激光技术在先进制造业中的几例应用

1、激光技术在先进制造业中的几例应用XXX【摘要】本文综合介绍了激光快速成型、激光焊接、激光切割、激光打孔等技术 的原理、特点、应用现状以及发展趋势。借此论述了激光技术在先进制造业中的 重要地位。1引言激光具有高亮度性、高方向性、高单色性、高相干性，这些特性是其它普通光源望尘莫及的。1960年 美国休斯实验室的T.H.Mainman用直径6mm，长45mm的红宝石固体工作物质，成功地产生了波长为 0.6493 Mm的脉冲激光这是世界第一台激光发生器，它受到科研领域的高度重视。激光技术 推动了许多领域的迅速发展，应用范围越来越广，尤其在加工领域中的应用。激光加工是激 光应用最有发展前途的领域之一，现

2、在已开发出20多种激光加工技术。激光加工系指激光 束作用于物体的表面而引起物体形状的改变或物体性能的改变的加工过程。激光加工已成为 一种新型的高能束流激光加工技术，广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造 等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起 到愈来愈重要的作用，为材料加工工艺提供，是当代具有代表性的先进制造技术。从激光加 工技术在制造领域中取得的经验来看，激光加工的潜力是巨大的。2激光快速成型2.1激光快速成型技术简介80年代后期发展起来的快速成型技术(RPT，Rapid Prototyping Technology)是基于分 层技术、堆积

3、成型直接根据CAD模型快速生产样件或零件的先进制造成组技术总称。RP技 术不同于传统的去除成型、拼合成型及受迫成型等加工方法，它是利用材料累加法直接制造 塑料、陶瓷、金属及各种复合材料零件。激光快速成型技术，以激光作为加工能源的激光快速成型是快速成型技术的重要组成部 分，它集成了 CAD技术、数控技术、激光技术和材料科学等现代科技成果。激光快速成型 (Laser Rapid Prototyping,LRP)原理是用CAD生成的三维实体模型，通过分层软件分层，每 个薄层断面的二维数据用于驱动控制激光光束，扫射液体，粉末或薄片材料，加工出要求形状 的薄层，逐层累积形成实体模型。快速制造出的模型或样

4、件可直接用于新产品设计验证、功 能验证、工程分析、市场订货及企业决策等，缩短新产品开发周期,降低研发成本，提高企业 竞争力。以此为基础进一步发展的快速模具工装制造(Quick Tooling)技术,快速精铸技术 (Quick Casting),快速金属粉末烧结技术(Quick Powder Sintering)等，可实现零件的快速 成品。2.2激光快速成型技术主要特点制造速度快、成本低,节省时间和节约成本，为传统制造方法注入新的活力，而且可实 现自由制造(Free Form Fabrication),产品制造过程以及产品造价几乎与产品的批量和复杂 性无关。采用非接触加工的方式，没有传统加工的残

5、余应力问题，没有工具更换和磨损之类的 问题,无切割、噪音和振动等,有利于环保。可实现快速铸造、快速模具制造，特别适合于新品开发和单件零件生产。2.3研究现状美国3DSystems公司1988年生产出世界上第一台SLA250型光固化快速造型机，开创了 LRP技术迅速发展和推广应用的新纪元。美国在设备研制、生产销售方面占全球主导地位 其发展水平及趋势基本代表了世界的发展水平及趋势。欧洲和日本也不甘落后，纷纷进行相 关技术研究和设备研发。香港和台湾比内地起步早，台湾大学拥有LOM设备，台湾各单位及军 方安装多台进口 SL系列设备。香港生产力促进局和香港科技大学、香港理工大学、香港城 市大学等都拥有R

6、P设备,其重点是有关技术的应用与推广。国内自20世纪90年代初开始进行研究，现有西安交通大学、华中科技大学、清华大学、 北京隆源公司多所研究单位自主开发了成型设备并实现产业化。其中，西安交大生产的紫外 光CPS系列光固化成型系统快速成型机等新技术，引起了国内外的高度重视;华中科技大学 研究LOM、SLS工艺，推出了系列成型机和成型材料;清华大学主要研究RP方面的现代成型学 理论，并开展了基于SL工艺的金属模具的研究;北京隆源公司主要研究SLS系列成型设备和 配套材料并承接相关制造工程项目。2.4发展趋势LRP技术正在发生巨大的变化，主要体现在新技术、新工艺及信息网络化等方面,其未来 发展方向包

7、括：研究新的成型工艺方法，在现有的基础上，拓宽激光快速成型技术的应用，开展新的成 型工艺的探索。开发新设备和开发新材料。LRP设备研制向两个方向发展：自动化的桌面小型系统，主 要用于原型制造;工业化大型系统，用于制造高精度、高性能零件。成型材料的研发及应用是 目前LRP技术的研究重点之一。发展全新材料，特别是复合材料，如纳米材料、非均质材料、 功能材料是当前的研究热点。激光快速成型技术是多学科交叉融合一体化的技术系统，正在不断研究开发和推广应用 中，与生物科学交叉的生物制造、与信息科学交叉的远程制造、与纳米科学交叉的微机电系 统等为它集成制造提供了广阔的发展空间。随着科学技术和现代工业的发展它

