激光加工技術(shù)的原理及應(yīng)用

1、激光加工技術(shù)摘 要激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一種加工新技術(shù)，涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科。由于激光加工熱影響區(qū)域小，光束方向性好，幾乎可以加工任何材料。常用來進(jìn)行選擇性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特點(diǎn)，其發(fā)展前景廣闊，目前已廣泛應(yīng)用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、切削加工，快速成形，激光鉆孔和基板劃片，半導(dǎo)體處理等。關(guān)鍵詞：原理 、應(yīng)用 新技術(shù) 、精密加工 、引言激光是本世紀(jì)的重大發(fā)明之一，具有巨大的技術(shù)潛力。專家們認(rèn)為，現(xiàn)在是電子技術(shù)的全勝時(shí)期，其主角是計(jì)算機(jī)，下一代將是光技術(shù)時(shí)代

2、，其主角是激光。激光因具有單色性、相干性和平行性三大特點(diǎn)，特別適用于材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，國外已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動(dòng)化加工。激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。 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(yīng)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(biāo)、激光鉆孔和微加工等。用激光束對材料進(jìn)行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光

3、能適應(yīng)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。正文1激光加工技術(shù)的原理及其特點(diǎn)11激光加工的起源早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀(jì)70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對激光加工機(jī)理和工藝的深入研究，激光加工技術(shù)有了很大進(jìn)展，使用范圍隨之?dāng)U大。數(shù)千瓦的激光加工機(jī)已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設(shè)備競相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了激光加工機(jī)的自動(dòng)化水平和使用功能。1.2激光加工的原理激光加工

4、是以激光為熱源對工件進(jìn)行熱加工。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(huì)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(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。從激光器輸出的高強(qiáng)度激光經(jīng)過透鏡聚焦到工件上，其焦點(diǎn)處的功率密度高達(dá)1071012瓦厘米2，溫度高達(dá)1萬攝氏度以上，任何材料都會(huì)瞬時(shí)熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對材料進(jìn)行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器（圖1）和氣體激光

5、器（圖2）。使用二氧化碳?xì)怏w激光器切割時(shí)，一般在光束出口處裝有噴嘴，用于噴吹氧、氮等輔助氣體，以提高切割速度和切口質(zhì)量。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會(huì)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(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。加工過程大體上可分為如下幾個(gè)階段：1.激光束照射工件材料（光的輻射能部分被反射，部分被吸收并對材料加熱，部分因熱傳導(dǎo)而損失）；2.工件材料吸收光能；3.光能轉(zhuǎn)變成熱能是工件材料無損加熱（激光進(jìn)入工件材料的深度極淺，所以在焦點(diǎn)中央，表面溫度迅速升高）；4.工件材料被熔

6、化、蒸發(fā)、汽化并濺出去除或破壞；5.作用結(jié)束與加工區(qū)冷凝。1.3激光加工的特點(diǎn)激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢：1.由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。2.它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點(diǎn)的材料。 3.激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。4.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。5.它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。6.由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作

7、各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。7.使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)上的異形槽，不到4H即可高質(zhì)量完成，而原來采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項(xiàng)，每臺發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)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(zhì)量穩(wěn)定可靠。2激光加工技術(shù)的應(yīng)用由于激光加工技術(shù)具有許多其他加工技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用較廣。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重

8、平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)等。用激光束對材料進(jìn)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(diǎn)：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(diǎn)高、硬度大和質(zhì)脆的材料(如陶瓷、金剛石等)也可用激光加工；激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；工件不受應(yīng)力，不易污染；可以對運(yùn)動(dòng)的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；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(shí)間可以短到納秒和皮秒,同時(shí),大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級，因而激光既適于精密微細(xì)加工,又適于大型材料加工；激光

9、束容易控制,易于與精密機(jī)械、精密測量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加工的高度自動(dòng)化和達(dá)到很高的加工精度；在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工。2.1激光快速成形技術(shù)激光快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，根據(jù)零件的CAD模型，用激光束將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復(fù)雜的零件，該技術(shù)已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。22激光焊接技術(shù)激光焊接強(qiáng)度高、熱變形小、密封性好，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊，以及熔點(diǎn)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

10、熱處理用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL和控制照射時(shí)間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)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(fù)雜的零件和部件,可對盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)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(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。2.3激光打標(biāo)技術(shù)激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級，這對產(chǎn)品的防

11、偽有特殊的意義。準(zhǔn)分子激光打標(biāo)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，特別適用于金屬打標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)亞微米打標(biāo)，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。2.4激光打孔技術(shù) 激光打孔采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔,脈沖寬度為0.11毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.0051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。2.5激光去重平衡技術(shù)激光去重平衡技術(shù)是用激光去掉高速旋轉(zhuǎn)部件上不平衡的過重部分，使慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達(dá)到動(dòng)平衡的過程。激光去重平衡技術(shù)具有測量和去重兩大功能，可同時(shí)進(jìn)行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。對于高精度轉(zhuǎn)子，激光去動(dòng)

