激光加工技術(shù)及其應(yīng)用

7/8激光加工技術(shù)及其應(yīng)用目錄激光加工技術(shù)及其應(yīng)用 11、激光加工技術(shù) 21.1激光加工技術(shù)的分類 21.2激光加工技術(shù)的發(fā)展 31.2.1激光加工技術(shù)的標(biāo)志性成果 31.2.2激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r 62、激光加工技術(shù)之激光切割 72.1激光切割的機(jī)理與分類 72.2影響激光切割質(zhì)量的因素 82.2.1光束質(zhì)量對(duì)激光切割質(zhì)量的影響 82.2.2切割工藝對(duì)激光切割質(zhì)量的影響 82.3激光切割表面質(zhì)量的評(píng)判依據(jù) 9激光作為二十世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)明之一，經(jīng)過五十年的發(fā)展已被人們廣泛地研究和認(rèn)識(shí)，并為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用。時(shí)至今日，激光應(yīng)用技術(shù)已成為從多領(lǐng)域中不可替代的關(guān)鍵技術(shù)，其中激光加工技術(shù)是最具代表性、用途最廣的激光應(yīng)用技術(shù)，激光加工設(shè)備也被譽(yù)為材料加工領(lǐng)域的萬能工具。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，如今已有幾十種激光器在工業(yè)加工、科學(xué)研究、軍事、醫(yī)療、通訊、環(huán)境探測(cè)及其航空航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用，激光也成為應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)代高新技術(shù)之一。1、激光加工技術(shù)1.1激光加工技術(shù)的分類已較為成熟的激光加工技術(shù)主要有激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光雕刻技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光表面強(qiáng)化技術(shù)、激光調(diào)阻技術(shù)、激光刻線技術(shù)、激光直寫技術(shù)、激光快速成型技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光微細(xì)加工技術(shù)以及激光修復(fù)技術(shù)等。下面對(duì)以上激光加工技術(shù)特點(diǎn)做一簡(jiǎn)單的介紹。激光切割激光切割是應(yīng)用激光聚焦后所產(chǎn)生的高功率密度能量實(shí)現(xiàn)的，與傳統(tǒng)的材料加工方法相比，激光切割具有更高的切割質(zhì)量、更高的切割速度、更好的柔性和廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。例如，可以利用激光對(duì)高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)的金屬材料進(jìn)行形狀復(fù)雜的三維立體零件切割，這也正是激光切割的優(yōu)勢(shì)所在。激光打標(biāo)激光打標(biāo)是指利用高能量密度激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，使材料表層發(fā)生氣化或變色的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種方法。例如，利用紫外的短波段激光束，可以實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)的亞微米級(jí)尺度的打標(biāo)，并廣泛用于微電子行業(yè)和生物工程。激光打孔激光打孔是得到實(shí)際應(yīng)用最早的一項(xiàng)激光加工技術(shù)，它具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、成本低和經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為諸多制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。激光焊接激光焊接技術(shù)是激光加工技術(shù)的重要領(lǐng)域，已成為金屬焊接的重要手段并得到廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是焊接速度快、變形小、深度大，可以在溫室或特殊的條件下進(jìn)行焊接，設(shè)備操控性好，無污染。