基于特种加工的激光加工技术

1、基于特种加工的激光加工技术王青青前言1. 特种加工的产生背景五十年代以来，由于机械工业、电子工业、航空航天工业和化学工业等的迅猛发展，科学技术的突飞猛进，许多产品要求具备很高的强度重量比和性能价格比，有些产品则需要在高温、高压高速、重载荷或腐蚀环境下长期而可靠地进行工作。为了适应这一要求，各种新结构、新材料和复杂形状的精密零部件大量涌现，其结构形状愈来愈复杂，材料性能愈来愈强韧，精度要求愈来愈高，表面完整性愈来愈严格，这就使机械制造面临一系列严峻的任务：（1）. 难切削材料的加工 如硬质合金、高温合金、钛合金、耐热不锈钢、淬火工具钢、聚晶精钢石、宝石、陶瓷、玻璃、硅、锗等高硬度、高强度、高韧性

2、、高脆性、高熔点、高纯度的导体、非导体和半导体等的加工。（2）复杂型面的加工 如涡轮叶片、型腔模等零件上的立体型面、喷丝头、花键等的零件上的型孔、小孔或窄缝。（3）精密表面的加工 如航空陀螺、高压液压活门、精密光学透镜等零件上的精细表面尺寸精度达0.1微米，表面粗糙度Ra 达0.01微米。（4）特殊零件的加工 如薄壁零件、弹性元件等低刚度零件。上述情况，用传统的切削加工方法难以达到经济性的要求。在生产的迫切需要下，人们通过各种渠道、借助于多种能量形式，探寻新的工艺途径，于是各种区别于传统切削方法的新型的特种加工方法先后应运而生。2. 特种加工的发展趋势目前，国际上对特种加工技术的研究主要表现在

3、以下几个方面：（1）微细化。目前，国际上对微细电火花加工、微细超声波加工、微细激光加工、微细电化学加工等的研究方兴未艾，特种微细加工技术有望成为三维实体微细加工的主流技术。（2）特种加工的应用领域正在拓宽。例如，非导电材料的电火花加工，电火花、激光、电子束表面改性等。（3）广泛采用自动化技术。充分利用计算机技术对特种加工设备的控制系统、电源系统进行优化，建立综合参数自适应控制装置、数据库等，进而建立特种加工的CAD/CAM和FMS 系统，这是当前特种加工技术的主要发展趋势。（4）用简单工具电极加工复杂的三维曲面是电解加工和电火花加工的发展方向。 我国的特种加工技术起步较早。20世纪50年代中期

4、，我国工厂已设计并研制出电火花穿孔机床。60年代末，上海电表厂张维良工程师在阳极-机械切割的基础上发明了我国独创的高速走丝线切割机床，上海复旦大学研制出电火花线切割数控系统，从此，电火花线切割加工技术在我国迅猛发展并遍地开花。1979年，我国成立了全国性的电加工学会。2006年，我国电火花穿孔成型机床年产量大于3000台；电火花数控线切割机床年产量大于40000台；电加工机床生产企业由最初的50家增至200家以上。至此，我国电加工的机床总拥有量也跃居世界的前列。但是，由于我国原有的工业基础薄弱，特种加工设备和整体技术水平与国际先进水平有不少差距，因此，每年还需从国外进口300台以上高档电加工机

5、床。我国大量生产的电加工机床往往是技术含量较低，售价和利润也较低的劳动力密集型的产品。这些都有待于我们去努力赶超，是我国从制造大国发展成制造强国。3. 特种加工的应用范围特种加工技术在国际上被称为21世纪的技术，对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用。随着新型武器装备的发展，国内外对特种加工技术的需求日益迫切。不论飞机、导弹，还是其它作战平台都要求降低结构重量，提高飞行速度，增大航程，降低燃油消耗，达到战技性能高、结构寿命长、经济可承受性好。为此，上述武器系统和作战平台都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结构，以及钛合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。为此，需

