材料激光加工技術論文

1、 激光在材料加工領域中的 研究與應用 材料激光加工技術論文 學院 ： 材料學院班級 ： 姓名 ： 學號 ： 摘要：激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）的原理進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一種加工新技術，涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科。由于激光加工熱影響區(qū)域小，光束方向性好，其幾乎可以加工任何材料。常用來進行選擇性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特點，其發(fā)展前景廣闊。 關鍵詞：激光 材料加工 論文正文： 激光是本世紀的重大發(fā)明之一，具有巨大的技術潛力， 自1960年第一臺激光器問世以來，激光的研究及其在各個領域的應用得到了迅速的發(fā)展。從原理

2、上說，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。激光因具有單色性、相干性和平行性三大特點，特別適用于材料加工。激光加工是激光應用最有發(fā)展前途的領域，國外已開發(fā)出20多種激光加工技術。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。其高相干性在高精密測量、物質結構分析、信息存儲及通信等領域得到了廣泛應用。激光的高單色性，可在光化學領域對一些相距很近的能級作選擇激發(fā)，進行重金屬的同位素分離；激光的高方向性和高亮度可廣泛應用于加工制造業(yè)。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以

3、及相應工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來，激光制造技術已滲入到諸多高新技術領域和產業(yè)，并開始取代或改造某些傳統的加工行業(yè)。 激光加工技術是一種高度柔性和智能化的先進加工技術, 它集成了數控技術、激光技術和材料技術等現代科技成果, 技術涉及范圍廣。激光加工技術是指各種以高能密度激光束為手段, 通過激光束與材料之間的物理和化學等作用, 實現改變物質形態(tài)或性質的先進材料加工技術。激光加工涉及激光物理、材料、電子、機械和工程傳熱等多門學科, 綜合了激光、制造、控制和計算機應用等多項技術, 已成為多學科交叉和多技術綜合的一種典型的先進制造技術。激光加工具有非接觸、無污染、熱影響區(qū)域小、加工精度高以及

4、可選區(qū)加工等特點, 而且在特定的加工情況下是其他制造方法不可替代的。因此, 激光加工技術在許多行業(yè)中都得到了重要而廣泛的應用。激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業(yè)實行適時生產的關鍵技術，為優(yōu)質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。 激光加工的原理是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。激光具有的寶貴特性決

5、定了激光在加工領域存在的優(yōu)勢：由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調，因此可以實現多種加工的目的。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、及高熔點的材料。 激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。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。它可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工。由于激光束易于導向、聚集實現作各方向變換，極易與數控系統配合，對復雜工件進行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。使用激光加工，生產效率高，質量可靠，經濟

6、效益好。眾所周知鉆孔、切割、焊接以及淬火，是加工金屬材料時最常用的操作。自從引進了激光后，在加工的強度、質量以及范圍等方面開創(chuàng)了全新的局面。除了金屬材料外，激光還能加工許多非金屬材料。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：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；激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；工件不受應力，不易污染；可以對運動的工件或密封在玻璃殼內的材料加工；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,作用時間可以短到納秒和皮秒,同時,大功率激光器

7、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；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，實現加工的高度自動化和達到很高的加工精度；在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機器人進行激光加工。目前已成熟的激光加工技術包括：激光快速成形技術、激光焊接技術、激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光去重平衡技術、激光蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表面處理技術?，F將其特點整理如下： 1、激光快速成形技術集成了激光技術、cad/cam技術和材料技術的最新成果，根據零件的cad模型，用激光束將光

8、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雜的零件，該技術已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)領域得到廣泛應用。2、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，選擇適當的波長和控制照射時間、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，氣缸活塞經激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理

9、可恢復離子轟擊所引起損傷的硅材料。3、激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一。激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級，這對產品的防偽有特殊的意義。準分子激光打標是近年來發(fā)展起來的一項新技術，特別適用于金屬打標，可實現亞微米打標，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。激光打孔 4、采用脈沖激光器可進行打孔,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