8、对制造业的 作用日益重要并趋向更高的综合。3激光焊接3.1激光焊接技术简介激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，激光焊接是激光 加工技术应用的重要内容，更是21世纪最受瞩目、最有发展前景的焊接技术。激光焊接是利用激光的辐射能量来实现有效焊接的工艺。其工作原理是：通过特定的方式 来激励激光活性介质(如CO2和其他气体的混合气体、YAG钇铝石榴石晶体等)，使其在谐振 腔中往复振荡，从而形成受激辐射光束，当光束与工件接触时，其能量被工件吸收，在温度 达到材料熔点时便可进行焊接。激光焊接可分为热传导焊和深熔焊，前者的热量通过热传递向工件内部扩散，只在焊缝表 面产生熔化现象，工

9、件内部没有完全熔透，基本不产生汽化现象，多用于低速薄壁材料的焊 接；后者但完全熔透材料，还使材料汽化，形成大量等离子体。由于热量较大，熔池前端会 出现匙孔现象。深熔焊能够彻底焊透工件，且输入能量大、焊接速度快，是目前使用最广泛 的激光焊接模式。3.2激光焊接特点激光焊接既有优点也有缺点。优点：（1）采用激光焊接可以获得高质量的接头强度和较大的深宽比，且焊接速度比较快。（2）由于激光焊接不需真空环境，因此通过透镜及光纤，可以实现远程控制与自动化生 产。（3）激光具有较大的功率密度，对难焊材料如钛、石英等有较好的焊接效果，并能对不 同性能材料施焊。（4）由于激光器产生的聚焦光斑面积较小，其作用在焊

10、缝周围的热影响区也比普通焊接 工艺的小得多，且激光焊接一般不需填充金属，因此焊缝表面连续均匀、成形美观，无气孔、 裂纹等表面缺陷，非常适合于对焊缝外形要求严格的场合。缺点：（1）激光器及焊接系统各配件的价格较为昂贵，因此初期投资及维护成本比传统焊接工艺 高，经济效益较差。（2）由于固体材料对激光的吸收率较低，特别是在出现等离子体后（等离子体对激光具有 吸收作用）,因此激光焊接的转化效率普遍较低（通常为5%30%）。（3）由于激光焊接的聚焦光斑较小，对工件接头的装备精度要求较高，很小的装备偏差就 会产生较大的加工误差。3.3激光焊接的研究现状现代化的激光焊接技术主要包括激光-电弧复合焊接、激光焊

11、接多焦点技术与旋转焦点技 术与激光填丝焊。复合焊接的工作原理是：将电弧焊接和激光焊接同时施加于工件上，使整个焊接过程既具 有激光焊接高能束的优点，又有电弧焊接适用性强的优势；多焦点技术的基本原理是采用 不同的透镜和反射镜的组合，使激光器发射出的一道光束分解为多道（或者直接采用多个 发射器的简单方法实现）。这样，在焊缝表面上将形成多个焦点，目前最常用的是双光束激 光。目前最常用的是双光束激光（即双焦点）。采用这种技术可以避免了咬边等焊接缺陷。 旋转焦点技术的基本原理是:通过驱动透镜或反射镜做有规律的运动，使焦点在焊缝上作旋 转式前进，这样焊缝的宽度就可以扩大到激光束旋转圆直径的长度上，大大降低激

12、光焊接对 装备精度的要求, 并且可以避免产生大量的气孔。激光填丝焊与普通填丝焊焊接工艺类似。在激光照射焊缝的同时，输入特定金属丝。采用 该方法的好处是：解决了对工件装夹要求严格的问题，可以实现用小功率激光器焊接厚大的 零件。更重要的是，适当地选择填丝种类，能够改善焊缝质量，获得硬度和塑性较好的焊接 接头。3.4发展趋势从国内外的研究现状看，新型激光器的研究与完善、焊接过程的有效控制和焊缝缺陷的 实时监测是未来激光焊接领域的研究重点。其中，激光器的研发将集中在输出功率和电-光 转化效率的提高上，针对激光器结构复杂的特点。对激光器结构的优化设计也十分必要。由 于激光焊接系统涉及到大量控制参数（如激

13、光功率、光束模式、聚焦镜焦距、离焦量、激光 照射角等）。因此准确地选择控制参数是提高激光焊接效率和质量的关键，特别是将各种焊 接效应（如等离子体效应、匙孔效应等）控制在理想范围内将成为未来的研究重点。必要时 应建立完整的工艺数据库。至于焊接过程的实时监控将集中在多种传感技术相融合的监测 技术上，如声、光信号的有效结合。另外，视觉传感技术也将成为未来激光焊接过程在线监 测的研究重点。因为焊接过程中的大量信息均可通过机器视觉进行有效识别。先进激光焊接 技术的发展，将偏向于激光复合焊接技术与多焦点焊接技术的研发上。随着激光焊接技术在 各加工领域的逐步推广和普及，激光焊接将成为未来焊接技术的主要方式。

