激光加工技術(shù)簡要介紹

1、題 目激光加工技術(shù)簡要介紹專 業(yè) 飛行器設(shè)計與工程學(xué)號1121820134學(xué)生 劉聞激光加工技術(shù)簡要介紹航天學(xué)院1218201劉聞1121820134摘要：激光加工（Laser Beam Machining,簡稱LBM ）是指利用能量密度非常 高的激光束對工件進行加工的過程。激光幾乎能加工所有材料，例如，塑料、陶 瓷、玻璃、金屬、半導(dǎo)體材料、復(fù)合材料及生物、醫(yī)用材料等。關(guān)鍵字：激光加工原理現(xiàn)狀應(yīng)用發(fā)展趨勢一、激光加工原理激光加工利用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化氣化而進行穿孔、 切割和焊接等的特種加工。早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微 型焊接。到20世紀70年代，隨著大功

2、率二氧化碳激光器、氣體激光器加工原理 高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對激光加工機理和工藝的深入研究， 激光加工技術(shù)有了很大進展，使用范圍隨之擴大。數(shù)千瓦的激光加工機已用于各 種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設(shè)備競 相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計算機數(shù)字控制、工業(yè)機器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高 了激光加工機的自動化水平和使用功能。固體激光器加工原理從激光器輸出的高 強度激光經(jīng)過透鏡聚焦到工件上，其焦點處的功率密度高達10（10（瓦/厘米（， 溫度高達1萬攝氏度以上，任何材料都會瞬時熔化、氣化。激光加工就是利用這 種光能的熱效應(yīng)對材料進行焊接、打孔和切割等加工的。通

3、常用于加工的激光器 主要是固體激光器和氣體激光器。二、發(fā)展現(xiàn)狀激光技術(shù)與原子能、半導(dǎo)體及計算機一起，是二十世紀最負盛名的四項重大 發(fā)明。激光作為上世紀發(fā)明的新光源，它具有方向性好、亮度高、單色性好及高能 量密度等特點，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、通訊、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、文 化教育以及科研等方面。據(jù)統(tǒng)計，從高端的光纖到常見的條形碼掃描儀，每年與 激光相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)的市場價值高達上萬億美元。我國激光產(chǎn)品主要應(yīng)用于工業(yè) 加工，占據(jù)了 40%以上的市場空間。激光加工作為激光系統(tǒng)最常用的應(yīng)用，主要技術(shù)包括激光焊接、激光切割、 表面改性、激光打標、激光鉆孔、微加工及光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。激光

4、加工設(shè)備就是利用激光加工技術(shù)改造傳統(tǒng)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備之一， 主要產(chǎn)品則包括各類激光打標機、焊接機、切割機、劃片機、雕刻機、熱處理機、 三維成型機以及毛化機等。這類產(chǎn)品已經(jīng)或正在進入各工業(yè)領(lǐng)域。從全球激光產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域來看，材料加工行業(yè)仍是其主要的應(yīng)用市場，占 比為35.2%;通信行業(yè)排名第二，其所占比重為30.6%;另外，數(shù)據(jù)存儲行業(yè)占據(jù) 第三位，其所占比重為12.6%。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，激光加工技術(shù)具有材料浪費少、在規(guī)?；a(chǎn)中成本 效應(yīng)明顯、對加工對象具有很強的適應(yīng)性等優(yōu)勢特點。在歐洲，對高檔汽車車殼 與底座、飛機機翼以及航天器機身等特種材料的焊接，基本采用的是激光技術(shù)。據(jù)中國激光加

5、工設(shè)備制造行業(yè)產(chǎn)銷需求預(yù)測與轉(zhuǎn)型升級分析報告前瞻數(shù) 據(jù)顯示近十年來，隨著工業(yè)激光應(yīng)用市場在不斷擴大，激光加工領(lǐng)域也不斷開拓， 由傳統(tǒng)的鐘表、電池、衣扣等輕工行業(yè)向機械制造業(yè)、汽車制造業(yè)、航空、動力 和能源以及醫(yī)學(xué)和牙科儀器設(shè)備制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域拓展，將有效拉動激光加工設(shè) 備的需求。2011年，全球激光工業(yè)加工設(shè)備銷售額獲得了強勁的兩位數(shù)增長。據(jù)工 業(yè)激光解決方案（ILS）的數(shù)據(jù)顯示，2011年全球激光系統(tǒng)銷售收入70.60億美 元，同比增長16%，其中，激光器銷售收入19.56億美元，同比增長18%。三、發(fā)展應(yīng)用激光是本世紀的重大發(fā)明之一，具有巨大的技術(shù)潛力，專家們認為，電子技 術(shù)的全勝時期，其