10、件的加工。5、激光去重平衡技術是用激光去掉高速旋轉部件上不平衡的過重部分，使慣性軸與旋轉軸重合，以達到動平衡的過程。激光去重平衡技術具有測量和去重兩大功能，可同時進行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領域有廣闊的應用前景。對于高精度轉子，激光動平衡可成倍提高平衡精度，其質量偏心值的平衡精度可達1%或千分之幾微米。 6、激光蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝簡單、可大幅度降低生產成本，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。 7、激光微調技術可對指定電阻進行自動精密微調，精度可達0.01%0.002%，比傳統加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調包括薄膜電阻(0

11、.010.6微米厚)與厚膜電阻(2050微米厚)的微調、電容的微調和混合集成電路的微調。 8、激光存儲技術是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計算機信息的一種技術，是信息化時代的支撐技術之一。 9、激光劃線技術是生產集成電路的關鍵技術，其劃線細、精度高(線寬為1525微米，槽深為5200微米)，加工速度快(可達200毫米/秒)，成品率可達99.5%以上。 10、激光清洗技術的采用可大大減少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。 11、激光熱、表處理技術包括：激光相變硬化技術、激光包覆技術、激光表面合金化技術、激光退火技術、激光沖擊硬化技術、激光強化電鍍技術、激光上釉技術，這些技術對改變材

12、料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。于航空、航天、兵器、核工業(yè)、 汽車制造業(yè)中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。 12、激光退火技術是半導體加工的一種新工藝,效果比常規(guī)熱退火好得多。激光退火后, 雜質的替位率可達到98%99%, 可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/21/3, 還可大大提高集成電路的集成度, 使電路元件間的間隔縮小到0.5微米。 13、激光沖擊硬化技術能改善金屬材料的機械性能, 可阻止裂紋的產生和擴展, 提高鋼、鋁、鈦等合金的強度和硬度, 改善其抗疲勞性能。 14、激光強化電鍍技術可提高金屬的沉積速度, 速度比無激光照射快1000倍, 對微型開關、精密儀器零

13、件、微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產和修補具有重大義意。使用改技術可使電度層的牢固度提高昂1001000倍。 15、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。在微電子學中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區(qū)小。用激光可對流水線上的工件刻字或打標記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。 16、激光上釉技術對于材料改性很有發(fā)展前途, 其成本低, 容易控制和復制, 有利于發(fā)展新材料。激光上釉結合火焰噴涂、等離子噴涂、離子沉積等技術, 在控制組織

14、、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應用前景。電子材料、電磁材料和其它電氣材料經激光上釉后用于測量儀表極為理想。 17、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，產生新

15、的表面層。根據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。 18、激光熔凝是用適當的參數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： 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；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；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；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

16、獲得傳統方法得不到的優(yōu)良性能。 19、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，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。 目前的研究進展也已經顯示，激光微技術是有發(fā)展?jié)摿Φ娜S微制造技術，將可能成為微系統制造的主流技術之一。德國國家教研部從2002年開始，出臺了為期五年的光學資助計劃，其中重要的一項內容就是激光微制造技術的研究。該計劃僅2002年的資金投入就是0.478億歐元，后續(xù)幾年的投入按一定比例遞增。德國采取分解式的單元技術研究，

17、在光的微制造與微納技術的硬件方面，五年研究規(guī)劃的目標定位在新的激光光源和超精細聚焦系統上，達到1500.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過衍射極限、分辨率小于100nm的高重復性近場透鏡。 激光加工屬于較為前沿的技術，但經過幾十年的發(fā)展，已廣泛應用于很多領域。由于其激光加工可實現零誤差，在精密加工上有著無可替代的地位。在未來的某一天，激光加工定會融入到生活應用的各方各面。 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5kw10kwco2高功率激光器及其系統。 與國際上激光加工系統相比，我國的激光加工系統差距甚大，僅占全球銷售額的4%左右。主要表現為：高檔激光加工系統很少，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 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。預測不久，我國激光加工銷售額將會由2008年的35億