶灘這一市場。因此中國的激光加工技術(shù)市場將迅速增長，中國激光加工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化將會加速實現(xiàn)。國內(nèi)外從事激光器和激光加工技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)和經(jīng)營的企業(yè)正面臨極好機遇和挑戰(zhàn)。國際市場據(jù)ILS 統(tǒng)計，全球工業(yè)激光系統(tǒng)的產(chǎn)值1997年為20.63億美元，1998年為23.38億美元，1999年為25.91億美元，從1997年至1999年全球工業(yè)激光系統(tǒng)的產(chǎn)值年增長率一直保持在13左右。但2000年全球工業(yè)激光系統(tǒng)的產(chǎn)值僅為27.76億美元(約229億人民幣 ，其年增長率降為7左右，開始受到網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟泡沫，美國和全球范圍經(jīng)濟衰退的影響。2001年的經(jīng)濟衰退使

12、得半導(dǎo)體工業(yè)受到重創(chuàng)，相關(guān)的半導(dǎo)體加工制造、材料加工、標(biāo)記和微細(xì)加工等行業(yè)受到影響，例如用于光刻設(shè)備的準(zhǔn)分子激光器和用于半導(dǎo)體加工生產(chǎn)測量系統(tǒng)的 H e Ne 激光器的銷售嚴(yán)重下降。此外，由于電信行業(yè)的不景氣使光纖光柵生產(chǎn)過剩，導(dǎo)致用于制造光柵的準(zhǔn)分子激光器，金屬蒸汽激光器或氬離子激光器沒有市場。約占全球工業(yè)激光器銷售額40的大功率C O 2 激光器銷售受到打擊最大。在激光加工應(yīng)用市場范圍方面，國內(nèi)外的區(qū)別較大，國外激光加工應(yīng)用一開始便立足于高科技、高技術(shù)行業(yè)，如汽車制造工業(yè)，半導(dǎo)體工業(yè)，航空航天工業(yè)等，例如上世紀(jì)九十年代中期，美國、日本的激光加工應(yīng)用已主要集中在電子、半導(dǎo)體、汽車工業(yè)領(lǐng)域，所

13、占份額約為本國激光加工設(shè)備的25-30%。國內(nèi)市場中國國內(nèi)工業(yè)激光市場的起步晚于發(fā)達(dá)國家20年左右，可以說中國的激光產(chǎn)業(yè)在1995年前后才剛剛起步，而在當(dāng)時，國外發(fā)達(dá)國家的工業(yè)激光系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)工業(yè)激光加工設(shè)備的銷售臺數(shù)和銷售額自1995年才開始有較大的增長，在1995年至1996年，1999年至2000年至2001年呈現(xiàn)高峰，有成倍增長。但因起點低，至1999年的產(chǎn)值僅為1億6千萬元，至2000年達(dá)到3億4千萬元，比1999年增長112%，增長較快的原因是電池激光封焊和電子元器件，小五金的激光標(biāo)記市場采用了大量的YAG 激光焊接機和激光標(biāo)記機。2001年國內(nèi)工業(yè)激光加工系統(tǒng)的產(chǎn)值

14、為6億3千萬元，比2000年增長86%，2002年為10億3千萬元，比2001年又增長65%，其主要原因除激光標(biāo)記和電池封焊獲得持續(xù)增長外，國產(chǎn)激光切割、熔敷系統(tǒng)應(yīng)用的增長較大。2002年我國激光打標(biāo)機市場銷售額達(dá)到5.029億元, 比2001年增長75.7%，激光切割機市場銷售額達(dá)到2.417億元，比2001年增長75.6%，激光加工機市場銷售額增長幅度最大，達(dá)到9746萬元，比2001年增長550.5%，激光焊接市場銷售額達(dá)到8655.7萬元，比2001年增長19.9%，激光快速成型機市場銷售額達(dá)到4750萬元，比2001年增長90.2%。此外，微調(diào)機、劃片機市場銷售額也有不同程度增長。激