6、主角是計算機，下一代將是光技術(shù)時代，其主角是激光。激光 因具有單色性、相干性和平行性三大特點，特別適用于材料加工。激光加工是激 光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，國外已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間 控制性和時間控制性很好，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。激光加工技術(shù)的應(yīng)用已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔 技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、

7、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)。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。激光切割技術(shù)可廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中，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。激光打標技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。準分子激光打標發(fā)展起來的 一項新技術(shù)，特別適用于金屬打標，可實現(xiàn)亞微米打標，已廣泛用于微電子工業(yè) 和生物工程。激光去

8、重平衡技術(shù)是用激光去掉高速旋轉(zhuǎn)部件上不平衡的過重部分，使慣性 軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達到動平衡的過程。激光去重平衡技術(shù)具有測量和去重兩大 功能，可同時進行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領(lǐng)域有廣闊 的應(yīng)用前景。對于高精度轉(zhuǎn)子，激光動平衡可成倍提高平衡精度，其質(zhì)量偏心值 的平衡精度可達1%或千分之幾微米。激光蝕刻技術(shù)比傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)工藝簡單、可大幅度降低生產(chǎn)成本，可 加工0.1251微米寬的線，非常適合于超大規(guī)模集成電路的制造。激光微調(diào)技術(shù)可對指定電阻進行自動精密微調(diào)，精度可達0.01%0.002%， 比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調(diào)包括薄膜電阻（0.010.6 微米厚

9、）與厚膜電阻（2050微米厚）的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)。激光存儲技術(shù)是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計算機信息的一種 技術(shù)，是信息化時代的支撐技術(shù)之一。激光劃線技術(shù)是生產(chǎn)集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，其劃線細、精度高（線寬為15 25微米，槽深為5200微米），加工速度快（可達200毫米/秒），成品率可達99.5% 以上。激光清洗技術(shù)的采用可大大減少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品 率。激光熱、表處理技術(shù)包括：激光相變硬化技術(shù)、激光包覆技術(shù)、激光表面合 金化技術(shù)、激光退火技術(shù)、激光沖擊硬化技術(shù)、激光強化電鍍技術(shù)、激光上釉技 術(shù)，這些技術(shù)對改變材料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有

10、重要作用。激光相變硬化（即激光淬火）是激光熱處理中研究最早、最多、進展最快、應(yīng) 用最廣的一種新工藝，適用于大多數(shù)材料和不同形狀零件的不同部位,可提高零 件的耐磨性和疲勞強度，國外一些工業(yè)部門將該技術(shù)作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的手段。激光包覆技術(shù)是在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用的激光表面改性技術(shù)之一，具有很 好的經(jīng)濟性,可大大提高產(chǎn)品的抗腐蝕性。激光表面合金化技術(shù)是材料表面局部改性處理的新方法，是未來應(yīng)用潛力 最大的表面改性技術(shù)之一，適用于航空、航天、兵器、核工業(yè)、汽車制造業(yè)中需 要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。激光退火技術(shù)是半導(dǎo)體加工的一種新工藝，效果比常規(guī)熱退火好得多。激光 退火后，雜質(zhì)的替位率可達到9

11、8%99%,可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退 火的1/21/3,還可大大提高集成電路的集成度，使電路元件間的間隔縮小到 0.5微米。激光沖擊硬化技術(shù)能改善金屬材料的機械性能，可阻止裂紋的產(chǎn)生和擴展， 提高鋼、鋁、鈦等合金的強度和硬度，改善其抗疲勞性能。激光強化電鍍技術(shù)可提高金屬的沉積速度，速度比無激光照射快1000倍， 對微型開關(guān)、精密儀器零件、微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補具有重 大義意。使用改技術(shù)可使電度層的牢固度提高昂1001000倍。激光上釉技術(shù)對于材料改性很有發(fā)展前途，其成本低，容易控制和復(fù)制， 有利于發(fā)展新材料。激光上釉結(jié)合火焰噴涂、等離子噴涂、離子沉積等技術(shù)，在 控制組織

12、、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應(yīng)用前景。電子材料、電 磁材料和其它電氣材料經(jīng)激光上釉后用于測量儀表極為理想。二、激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢數(shù)控化和綜合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，已成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。小型化和組合化國外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一臺機床上，制成激光 沖床，它兼有激光切割的多功能性和沖壓加工的高速高效的特點，可完成切割復(fù) 雜外形、打孔、打標、劃線等加工。高頻度和高可靠性國外YAG激光器的重復(fù)頻度已達2000次/秒，二極管陣列泵浦的Nd： YAG 激光器的平均維修時間已從原來

