激光加工技術(shù)及其應用

激光加工技術(shù)及其應用目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"激光加工技術(shù)及其應用 1\o"CurrentDocument"1、 激光加工技術(shù) 2\o"CurrentDocument"1.1激光加工技術(shù)的分類 2\o"CurrentDocument"1.2激光加工技術(shù)的發(fā)展 3\o"CurrentDocument"1.2.1激光加工技術(shù)的標志性成果 3\o"CurrentDocument"1.2.2激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況 5\o"CurrentDocument"2、 激光加工技術(shù)之激光切割 6\o"CurrentDocument"2.1激光切割的機理與分類 .6\o"CurrentDocument"2.2影響激光切割質(zhì)量的因素 .7\o"CurrentDocument"2.2.1光束質(zhì)量對激光切割質(zhì)量的影響 7\o"CurrentDocument"2.2.2切割工藝對激光切割質(zhì)量的影響 8\o"CurrentDocument"2.3激光切割表面質(zhì)量的評判依據(jù) 8激光作為二十世紀最偉大的科學發(fā)明之一，經(jīng)過五十年的發(fā)展已被人們廣泛地研究和認識，并為現(xiàn)代科學技術(shù)的進步起到了巨大的推動作用。時至今日，激光應用技術(shù)已成為從多領(lǐng)域中不可替代的關(guān)鍵技術(shù)，其中激光加工技術(shù)是最具代表性、用途最廣的激光應用技術(shù)，激光加工設(shè)備也被譽為材料加工領(lǐng)域的萬能工具。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，如今已有幾十種激光器在工業(yè)加工、科學研究、軍事、醫(yī)療、通訊、環(huán)境探測及其航空航天等領(lǐng)域得到應用，激光也成為應用最廣泛的現(xiàn)代高新技術(shù)之一。1、激光加工技術(shù)1.1激光加工技術(shù)的分類已較為成熟的激光加工技術(shù)主要有激光切割技術(shù)、激光打標技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光雕刻技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光表面強化技術(shù)、激光調(diào)阻技術(shù)、激光刻線技術(shù)、激光直寫技術(shù)、激光快速成型技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光微細加工技術(shù)以及激光修復技術(shù)等。下面對以上激光加工技術(shù)特點做一簡單的介紹。1、 激光切割激光切割是應用激光聚焦后所產(chǎn)生的高功率密度能量實現(xiàn)的，與傳統(tǒng)的材料加工方法相比，激光切割具有更高的切割質(zhì)量、更高的切割速度、更好的柔性和廣泛的材料適應性等優(yōu)點。例如，可以利用激光對高硬度、高脆性、高熔點的金屬材料進行形狀復雜的三維立體零件切割，這也正是激光切割的優(yōu)勢所在。2、 激光打標激光打標是指利用高能量密度激光對工件進行局部照射，使材料表層發(fā)生氣化或變色的化學反應，從而留下永久性標記的一種方法。例如，利用紫外的短波段激光束，可以實現(xiàn)更為精細的亞微米級尺度的打標，并廣泛用于微電子行業(yè)和生物工程。3、 激光打孔激光打孔是得到實際應用最早的一項激光加工技術(shù)，它具有精度高、適應性強、效率高、成本低和經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，現(xiàn)已成為諸多制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。4、 激光焊接激光焊接技術(shù)是激光加工技術(shù)的重要領(lǐng)域，已成為金屬焊接的重要手段并得到廣泛的應用。