激光加工技术及其应用

7/8激光加工技术及其应用目录激光加工技术及其应用 11、激光加工技术 21.1激光加工技术的分类 21.2激光加工技术的发展 31.2.1激光加工技术的标志性成果 31.2.2激光加工产业的发展状况 62、激光加工技术之激光切割 72.1激光切割的机理与分类 72.2影响激光切割质量的因素 82.2.1光束质量对激光切割质量的影响 82.2.2切割工艺对激光切割质量的影响 82.3激光切割表面质量的评判依据 9激光作为二十世纪最伟大的科学发明之一，经过五十年的发展已被人们广泛地研究和认识，并为现代科学技术的进步起到了巨大的推动作用。时至今日，激光应用技术已成为从多领域中不可替代的关键技术，其中激光加工技术是最具代表性、用途最广的激光应用技术，激光加工设备也被誉为材料加工领域的万能工具。随着激光技术的不断发展，如今已有几十种激光器在工业加工、科学研究、军事、医疗、通讯、环境探测及其航空航天等领域得到应用，激光也成为应用最广泛的现代高新技术之一。1、激光加工技术1.1激光加工技术的分类已较为成熟的激光加工技术主要有激光切割技术、激光打标技术、激光打孔技术、激光雕刻技术、激光焊接技术、激光表面强化技术、激光调阻技术、激光刻线技术、激光直写技术、激光快速成型技术、激光清洗技术、激光去重平衡技术、激光微细加工技术以及激光修复技术等。下面对以上激光加工技术特点做一简单的介绍。激光切割激光切割是应用激光聚焦后所产生的高功率密度能量实现的，与传统的材料加工方法相比，激光切割具有更高的切割质量、更高的切割速度、更好的柔性和广泛的材料适应性等优点。例如，可以利用激光对高硬度、高脆性、高熔点的金属材料进行形状复杂的三维立体零件切割，这也正是激光切割的优势所在。激光打标激光打标是指利用高能量密度激光对工件进行局部照射，使材料表层发生气化或变色的化学反应，从而留下永久性标记的一种方法。例如，利用紫外的短波段激光束，可以实现更为精细的亚微米级尺度的打标，并广泛用于微电子行业和生物工程。激光打孔激光打孔是得到实际应用最早的一项激光加工技术，它具有精度高、适应性强、效率高、成本低和经济效益显著等优点，现已成为诸多制造领域的关键技术。激光焊接激光焊接技术是激光加工技术的重要领域，已成为金属焊接的重要手段并得到广泛的应用。其优点是焊接速度快、变形小、深度大，可以在温室或特殊的条件下进行焊接，设备操控性好，无污染。激光表面强化激光表面强化又被细分为激光淬火技术、激光熔覆技术、激光表面重熔技术以及激光表面冲击强化技术，这些技术已成为改善和提高金属材料表面性能的重要技术途径。激光调阻技术激光调阻技术利用激光对特定电阻的阻值进行自动的精密微调，其加工精度达0.01%~0.002%，与传统的加工方法相比，加工精度与效率均有大幅的提高，使电阻器件生产的成本明显降低。1.2激光加工技术的发展1.2.1激光加工技术的标志性成果根据准则：其应用为工业激光加工带来了新的突破，并形成了有影响的产业和市场，同时由于相关激光设备的开发衍生了新产品的制造技术。总结了近五十年来激光加工技术发展中最具代表性和具有重要意义的成果，如下。1钣金切割如图1.1所示，钣金切割系统初次安装之后，全球范围安装了超过75000台，预计总价值超过450亿美元。激光钣金切割是目前为止应用最广的高功率工业激光加工技术。图1.1一家加工车间用激光切割不锈钢（2）涡轮叶片钻孔如图1.2所示，红宝石激光高峰值功率输出，是一种完美的微孔加工方法，它唯一的缺点是脉冲重复频率较低，因而加工效率低。图1.2红宝石激光为涡轮叶片打孔（3）拼焊板的激光焊接如图1.3所示，激光拼焊用来设计和生产更轻、更节能的交通工具，贡献巨大。其将不同种类、厚度的钢材接合起来能力使得设计师能够极大地提升车身设计；在最大限度减少标准件数量的情况下，仍能满足严格的安全标准。图1.3激光焊接镀锌汽车底盘（4）心血管支架切割如图1.4所示，Lumonics公司生产的低束散角Nd:YAG激光器成功地应用与支架的切割。图1.4激光切割不锈钢管状支架的放大图1.2.2激光加工产业的发展状况（1）国外工业激光现状国外以美、德、日为代表的几个发达国家在激光加工产业领域的发展速度惊人，它们在主要的大型制造产业，如汽车、电子、机械、航空与钢铁等行业中基本完成了用激光加工工艺对传统工艺的更新换代，进入光制造时代。