13、的幾百小時提高到12萬小時。采用激元激光器進行金屬加工這是國外激光加工的一個新課題。激元激光器能發(fā)射出波長157350納米 的紫外激光，大多數(shù)金屬對這種激光的反射率很低，吸收率相應(yīng)很高，因此， 這種激光器在金屬加工領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價值。三、應(yīng)用于牙科的激光系統(tǒng)依據(jù)激光在牙科應(yīng)用的不同作用，分為幾種不 同的激光系統(tǒng)。區(qū)別激光的重要特征之一是：光的波長，不同波長的激光對組織 的作用不同，在可見光及近紅外光譜范圍的光線，吸光性低，穿透性強，可以穿 透到牙體組織較深的部位，例如氬離子激光、二極管激光或Nd： YAG激光（如圖 1）。而Er： YAG激光和CO，激光的光線穿透性差，僅能穿透牙體組織約0.

14、 01 毫米。區(qū)別激光的重要特征之二是：激光的強度（即功率），如在診斷學(xué)中應(yīng)用的 二極管激光，其強度僅為幾個毫瓦特，它有時也可用在激光顯示器上。用于治 療的激光，通常是幾個瓦特中等強度的激光。激光對組織的作用，還取決于激光 脈沖的發(fā)射方式，以典型的連續(xù)脈沖發(fā)射方式的激光有：氬離子激光、二極管激 光、CO2，激光；以短脈沖方式發(fā)射的激光有：Er： YAG激光或許多Nd： YAG激 光，短脈沖式的激光的強度（即功率）可以達到1,000瓦特或更高，這些強度高、 吸光性也高的激光，只適用于清除硬組織。激光在齲齒的診斷方面的應(yīng)用1.脫 礦、淺齲2.隱匿齲激光在治療方面的應(yīng)用1.切割2.充填物的聚合，窩洞

15、 處理四、發(fā)展趨勢作為20世紀科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的支柱之 一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進國家的高度重視。激光加工是國外激光應(yīng)用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段， 主要是kW級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實現(xiàn)對各種材料的 切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù)19971998年的最新激光市場評述和預(yù) 測，1997年全世界總激光器市場銷售額達32.2億美元，比1996年增長14%，其 中材料加工為8.29億美元，醫(yī)療應(yīng)用4億美元，研究領(lǐng)域1.5億美元。1998年 總收入預(yù)計增長19%，可達到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預(yù)

16、計超過 10億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應(yīng)用。激光加工應(yīng)用領(lǐng)域中，CO2激光器以切割和焊接應(yīng)用最廣，分別占到70%和 20%，表面處理則不到10%。而YAG激光器的應(yīng)用是以焊接、標記（50%）和切割 （15%）為主。在美國和歐洲CO2激光器占到了 7080%。我國激光加工中以切割 為主的占10%，其中98%以上的CO2激光器，功率在1.5kW2kW范圍內(nèi)，而以熱 處理為主的約占15%，大多數(shù)是進行激光處理汽車發(fā)動機的汽缸套。這項技術(shù)的 經(jīng)濟性和社會效益都很高，故有很大的市場前景。在汽車工業(yè)中，激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進、快速、靈活地加工特點。 如在汽車樣機和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割

17、機，不僅節(jié)省了樣板及工裝 設(shè)備，還大大縮短了生產(chǎn)準備周期；激光束在高硬度材料和復(fù)雜而彎曲的表面打 小孔，速度快而不產(chǎn)生破損；激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標準工藝，日本 Toyota已將激光用于車身面板的焊接，將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板焊 接在一起，然后再進行沖壓。雖然激光熱處理在國外不如焊接和切割普遍，但在 汽車工業(yè)中仍應(yīng)用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處 理。在工業(yè)發(fā)達國家，激光加工技術(shù)和計算機數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合， 派生出激光快速成形技術(shù)。該項技術(shù)不僅可以快速制造模型，而且還可以直接由 金屬粉末熔融，制造出金屬模具。80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和標記等方面發(fā)揮了越來越大作用。 通常認為YAG激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度，但在切割速度 上受到限制。隨著YAG激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而被突破。YAG激光器 已開始擠進kw級CO2激光器切割市場。YAG激光器特別適合焊接不允許熱變形 和焊接污染的微型器