其優(yōu)點是焊接速度快、變形小、深度大，可以在溫室或特殊的條件下進行焊接，設(shè)備操控性好，無污染。5、 激光表面強化激光表面強化又被細分為激光淬火技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、激光表面重熔技術(shù)以及激光表面沖擊強化技術(shù)，這些技術(shù)已成為改善和提高金屬材料表面性能的重要技術(shù)途徑。6、 激光調(diào)阻技術(shù)激光調(diào)阻技術(shù)利用激光對特定電阻的阻值進行自動的精密微調(diào)，其加工精度達0.01%~0.002%，與傳統(tǒng)的加工方法相比，加工精度與效率均有大幅的提高，使電阻器件生產(chǎn)的成本明顯降低。1.2激光加工技術(shù)的發(fā)展1.2.1激光加工技術(shù)的標志性成果根據(jù)準則：其應用為工業(yè)激光加工帶來了新的突破，并形成了有影響的產(chǎn)業(yè)和市場，同時由于相關(guān)激光設(shè)備的開發(fā)衍生了新產(chǎn)品的制造技術(shù)?？偨Y(jié)了近五十年來激光加工技術(shù)發(fā)展中最具代表性和具有重要意義的成果，如下。1鈑金切割如圖1.1所示，鈑金切割系統(tǒng)初次安裝之后，全球范圍安裝了超過75000臺，預計總價值超過450億美元。激光鈑金切割是目前為止應用最廣的高功率工業(yè)激光加工技術(shù)。

（2）渦輪葉片鉆孔如圖1.2所示，紅寶石激光高峰值功率輸出，是一種完美的微孔加工方法，它唯一的缺點是脈沖重復頻率較低，因而加工效率低。圖1.2紅寶石激光為渦輪葉片打孔（3）拼焊板的激光焊接如圖1.3所示，激光拼焊用來設(shè)計和生產(chǎn)更輕、更節(jié)能的交通工具，貢獻巨大。其將不同種類、厚度的鋼材接合起來能力使得設(shè)計師能夠極大地提升車身設(shè)計；在最大限度減少標準件數(shù)量的情況下，仍能滿足嚴格的安全標準。（4）心血管支架切割如圖1.4所示，Lumonics公司生產(chǎn)的低束散角Nd:YAG激光器成功地應用與支架的切割。圖1.4 激光切割不銹鋼管狀支架的放大圖1.2.2激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況（1） 國外工業(yè)激光現(xiàn)狀國外以美、德、日為代表的幾個發(fā)達國家在激光加工產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展速度驚人，它們在主要的大型制造產(chǎn)業(yè)，如汽車、電子、機械、航空與鋼鐵等行業(yè)中基本完成了用激光加工工藝對傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代，進入光制造時代。國外工業(yè)激光的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面。1、 鮮明的產(chǎn)品差異化特色，核心競爭力明顯。2、 新的應用領(lǐng)域不斷拓展延伸。3、 產(chǎn)業(yè)鏈專業(yè)分工越來越來細。4、 傳統(tǒng)激光器向高功率發(fā)展，新型激光器不斷涌現(xiàn)。（2） 國內(nèi)工業(yè)激光現(xiàn)狀。我國激光技術(shù)研究幾乎和國外同時起步，形成了以中科院四大光機所和華中科技大學為典型代表的研究機構(gòu)，在激光器的從多核心技術(shù)研發(fā)上已取得較全面的技術(shù)成果。國內(nèi)工業(yè)激光的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面。1、 通過上市融資，龍頭企業(yè)正在形成。2、 走國際合作道路和引進高層次人才，核心競爭力正在形成。3、 國民經(jīng)濟支柱行業(yè)正在加大使用激光制造設(shè)備的力度。4、 中國激光產(chǎn)業(yè)鏈正在形成。5、 新一代工業(yè)激光器正在受到激光企業(yè)的重視。（3） 激光加工技術(shù)的研究熱點將第六界ICALEO激光宏觀材料加工會議的860篇報告論文按15大領(lǐng)域分類，