6、要采用特种加工技术，以解决武器装备制造中用常规加工方法无法实现的加工难题，所以特种加工技术的主要应用领域是：难加工材料，如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。难加工零件，如复杂零件三维型腔、型孔、群孔和窄缝等的加工。低刚度零件，如薄壁零件、弹性元件等零件的加工。以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、表面改性、刻蚀和精细加工。激光加工技术激光加工20世纪60年代发展起来的。它扩展了光为人类服务的领域，加深了人类对光的认识。激光加工再制造业同样有其不可替代的地位。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

7、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。它主要是采用高功率激光器及其系统。但目前我国激光在此领域的应用技术尚不成熟。主要表现为：高档激光加工系统少；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。国内各类制造业接受了激光加工技术，使他们的产品加快产品更新的速度。1. 激光加工的原理激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）的原理进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术，涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科。由于激光加工

8、热影响区域小，光束方向性好，其几乎可以加工任何材料。常用来进行选择性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特点，其发展前景广阔，已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、切削加工，快速成形，激光钻孔和基板划片，半导体处理等。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。目前，公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称冷

9、加工 。激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。热加工具有较高能量密的激光束（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，在照射区域内产生热激发过程，从 而 使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程冷加工具有很高 负 荷 能 量 的（ 紫 外 ）光 子，能 够 打 断 材 料（特 别 是 有 机 材 料）或 周 围 介 质 内 的 化 学 键 ，至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧

10、蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。2. 激光加工的历史发展激光加工是一门发展极快的新技术，已成为发展新兴产业，改造传统制造业的关键技术设 备 之 一 。各 种 激 光（标 记、焊 接、微 调、打 孔、切 割 、划 线、热 处 理 等 ）系 统 、设 备 ， 已经或正在进入各工业领域，诸如电子、轻工、包装、礼品、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等，为传统工业的技术改造和制造业的现代化提供先进的技术装备。中国国内存在着巨大的激光加工应用市场，而这个市场因中国加入W TO 以来国内正在迅速形成的“全球

11、制造基地”而获得快速增长。国内外投资者和激光业者正在抢滩这一市场。因此中国的激光加工技术市场将迅速增长，中国激光加工技术产业化将会加速实现。国内外从事激光器和激光加工技术系统研发、生产和经营的企业正面临极好机遇和挑战。国际市场据ILS 统计，全球工业激光系统的产值1997年为20.63亿美元，1998年为23.38亿美元，1999年为25.91亿美元，从1997年至1999年全球工业激光系统的产值年增长率一直保持在13左右。但2000年全球工业激光系统的产值仅为27.76亿美元(约229亿人民币 ，其年增长率降为7左右，开始受到网络经济泡沫，美国和全球范围经济衰退的影响。2001年的经济衰退使

12、得半导体工业受到重创，相关的半导体加工制造、材料加工、标记和微细加工等行业受到影响，例如用于光刻设备的准分子激光器和用于半导体加工生产测量系统的 H e Ne 激光器的销售严重下降。此外，由于电信行业的不景气使光纤光栅生产过剩，导致用于制造光栅的准分子激光器，金属蒸汽激光器或氩离子激光器没有市场。约占全球工业激光器销售额40的大功率C O 2 激光器销售受到打击最大。在激光加工应用市场范围方面，国内外的区别较大，国外激光加工应用一开始便立足于高科技、高技术行业，如汽车制造工业，半导体工业，航空航天工业等，例如上世纪九十年代中期，美国、日本的激光加工应用已主要集中在电子、半导体、汽车工业领域，所

13、占份额约为本国激光加工设备的25-30%。国内市场中国国内工业激光市场的起步晚于发达国家20年左右，可以说中国的激光产业在1995年前后才刚刚起步，而在当时，国外发达国家的工业激光系统已得到广泛的应用。国内工业激光加工设备的销售台数和销售额自1995年才开始有较大的增长，在1995年至1996年，1999年至2000年至2001年呈现高峰，有成倍增长。但因起点低，至1999年的产值仅为1亿6千万元，至2000年达到3亿4千万元，比1999年增长112%，增长较快的原因是电池激光封焊和电子元器件，小五金的激光标记市场采用了大量的YAG 激光焊接机和激光标记机。2001年国内工业激光加工系统的产值