14、4激光切割4.1激光切割简介激光切割是利用聚集的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的 前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收， 由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与 工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除激光切割的断 面非常光滑，适合后期焊接，而等离子切割的断面往往需要打磨才能进行焊接。4.2激光切割特点切割质量好。由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较 好的切割质量。切割效率高由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个

15、切割 过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可 进行二维切割，又可实现三维切割。 切割速度快，用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min； 切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固 定，既可节省工装夹具，又节省了上、下料的辅助时间。非接触式切割，激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的 零件，不需要更换“刀具”，只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小， 无污染。切割材料的种类多，与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括

16、金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料， 由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。缺点激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的 板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光切割设备费用高，一次性 投资大。4.3激光切割研究现状激光切割的研究已进行三十年，由于国外的激光切割工艺比较成熟，目前的研究领域主要 集中在数字模型对切割过程的模拟以及特殊情况下的激光切割。目前，在我们国内主要研究 方向在钢板的激光切割工艺方面，少数涉及到有色金属的切割工艺。4.4激光切割发展趋势鉴于现今的研究对

17、三维激光切割研究较少，缺乏简单、有效和定量的在线质量监控方法， 激光切割过程模拟较为困难，激光切割机理的研究不够深入。以后的研究或将从离线/在线 单参量激光切割质量监控转向多参量在线激光切割质量监控的研究方向;从传统的稳态模拟 转变到动态模拟；在研究激光一材料一辅助气体三者间的交互作用时除继续研究二维激光 切割机理外，着手研究三维激光切割研究的机理。5.激光打孔5.1激光打孔技术简介激光打孔技术是将微细的高能激光束照射到工件上，由于这种高强热源对材料加热的结果, 可使得照射区内的温度瞬时上升到一万度以上，从而引起被照射区内的材料瞬时熔化并大量 汽化蒸发,气压急剧上升，高速气流猛烈向外喷射，在照

18、射点上立即形成一个小凹坑。随着激光 能量的不断输入，凹坑内的汽化程度加剧，蒸汽量急剧增多,气压骤然上升，对凹坑的四周产生 强烈的冲击波作用，致使高压蒸汽带着溶液，从凹坑底部高速向外喷射，火花飞溅，如同产生一 种局部微型爆炸那样，在工件上迅速打出一个具有一定锥度的小孔。5.2激光打孔技术特点（1）输出功率达到500w，激光能量不稳定度:2%，激光的发散角：3.5mrad。（2）采用两种激光打孔方法一一旋切打孔的方式和冲击打孔的方式针对这两种方法研制 了一种新型的激光打孔装置，并通过理论分析了冲击打孔和旋切打孔方法的特点。（3）采用不同的激光参数在研制的激光打孔装置上对低碳钢和高温合金进行了激光打

19、孔工 艺的研究，对激光参数以及辅助气体对打孔的影响进行了分析，并采用自由脉冲进行了旋切 打孔的研究，通过分析得出旋切打孔可以得到小锥度、再铸层少的孔。5.3激光打孔技术研究现状激光打孔是目前小孔加工中不可缺少而且应用广泛的激光加工方法之一。近年来激光 微孔加工技术的发展更加快速，打孔效率不断提高，并且对打孔过程进行了深入细致的研究。 2005年奥地利的塔恩纸业公司在其水松纸激光打孔机上装备有两个4000瓦的激光源，一分 钟打孔数量达到6000万个。2006年德国科学K.walther等通过将两脉冲激光进行叠加对不 锈钢进行打孔，进一步提高了打孔效率。2001年，中国科学技术大学的吴气虹,马玉蓉

20、等人发 明了一种激光打孔装置，它包括长脉冲的长波长激光器和一台短脉冲的短波长激光器其输 出的激光轴线在同一水平面相互垂直;两束激光交汇处设置有一个与两束光轴线均成45 透镜/反射平面镜，在所述平面境输出激光的光路上设有一能沿光路方向移动位置的聚焦透 镜。进行打孔加工时，每个孔的加工均分两步,即先用长波长激光快速穿孔，再用短波长扩出 成形孔。其在有效保证质量的情况下，提高了打孔效率，易于工业应用。而且，随着飞秒激光加工技术研究的深入和发展，飞秒激光打孔的优势更加突出。在飞秒 激光加工中,飞秒激光脉冲在等离子体膨胀前,已全部注入到了固体表面，并且没有热传导造 成的激光能量的损失，可以将照射区的温度迅速提升到升华点以上。再由于每个飞秒激光脉 冲的能量非常小,每个脉冲所汽化的物质也是极少的。所以飞秒激光加工很精细，其热影响区 非常小，没有熔化及再凝固痕迹，呈现锐利的加工边缘,因此加工精度很高。5.4激光打孔技术发展趋势微孔激光加工技术经过了二十几年的发展己逐渐成熟起来并被越来越多的人们所认识、 接受和采用。随着科技和社会生产的迅速发展，一方面给激光打孔提出了各种各样更高的要 求;另一方面使得生产高功率、高质量的激光打孔机成为可能。这为微孔激光加工技术的不 断发展提出