国外工业激光的发展趋势体现在以下几个方面。鲜明的产品差异化特色，核心竞争力明显。新的应用领域不断拓展延伸。产业链专业分工越来越来细。传统激光器向高功率发展，新型激光器不断涌现。（2）国内工业激光现状。我国激光技术研究几乎和国外同时起步，形成了以中科院四大光机所和华中科技大学为典型代表的研究机构，在激光器的从多核心技术研发上已取得较全面的技术成果。国内工业激光的发展趋势体现在以下几个方面。通过上市融资，龙头企业正在形成。走国际合作道路和引进高层次人才，核心竞争力正在形成。国民经济支柱行业正在加大使用激光制造设备的力度。中国激光产业链正在形成。新一代工业激光器正在受到激光企业的重视。（3）激光加工技术的研究热点将第六界ICALEO激光宏观材料加工会议的860篇报告论文按15大领域分类，得到历年国际激光宏观加工研究分布如图1.5所示。图1.4ICALEO2002~2007六届国际会议激光材料加工报告论文分布（4）激光加工技术的发展趋势激光加工技术包括激光加工设备和加工工艺。从近几年的发展趋势来看，主要体现在以下几个方面。光纤激光异军突起引领未来。超短脉冲激光催生微细加工技术蓬勃发展。长寿命、全固态激光前景广阔。激光设备的自动化，小型化和多功能。复合激光加工技术。2、激光加工技术之激光切割2.1激光切割的机理与分类激光切割属于非接触加工。在激光切割过程中，激光器以连续或脉冲的方式工作，激光束通过导光系统进入切割头，经位于切割头中的透镜聚焦于工件表面附近，焦斑处达到很高的功率密度，被辐射处的工件材料迅速熔化、气化或达到燃点，形成孔洞，随着切割头与工件的相对运动，形成切口，同时借助于激光束同轴的辅助气流将熔化或气化的材料吹除，如图2.1所示。图4.1激光切割过程示意图按切割材料和切割参数的不同，激光切割主要分为四种方式。（1）气化切割：在高功率密度激光束照射下，材料被加热迅速升高至气化温度而无明显熔化，使得部分材料以蒸汽的形式和接近音速的速度从工件表面逸出，在工件表面形成小孔，另一部分材料则借助高压辅助气体以喷射的方式从切口底部吹走。气化切割主要采用脉冲激光。（2）熔化切割：当激光的功率密度较低时，被激光照射处的材料首先熔化，在高纯氮气或其他惰性气体流的作用下，熔融的材料由切口底部排出。其主要用于不能与氧气发生热反应的材料，如铝等。（3）氧化助熔切割：其实质就是采用氧气或其他活性气体作为辅助气体的熔化切割。（4）控制断裂切割：对于某些易受热破坏的脆性材料，当被激光照射时，其激光辐照区域会由于产生较大的热梯度和严重的机械变形，而至使材料形成裂纹，如能够在控制下保持均衡的加热梯度，就可利用激光束引导裂纹在任何需要的方向产生和发展。此方法的特点是切割速度快，且不需要太高的激光功率。2.2影响激光切割质量的因素影响激光切割质量主要包括三方面：切割工件的材料特性、激光光束质量和切割工艺。2.2.1光束质量对激光切割质量的影响（1）光束模式的影响——光束模式相当于机械切割刀具的尖锐度，直接与光束的聚焦能力有关，它决定了聚焦光斑的能量分布状态。光束模式阶次越低，聚光后的光板尺寸越小，功率密度越大，得到的切口越精细，切割效率和切割质量也越高。（2）束散角的影响——束散角过小，难以聚焦到更小的光斑，激光功率密度也更小，难以实现高精密的加工。必须对其进行变换，以降低其束散角。（3）光束偏振性——在激光切割中，切割方向随时可能发生变化，如果采用的激光为线偏振光，那么切割方向相对于激光束偏振方向的改变就会导致切割前沿对激光的吸收率发生变化，从而影响激光切割的质量。2.2.2切割工艺对激光切割质量的影响切割工艺自激光切割技术进入应用阶段以来，一直是人们关注和研究的技术内容，也是激光加工技术中最重要的部分，随着激光器件和设备的不断更新，工艺技术也在不断进步。现对激光切割中采用的通用工艺进行简要的介绍。（1）切割头（包括聚焦透镜和喷嘴）——1、激光束经透镜聚焦后的焦点光斑直径与透镜焦距成正比，因此经短焦距切割头汇聚后的激光光斑尺寸小，焦点处功率密度高，有利于降低切口宽度和减小热影响区，得到的切口质量比较好。2、合理的喷嘴直径有利于激光束准直，且在最佳的喷嘴直径范围内，可以获得较快的切割速度。（2）焦点位置——激光切割的速度在很大的程度上依赖作用于材料表面的激光功率密度，所以确定和保持焦点和工件的相对位置恒定对保证切割质量至关重要。另外，