14、为6亿3千万元，比2000年增长86%，2002年为10亿3千万元，比2001年又增长65%，其主要原因除激光标记和电池封焊获得持续增长外，国产激光切割、熔敷系统应用的增长较大。2002年我国激光打标机市场销售额达到5.029亿元, 比2001年增长75.7%，激光切割机市场销售额达到2.417亿元，比2001年增长75.6%，激光加工机市场销售额增长幅度最大，达到9746万元，比2001年增长550.5%，激光焊接市场销售额达到8655.7万元，比2001年增长19.9%，激光快速成型机市场销售额达到4750万元，比2001年增长90.2%。此外，微调机、划片机市场销售额也有不同程度增长。激

15、光热处理机市场销售额2002年出现下降，由2001年的7370万元减至1148万元, 下跌了84.4%，减少了6222万元之多。国内工业激光设备企业研制生产概况自上世纪90年代开始，随着市场经济快速发展，国内出现了许多从事研制、生产和经营激光激光加工设备的公司。按现代企业制度建立的这些新兴公司（企业），经营理念完全定位于市场经济，在市场中找生机，发挥企业优势，择优而用，满足用户要求, 通过融资，壮大财力, 吸纳海内外技术优势，通过各种渠道，形成自家的技术优势和服务于用户的产品优势。3. 激光加工的应用现状激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和

16、时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。这里将简单介绍三种加工技术：切割、焊接与打标。（1）激光切割 激光切割时，激光头喷嘴离工件的距离变化和入焦量对切口质量有重要影响，喷嘴离工件太远将使

17、切缝加宽，粗糙度提高，距离太近喷嘴很容易与工件发生碰撞。距离控制在离工件0.5-0.8mm 之间切割后的表面质量较好。入焦量约1mm ，可保证切口平整，获得良好的表面加工质量。切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业，许多金属材料， 不管它是什么 样 的 硬 度，都 可 以 进 行 无

18、 变 形 切 割。当然，对 高 反 射 率 材 料，如 金、银、铜 和铝合金 它 ， 们是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。激光切割可大大减少 加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连 续 激 光 适 用 于 非 金 属 材 料 ， 后者是激光切割技术的重要应用领域。 （2）激光焊接 激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不 同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、 高导热率和物理特性 相差很大的金属焊接特别有利。激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，使 材 料 熔 化 而 不 使 其 汽 化 ， 在冷却后成为一

19、块连续的固体结构。随着我国工业经济的发展，特别 是家电、汽车、计算机、通讯、医疗、航天等众多领域大量使用塑料材料，而且原先许多传 统使用金属的零部件(汽车进气管、油箱、过滤器、医学上使用的流体输送系统等也开始逐 渐被塑料所代替，这些领域所使用的塑料材料不仅要求数量大，而且使用种类多，科技含量 高，是塑料制品加工业中能获得高经济效益的最佳领域。因此，在塑料制品的加工过程中 人们渴望一种更加快速、有效、干净的塑料焊接方式。由于材料和设备方面的进步，使激 光焊接技术作为一种连接塑料制品的专门方法得到了生产厂家的认可， 主要用于连接敏感性 塑料制品( 含有线路板 、 几何形状的塑料件以及有严格洁净要求

20、的塑料制品(医药设备等 等。激光焊接塑料的基本原理是，两种塑料在低压力下被夹紧在一起，激光穿过一个制品， 然后被另外一个制品吸收， 吸收激光能量的制品将光能转化为热能， 塑 料 的 接 触 面 熔 在 化 ， 形成一个焊接区。绝大多数本色的塑料和许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）激光打标 激光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。 全固体紫外波段激光打标是近年来发展起来的一项新技术， 特别适用于金属打标， 可实现亚 微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。 4.激光加工的发展前景 （1）数控化和多功能化 把激光器与计算机数控技术、 先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合， 形成研制和生产加工中心，并 把 多 种 加 工 功 能 基 于 一 台 机 床 上 ， 如楚天集团生产的 JHM-IGY-400/500B 多功能激光加工机。整机由激光器、激光电源、光学系统、三/四轴联 动工作台、CNC 控制系统、CCD 监控系统、制冷系