12、平衡可成倍提高平衡精度，其質(zhì)量偏心值的平衡精度可達(dá)1%或千分之幾微米。2.6激光蝕刻技術(shù)激光蝕刻技術(shù)比傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)工藝簡單、可大幅度降低生產(chǎn)成本，可加工0.1251微米寬的線，非常適合于超大規(guī)模集成電路的制造。用激光可對流水線上的工件刻字或打標(biāo)記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。2.7激光微調(diào)技術(shù)激光微調(diào)技術(shù)可對指定電阻進(jìn)行自動(dòng)精密微調(diào)，精度可達(dá)0.01%0.002%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調(diào)包括薄膜電阻(0.010.6微米厚)與厚膜電阻(2050微米厚)的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)。2.8激光劃線技術(shù)激光劃線技術(shù)是生產(chǎn)集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，其

13、劃線細(xì)、精度高(線寬為1525微米，槽深為5200微米)，加工速度快(可達(dá)200毫米/秒)，成品率可達(dá)99.5%以上。2.9激光切割技術(shù)在造船、汽車制造等工業(yè)中,常使用百瓦至萬瓦級的連續(xù)CO2激光器對大工件進(jìn)行切割,既能保證精確的空間曲線形狀,又有較高的加工效率。對小工件的切割，常用中、小功率固體激光器或CO2激光器。在微電子學(xué)中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區(qū)小。2.10激光熱、表處理技術(shù)(激光相變硬化、激光淬火）激光熱處理是利用高功率密度的激光束對金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)生用其大表

14、面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到HRC60度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)HRC70度以上,從而提高起抗磨性,抗疲勞,耐腐蝕,抗氧化等性能,延長其使用壽命。激光熱處理技術(shù)與其它熱處理如高頻淬火,滲碳,滲氮等傳統(tǒng)工藝相比,具有以下特點(diǎn): 1.無需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu).處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.1-0.8mm。2.處理層和基體結(jié)合強(qiáng)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(jié)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

15、件的作用時(shí)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(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。2.11激光強(qiáng)化處理技術(shù)激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個(gè)過程，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時(shí)可用于金屬材料的表面相變強(qiáng)化，當(dāng)激光束能連密度處于高端時(shí)，工件表面光斑出相當(dāng)與一個(gè)移動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材

16、料替代技術(shù)，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而在刀具材料改性中主要應(yīng)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(shí)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(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。2.12激光熔凝技術(shù)激光熔凝是用適當(dāng)?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(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.表面熔化時(shí)一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。 2.在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時(shí)急冷重結(jié)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

17、和工件尺寸影響不大。有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。 4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點(diǎn)超細(xì)化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴(kuò)散的單一晶體結(jié)構(gòu)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。2.13激光微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工選擇適當(dāng)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(zhì)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(jìn)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(yīng)，進(jìn)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(jìn)行仿真圖案（或文字）和控制，實(shí)現(xiàn)高保真打標(biāo)；利用光阱的“束縛力”，對生物

18、細(xì)胞執(zhí)行移動(dòng)操作（生物光鑷）。3 激光加工的發(fā)展前景 激光加工用于再制造業(yè)和應(yīng)用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，并優(yōu)于其它加工技術(shù)。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(fù)合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術(shù)成為再制造的一項(xiàng)重要手段。它主要是采用5KW10KWCO2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(guān)；微細(xì)激光加工裝備缺口較大；而這些領(lǐng)域我國的生產(chǎn) 加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進(jìn)入，國內(nèi)應(yīng)用市場有很大發(fā)展空間。預(yù)測今后2-3年內(nèi)，我國激光加工銷售額將會(huì)由2008年的35億人民幣上升翻一倍，也就是說會(huì)達(dá)到70億元產(chǎn)值。 國內(nèi)各類制造業(yè)接受了激光加工技術(shù)，它可使他們的產(chǎn)品增加技術(shù)含量，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，為適應(yīng)21世紀(jì)高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、滿足宏觀與微觀制造的需要，研究和開發(fā)高性能光源勢在必行。目前正在積極研制超紫外、超短脈沖、超大功率、高光束質(zhì)量等特征的激光，尤其是能適應(yīng)微制造技術(shù)要求的激光光源更是倍受關(guān)注，并已形成國際性競爭。參考文獻(xiàn)：結(jié)論激光加工雖屬于較為前沿的技術(shù)，但經(jīng)過