激光表面強(qiáng)化激光表面強(qiáng)化又被細(xì)分為激光淬火技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、激光表面重熔技術(shù)以及激光表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)，這些技術(shù)已成為改善和提高金屬材料表面性能的重要技術(shù)途徑。激光調(diào)阻技術(shù)激光調(diào)阻技術(shù)利用激光對(duì)特定電阻的阻值進(jìn)行自動(dòng)的精密微調(diào)，其加工精度達(dá)0.01%~0.002%，與傳統(tǒng)的加工方法相比，加工精度與效率均有大幅的提高，使電阻器件生產(chǎn)的成本明顯降低。1.2激光加工技術(shù)的發(fā)展1.2.1激光加工技術(shù)的標(biāo)志性成果根據(jù)準(zhǔn)則：其應(yīng)用為工業(yè)激光加工帶來了新的突破，并形成了有影響的產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)，同時(shí)由于相關(guān)激光設(shè)備的開發(fā)衍生了新產(chǎn)品的制造技術(shù)?？偨Y(jié)了近五十年來激光加工技術(shù)發(fā)展中最具代表性和具有重要意義的成果，如下。1鈑金切割如圖1.1所示，鈑金切割系統(tǒng)初次安裝之后，全球范圍安裝了超過75000臺(tái)，預(yù)計(jì)總價(jià)值超過450億美元。激光鈑金切割是目前為止應(yīng)用最廣的高功率工業(yè)激光加工技術(shù)。圖1.1一家加工車間用激光切割不銹鋼（2）渦輪葉片鉆孔如圖1.2所示，紅寶石激光高峰值功率輸出，是一種完美的微孔加工方法，它唯一的缺點(diǎn)是脈沖重復(fù)頻率較低，因而加工效率低。圖1.2紅寶石激光為渦輪葉片打孔（3）拼焊板的激光焊接如圖1.3所示，激光拼焊用來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)更輕、更節(jié)能的交通工具，貢獻(xiàn)巨大。其將不同種類、厚度的鋼材接合起來能力使得設(shè)計(jì)師能夠極大地提升車身設(shè)計(jì)；在最大限度減少標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量的情況下，仍能滿足嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。圖1.3激光焊接鍍鋅汽車底盤（4）心血管支架切割如圖1.4所示，Lumonics公司生產(chǎn)的低束散角Nd:YAG激光器成功地應(yīng)用與支架的切割。圖1.4激光切割不銹鋼管狀支架的放大圖1.2.2激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r（1）國(guó)外工業(yè)激光現(xiàn)狀國(guó)外以美、德、日為代表的幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家在激光加工產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展速度驚人，它們?cè)谥饕拇笮椭圃飚a(chǎn)業(yè)，如汽車、電子、機(jī)械、航空與鋼鐵等行業(yè)中基本完成了用激光加工工藝對(duì)傳統(tǒng)工藝的更新?lián)Q代，進(jìn)入光制造時(shí)代。國(guó)外工業(yè)激光的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。鮮明的產(chǎn)品差異化特色，核心競(jìng)爭(zhēng)力明顯。新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展延伸。產(chǎn)業(yè)鏈專業(yè)分工越來越來細(xì)。傳統(tǒng)激光器向高功率發(fā)展，新型激光器不斷涌現(xiàn)。（2）國(guó)內(nèi)工業(yè)激光現(xiàn)狀。我國(guó)激光技術(shù)研究幾乎和國(guó)外同時(shí)起步，形成了以中科院四大光機(jī)所和華中科技大學(xué)為典型代表的研究機(jī)構(gòu)，在激光器的從多核心技術(shù)研發(fā)上已取得較全面的技術(shù)成果。國(guó)內(nèi)工業(yè)激光的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。通過上市融資，龍頭企業(yè)正在形成。走國(guó)際合作道路和引進(jìn)高層次人才，核心競(jìng)爭(zhēng)力正在形成。國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱行業(yè)正在加大使用激光制造設(shè)備的力度。中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)鏈正在形成。新一代工業(yè)激光器正在受到激光企業(yè)的重視。