激光加工技術的基本情況

PAGEPAGE4激光加工技術摘要：激光加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔和微加工等。用激光束對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光能適應任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。關鍵詞：加工原理、發(fā)展前景、強化處理、微細加工、發(fā)展前景。圖1.1一激光加工的原理及其特點激光加工的原理：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節(jié)，因此激光加工可應用到不同層面和范圍上（如圖1.1）。激光加工的特點：激光具有的強度高、單色性好、相干性好、方向性好的特性決定了激光在加工領域存在的優(yōu)勢：1、激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工熔點高、硬度大和質脆的材料(如陶瓷、金剛石等)；2、激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；3、工件不受應力，不易污染； 4、可以對運動的工件或密封在玻璃殼內的材料加工；5、激光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級,作用時間可以短到納秒和皮秒,同時,大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達千瓦至十千瓦量級，因而激光既適于精密微細加工,又適于大型材料加工；6、激光束容易控制,易于與精密機械、精密測量技術和電子計算機相結\o"查看圖片"7、激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。8.它可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工。9.由于激光束易于導向、聚集實現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復雜工件進行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。10.使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質量可靠，經(jīng)濟效益好。例如：①美國通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動機上的異形槽，不到4H即可高質量完成，而原來采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項，每臺發(fā)動機的造價可省5萬美元。②激光切割鋼件工效可提高8-20倍，材料可節(jié)省15-30%，大幅度降低了生產(chǎn)成本，并且加工精度高，產(chǎn)品質量穩(wěn)定可靠。雖然激光加工擁有許多優(yōu)點，但不足之處也是很明顯的。二激光技術用激光束對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光加工有許多優(yōu)點：①激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化，即使熔點高、硬度大和質脆的材料(如陶瓷、金剛石等)也可用激光加工；②激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；③工件不受應力，不易污染；④可以對運動的工件或密封在玻璃殼內的材料加工；⑤激光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級,作用時間可以短到納秒和皮秒,同時,大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達千瓦至十千瓦量級，因而激光既適于精密微細加工,又適于大型材料加工；⑥激光束容易控制,易于與精密機械、精密測量技術和電子計算機相結合，實現(xiàn)加工的高度自動化和達到很高的加工精度；⑦在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機器人進行激光加工。激光打孔采用脈沖激光器可進行打孔,脈沖寬度為0.1～1毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.005～1毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等工件的加工。激光打孔圖2.1激光切割、劃片與打標的組織結構.處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據(jù)需要調整深淺一般可達0.1-0.8mm.2.處理層和基體結合強度高.激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結合,而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性.3.被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時間很短（10-2-10秒），故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。4．加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導光系統(tǒng)可隨意將激光導向處理部分，從而可方便地處理深孔、內孔、盲孔和凹槽等，可進行選擇性的局部處理。激光焊接強度高、熱變形小、密封性好，可以焊接尺寸和性質懸殊，以及熔點很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心臟起搏器，其密封性好、壽命長，而且體積小。激光熱處理用激光照射材料，選擇適當?shù)牟ㄩL和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結晶，達到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小,可處理形狀復雜的零件和部件,可對盲孔和深孔的內壁進行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復離子轟擊所引起損傷的硅材料。圖2.4強化處理激光表面強化技術基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個過程，在金屬材料激光表面強化中，當激光束能量密度處于低端時可用于金屬材料的表面相變強化，當激光束能連密度處于高端時，工件表面光斑出相當與一個移動的坩堝，可完成一系列的冶金過程，包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實際應用中引發(fā)的材料替代技術，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

而在刀具材料改性中主要應用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時迅速凝固，產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細化、上釉和表面復合化等。激光熔凝是用適當?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細化均質的組織和所需性質的表面改性技術。它具有以下優(yōu)點：

1.表面熔化時一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結合。

2.在激光熔凝過程中，可以排除雜質和氣體，同時急冷重結晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。

3.其熔層薄、熱作用區(qū)小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可不再進行后續(xù)磨光而直接使用。