得到歷年國際激光宏觀加工研究分布如圖1.5所示。圖1.4ICALEO2002~2007六屆國際會議激光材料加工報告論文分布（4）激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢激光加工技術(shù)包括激光加工設(shè)備和加工工藝。從近幾年的發(fā)展趨勢來看，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。1、 光纖激光異軍突起引領(lǐng)未來。2、 超短脈沖激光催生微細加工技術(shù)蓬勃發(fā)展。3、 長壽命、全固態(tài)激光前景廣闊。4、 激光設(shè)備的自動化，小型化和多功能。5、 復合激光加工技術(shù)。2、激光加工技術(shù)之激光切割2.1激光切割的機理與分類激光切割屬于非接觸加工。在激光切割過程中，激光器以連續(xù)或脈沖的方式工作，激光束通過導光系統(tǒng)進入切割頭，經(jīng)位于切割頭中的透鏡聚焦于工件表面附近，焦斑處達到很高的功率密度，被輻射處的工件材料迅速熔化、氣化或達到燃點，形成孔洞，隨著切割頭與工件的相對運動，形成切口，同時借助于激光束同軸的輔助氣流將熔化或氣化的材料吹除，如圖2.1所示。圖4.1激光切割過程示意圖按切割材料和切割參數(shù)的不同，激光切割主要分為四種方式。（1） 氣化切割：在高功率密度激光束照射下，材料被加熱迅速升高至氣化溫度而無明顯熔化，使得部分材料以蒸汽的形式和接近音速的速度從工件表面逸出，在工件表面形成小孔，另一部分材料則借助高壓輔助氣體以噴射的方式從切口底部吹走。氣化切割主要采用脈沖激光。（2） 熔化切割：當激光的功率密度較低時，被激光照射處的材料首先熔化，在高純氮氣或其他惰性氣體流的作用下，熔融的材料由切口底部排出。其主要用于不能與氧氣發(fā)生熱反應的材料，如鋁等。（3） 氧化助熔切割：其實質(zhì)就是采用氧氣或其他活性氣體作為輔助氣體的熔化切割。（4） 控制斷裂切割：對于某些易受熱破壞的脆性材料，當被激光照射時，其激光輻照區(qū)域會由于產(chǎn)生較大的熱梯度和嚴重的機械變形，而至使材料形成裂紋，如能夠在控制下保持均衡的加熱梯度，就可利用激光束引導裂紋在任何需要的方向產(chǎn)生和發(fā)展。此方法的特點是切割速度快，且不需要太高的激光功率。2.2影響激光切割質(zhì)量的因素影響激光切割質(zhì)量主要包括三方面：切割工件的材料特性、激光光束質(zhì)量和切割工藝。2.2.1光束質(zhì)量對激光切割質(zhì)量的影響（1） 光束模式的影響一一光束模式相當于機械切割刀具的尖銳度，直接與光束的聚焦能力有關(guān)，它決定了聚焦光斑的能量分布狀態(tài)。光束模式階次越低，聚光后的光板尺寸越小，功率密度越大，得到的切口越精細，切割效率和切割質(zhì)量也越高。（2） 束散角的影響一一束散角過小，難以聚焦到更小的光斑，激光功率密度也更小，難以實現(xiàn)高精密的加工。必須對其進行變換，以降低其束散角。（3） 光束偏振性一一在激光切割中，切割方向隨時可能發(fā)生變化，如果采用的激光為線偏振光，那么切割方向相對于激光束偏振方向的改變就會導致切割前沿對激光的吸收率發(fā)生變化，從而影響激光切割的質(zhì)量。2.2.2切割工藝對激光切割質(zhì)量的影響切割工藝自激光切割技術(shù)進入應用階段以來，一直是人們關(guān)注和研究的技術(shù)內(nèi)容，也是激光加工技術(shù)中最重要的部分，隨著激光器件和設(shè)備的不斷更新，工藝技術(shù)也在不斷進步?，F(xiàn)對激光切割中采用的通用工藝進行簡要的介紹。（1） 切割頭（包括聚焦透鏡和噴嘴）一一1、激光束經(jīng)透鏡聚焦后的焦點光斑直徑與透鏡焦距成正比，因此經(jīng)短焦距切割頭匯聚后的激光光斑尺寸小，焦點處功率密度高，有利于降低切口寬度和減小熱影響區(qū)，得到的切口質(zhì)量比較好。2、合理的噴嘴直徑有利于激光束準直，且在最佳的噴嘴直徑范圍內(nèi)，可以獲得較快的切割速度。（2） 焦點位置一一激光切割的速度在很大的程度上依賴作用于材料表面的激光功率密度，所以確定和保持