15、光熱處理機市場銷售額2002年出現(xiàn)下降，由2001年的7370萬元減至1148萬元, 下跌了84.4%，減少了6222萬元之多。國內(nèi)工業(yè)激光設(shè)備企業(yè)研制生產(chǎn)概況自上世紀(jì)90年代開始，隨著市場經(jīng)濟快速發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了許多從事研制、生產(chǎn)和經(jīng)營激光激光加工設(shè)備的公司。按現(xiàn)代企業(yè)制度建立的這些新興公司（企業(yè)），經(jīng)營理念完全定位于市場經(jīng)濟，在市場中找生機，發(fā)揮企業(yè)優(yōu)勢，擇優(yōu)而用，滿足用戶要求, 通過融資，壯大財力, 吸納海內(nèi)外技術(shù)優(yōu)勢，通過各種渠道，形成自家的技術(shù)優(yōu)勢和服務(wù)于用戶的產(chǎn)品優(yōu)勢。3. 激光加工的應(yīng)用現(xiàn)狀激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，現(xiàn)在已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和

16、時間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實行適時生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光切割技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光快速成形技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)。這里將簡單介紹三種加工技術(shù)：切割、焊接與打標(biāo)。（1）激光切割 激光切割時，激光頭噴嘴離工件的距離變化和入焦量對切口質(zhì)量有重要影響，噴嘴離工件太遠(yuǎn)將使

17、切縫加寬，粗糙度提高，距離太近噴嘴很容易與工件發(fā)生碰撞。距離控制在離工件0.5-0.8mm 之間切割后的表面質(zhì)量較好。入焦量約1mm ，可保證切口平整，獲得良好的表面加工質(zhì)量。切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產(chǎn)生放熱化學(xué)反應(yīng)氧化材料，同時幫助吹走割縫內(nèi)的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料切割使用惰性汽體。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內(nèi)污染鏡片并導(dǎo)致鏡片過熱。大多數(shù)有機與無機材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料， 不管它是什么 樣 的 硬 度，都 可 以 進 行 無

18、 變 形 切 割。當(dāng)然，對 高 反 射 率 材 料，如 金、銀、銅 和鋁合金 它 ， 們是好的傳熱導(dǎo)體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。激光切割可大大減少 加工時間，降低加工成本，提高工件質(zhì)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(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。 （2）激光焊接 激光焊接技術(shù)具有溶池凈化效應(yīng)，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(dǎo)熱率和物理特性 相差很大的金屬焊接特別有利。激光焊接，用比切割金屬時功率較小的激光束，使 材 料 熔 化 而 不 使 其 汽 化 ， 在冷卻后成為一

19、塊連續(xù)的固體結(jié)構(gòu)。隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，特別 是家電、汽車、計算機、通訊、醫(yī)療、航天等眾多領(lǐng)域大量使用塑料材料，而且原先許多傳 統(tǒng)使用金屬的零部件(汽車進氣管、油箱、過濾器、醫(yī)學(xué)上使用的流體輸送系統(tǒng)等也開始逐 漸被塑料所代替，這些領(lǐng)域所使用的塑料材料不僅要求數(shù)量大，而且使用種類多，科技含量 高，是塑料制品加工業(yè)中能獲得高經(jīng)濟效益的最佳領(lǐng)域。因此，在塑料制品的加工過程中 人們渴望一種更加快速、有效、干凈的塑料焊接方式。由于材料和設(shè)備方面的進步，使激 光焊接技術(shù)作為一種連接塑料制品的專門方法得到了生產(chǎn)廠家的認(rèn)可， 主要用于連接敏感性 塑料制品( 含有線路板 、 幾何形狀的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求

20、的塑料制品(醫(yī)藥設(shè)備等 等。激光焊接塑料的基本原理是，兩種塑料在低壓力下被夾緊在一起，激光穿過一個制品， 然后被另外一個制品吸收， 吸收激光能量的制品將光能轉(zhuǎn)化為熱能， 塑 料 的 接 觸 面 熔 在 化 ， 形成一個焊接區(qū)。絕大多數(shù)本色的塑料和許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）激光打標(biāo) 激光光打標(biāo)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(xué)反應(yīng)， 從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。 激光打標(biāo)可以打出各 種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。 全固體紫外波段激光打標(biāo)是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)， 特別適用于金屬打標(biāo)， 可實現(xiàn)亞 微米打標(biāo)，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。 4.激光加工的發(fā)展前景 （1）數(shù)控化和多功能化 把激光器與計算機數(shù)控技術(shù)、 先進的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結(jié)合， 形成研制和生產(chǎn)加工中心，并 把 多 種 加 工 功 能 基 于 一 臺 機 床 上 ， 如楚天集團生產(chǎn)的 JHM-IGY-400/500B 多功能激光加工機。整機由激光器、激光電源、光學(xué)系統(tǒng)、三/四軸聯(lián) 動工作臺、CNC 控制系統(tǒng)、CCD 監(jiān)控系統(tǒng)、制冷系