4.提高溶質原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質點超細化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結構甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。光束可以通過光路導向，因而可以處理零件特殊位置和形狀復雜的表面。綜合激光技術的優(yōu)點及以被廣泛應用的技術的缺點，把激光技術應用于刀具材料表面強化處理，將是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一，尤其對于陶瓷、硬質合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點，有利于提高加工效率和加工精度，并能對難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進行切削加工。由于它們強度相對較低，韌性較差，嚴重地限制了它們的應用范圍，因此把激光表面強化技術應用于陶瓷、硬質合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應用前景。微細加工選擇適當波長的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高質量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的“力”效應，進行微小透明球狀物的夾持操作。例如，高精密光柵的刻制；通過CAD/CAM軟件進行仿真圖案（或文字）和控制，實現(xiàn)高保真打標；利用光阱的“束縛力”，對生物細胞執(zhí)行移動操作（生物光鑷）。微細加工工藝。（l）微細機械加工工藝凸形（外）表面的微細切削大多采用單晶金剛石車刀或銑刀。刀尖半徑約為100μm。單晶金剛石立銑刀的刀頭形狀，當?shù)毒呋剞D時，金剛石刀片形成一個45°圓錐的切削面。凹形（內）表面的微細切削時，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如鉆孔用麻花鉆可加工小至50μm的孔，更小的孔則無麻花鉆商品，可采用扁鉆。微細加工中俯—個關鍵問題是刀具安裝后的姿態(tài)及其與主軸軸線的同軸度是否與坐標系一致，否則很難保證微小的切除量。為此可在同一臺機床上制作刀具后進行加工，使刀具的制作和微細加工采用同一工作條件，避免裝夾的誤差。如果在機床上采用線放電磨削制作銑刀，可以用它銑出50μm寬的槽。

（2）微細電加工工藝微型軸和異形截面桿的加工可采用線放電磨削法（WEDG）加工。它的獨特的放電回路使放能僅為一般電火花加工的1/100。如需獲得更為光滑的表面，則可以在WEDG加工后，再采用線電化磨削法（WECG），它是用去離子水在低電流下去除極薄的表面層。微細電火花加工（MEDM）所用的機床如日本松下電氣產(chǎn)業(yè)公司的MG-ED71，它的定位控制的分辯率為0.1μm，最小加工孔徑達5μm，表面粗糙度達0.1μm。加工節(jié)徑300μm、厚100μm的9齒不銹鋼齒輪時，先用φ24μm的電極連續(xù)打孔加工出粗輪廓，再用φ31mm電極按齒形曲線掃描出輪廓，精度達±3μm。也可用它加工微型階梯軸，最小直徑為30μm，加工的鍵槽截面為10μm×10μm。加工微小零件的電極應在同一臺電加工機床上制作，否則由于電極的連接和安裝誤差很難加工出小于直徑100μm微型孔。如在微細電火花機床上加工電極或超聲加工工具，就可加工出5～10μm微型孔。微細電加工與微細機械加工相比雖材料切除率較低，但加工尺寸能更細小，孔的長徑比更大可達5～10，尤其對于微細的復雜凹形內腔加工更有其優(yōu)越性。三激光加工的發(fā)展前景

激光加工用于再制造業(yè)和應用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點，并優(yōu)于其它加工技術。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光熔覆，由激光合金涂層發(fā)展到復合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術成為再制造的一項重要手段。它主要是采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系統(tǒng)。與國際上激光加工系統(tǒng)相比，我國的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的4%左右。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒有；主力激光器不過關；微細激光加工裝備缺口較大；而這些領域我國的生產(chǎn)加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進入，國內應用市場有很大發(fā)展空間。預測今后2-3年內，我國激光加工銷售額將會由2008年的35億人民幣上升翻一倍，也就是說會達到70億元產(chǎn)值。國內各類制造業(yè)接受了激光加工技術，它可使他們的產(chǎn)品增加技術含量，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，為適應21世紀高新技術的產(chǎn)業(yè)化、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和