（3）激光加工技術(shù)的研究熱點(diǎn)將第六界ICALEO激光宏觀材料加工會(huì)議的860篇報(bào)告論文按15大領(lǐng)域分類，得到歷年國(guó)際激光宏觀加工研究分布如圖1.5所示。圖1.4ICALEO2002~2007六屆國(guó)際會(huì)議激光材料加工報(bào)告論文分布（4）激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)激光加工技術(shù)包括激光加工設(shè)備和加工工藝。從近幾年的發(fā)展趨勢(shì)來看，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。光纖激光異軍突起引領(lǐng)未來。超短脈沖激光催生微細(xì)加工技術(shù)蓬勃發(fā)展。長(zhǎng)壽命、全固態(tài)激光前景廣闊。激光設(shè)備的自動(dòng)化，小型化和多功能。復(fù)合激光加工技術(shù)。2、激光加工技術(shù)之激光切割2.1激光切割的機(jī)理與分類激光切割屬于非接觸加工。在激光切割過程中，激光器以連續(xù)或脈沖的方式工作，激光束通過導(dǎo)光系統(tǒng)進(jìn)入切割頭，經(jīng)位于切割頭中的透鏡聚焦于工件表面附近，焦斑處達(dá)到很高的功率密度，被輻射處的工件材料迅速熔化、氣化或達(dá)到燃點(diǎn)，形成孔洞，隨著切割頭與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成切口，同時(shí)借助于激光束同軸的輔助氣流將熔化或氣化的材料吹除，如圖2.1所示。圖4.1激光切割過程示意圖按切割材料和切割參數(shù)的不同，激光切割主要分為四種方式。（1）氣化切割：在高功率密度激光束照射下，材料被加熱迅速升高至氣化溫度而無明顯熔化，使得部分材料以蒸汽的形式和接近音速的速度從工件表面逸出，在工件表面形成小孔，另一部分材料則借助高壓輔助氣體以噴射的方式從切口底部吹走。氣化切割主要采用脈沖激光。（2）熔化切割：當(dāng)激光的功率密度較低時(shí)，被激光照射處的材料首先熔化，在高純氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w流的作用下，熔融的材料由切口底部排出。其主要用于不能與氧氣發(fā)生熱反應(yīng)的材料，如鋁等。（3）氧化助熔切割：其實(shí)質(zhì)就是采用氧氣或其他活性氣體作為輔助氣體的熔化切割。（4）控制斷裂切割：對(duì)于某些易受熱破壞的脆性材料，當(dāng)被激光照射時(shí)，其激光輻照區(qū)域會(huì)由于產(chǎn)生較大的熱梯度和嚴(yán)重的機(jī)械變形，而至使材料形成裂紋，如能夠在控制下保持均衡的加熱梯度，就可利用激光束引導(dǎo)裂紋在任何需要的方向產(chǎn)生和發(fā)展。此方法的特點(diǎn)是切割速度快，且不需要太高的激光功率。2.2影響激光切割質(zhì)量的因素影響激光切割質(zhì)量主要包括三方面：切割工件的材料特性、激光光束質(zhì)量和切割工藝。2.2.1光束質(zhì)量對(duì)激光切割質(zhì)量的影響（1）光束模式的影響——光束模式相當(dāng)于機(jī)械切割刀具的尖銳度，直接與光束的聚焦能力有關(guān)，它決定了聚焦光斑的能量分布狀態(tài)。光束模式階次越低，聚光后的光板尺寸越小，功率密度越大，得到的切口越精細(xì)，切割效率和切割質(zhì)量也越高。（2）束散角的影響——束散角過小，難以聚焦到更小的光斑，激光功率密度也更小，難以實(shí)現(xiàn)高精密的加工。必須對(duì)其進(jìn)行變換，以降低其束散角。（3）光束偏振性——在激光切割中，切割方向隨時(shí)可能發(fā)生變化，如果采用的激光為線偏振光，那么切割方向相對(duì)于激光束偏振方向的改變就會(huì)導(dǎo)致切割前沿對(duì)激光的吸收率發(fā)生變化，從而影響激光切割的質(zhì)量。2.2.2切割工藝對(duì)激光切割質(zhì)量的影響切割工藝自激光切割技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段以來，一直是人們關(guān)注和研究的技術(shù)內(nèi)容，也是激光加工技術(shù)中最重要的部分，隨著激光器件和設(shè)備的不斷更新，工藝技術(shù)也在不斷進(jìn)步?，F(xiàn)對(duì)激光切割中采用的通用工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。（1）切割頭（包括聚焦透鏡和噴嘴）——1、激光束經(jīng)透鏡聚焦后的焦點(diǎn)光斑直徑與透鏡焦距成正比，因此經(jīng)短焦距切割頭匯聚后的激光光斑尺寸小，焦點(diǎn)處功率密度高，有利于降低切口寬度和減小熱影響區(qū)，得到的切口質(zhì)量比較好。2、合理的噴嘴直徑有利于激光束準(zhǔn)直，且在最佳的噴嘴直徑范圍內(nèi)，可以獲得較快的切割速度。（2）焦點(diǎn)位置——激光切割的速度在很大的程度上依賴作用于材料表面的激光功率密度，所以確定和保持焦點(diǎn)和工件的相對(duì)位置恒定對(duì)保證切割質(zhì)量至關(guān)重要。另外，