激光制造論文 激光先進制造技術

1、激光先進制造技術論文主題： 激光制造 學 院： 機電與自動化院 專業(yè)班級： XXXXXXXXXX 姓 名： XXX 學 號： XXXXXXXXX 年 級： XXXXX 任課教師： XXXX XXXX年XX月XX日目錄1激光簡介32. 激光生產原理32.1激光產生的物質基礎32.2激光產生的基本原理和方法52.2.1確定液壓系統(tǒng)方案52.2.2光的受激輻射放大條件62.2.3產生激光的基本條件及激光器的組成部分63.激光加工原理及應用63.1 激光加工原理及特點63.2激光技術83.2.1激光打孔93.2.2激光打標113.2.3激光雕刻133.2.4激光微調143.2.5激光切割.153.2.

2、6激光焊接193.2.7激光打印213.2.8激光制版223.2.9激光防偽233.2.10激光掃描233.2.11激光強化.243.2.12微細加工254.激光技術發(fā)展現(xiàn)狀和前景275.總結296.參考文獻30 一.激光簡介 激光是在 1960 年正式問世的。但是，激光的歷史卻已有 100 多年。確切地說，遠在 1893 年，在波爾多一所中學任教的物理教師布盧什就已經指出，兩面靠近和平行鏡子之間反射的黃鈉光線隨著兩面鏡子之間距離的變化而變化。他雖然不能解釋這一點，但為未來發(fā)明激光發(fā)現(xiàn)了一個極為重要的現(xiàn)象。 1917 年愛因斯坦提出 “ 受激輻射 ” 的概念，奠定了激光的理論基礎。激光，又稱鐳

3、射，英文叫“LASER”，是“Light Amplification by Stimu Iatad Emission of Radiation”的縮寫，意思是“受激發(fā)射的輻射光放大”。激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將 “光受激發(fā)射”改稱“激光”。激當前激光技術發(fā)展的越來越迅速和成熟，在我們生活中的各個行業(yè)應用的非常廣泛。由于激光技術的先進性，精確性，所以在當前，在很多行業(yè)都得以應用和實現(xiàn)。本文通過對激光技術的學習，大概闡述了激光生產原理，以及激光在各個方面的應用 。 二、激光產生原理2.1、激光產生的物質基礎光與物質的共振相互作用，特別是這

4、種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理基礎。愛因斯坦認為光和物質原子的相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。為了簡化問題，我們只考慮原子的兩個能級和，處于兩個能級的原子數(shù)密度分別為和，如圖2-1所示。構成黑體物質原子中的輻射場能量密度為，并有。圖2-1二能級原子能級圖（）、自發(fā)輻射處于高能級的一個原子自發(fā)地向低能級躍遷，并發(fā)射一個能量為的光子，這種過程稱為自發(fā)躍遷過程，如圖2-2所示。自發(fā)輻射光圖2-2原子自發(fā)輻射（）、受激輻射處于高能級的原子在滿足的輻射場作用下，躍遷至低能級并輻射出一個能量為且與入射光子全同光子，如圖2-3所示。受激輻射躍遷發(fā)出的光波稱為

5、受激輻射。入射光入射光受激輻射圖2-3原子受激輻射（）、受激吸收受激輻射的反過程就是受激吸收。處于低能級的一個原子，在頻率為的輻射場作用下吸收一個能量為的光子，并躍遷至高能級，這種過程稱為受激吸收，如圖2-4所示。入射光原子吸收入射光子并躍遷至高能級圖2-4原子受激吸收受激輻射和自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于相干性。自發(fā)輻射是不相干的；受激輻射是相干的2.2、激光產生的基本原理和方法2.2.1光學諧振腔及其選模和反饋作用由受激輻射和自發(fā)輻射相干性可知，相干輻射的光子簡并度很大。普通光源在紅外和可見光波段實際上是非相干光源。如果能夠創(chuàng)造這樣一種情況：使得腔內某一特定模式的很大，而其他所有模式的都很小，就

6、能夠在這一特定模式內形成很高的光子簡并度。也就是說，使相干的受激輻射光子集中在某一特定模式內，而不是平均分配在所有模式中。激光器就是采用各種技術措施減少腔內光場模式數(shù)、使介質的受激輻射恒大于受激吸收等來提高光子簡并度，從而達到產生激光的目的。光腔的反饋作用光放大器在許多大功率裝置中廣泛地用來把弱的激光束逐級放大，但在光放大的同時通常還存在著光的損耗，根據(jù)研究光強達到穩(wěn)定的極限值只與放大器本身的參數(shù)有關，而與初始光強無關。特別是，不管初始光強多么弱，只要放大器足夠長，就總能形成確定大小的光強穩(wěn)定極限值，而實際上，既不需要給激活物質輸入一個弱光信號，也不需要真正把激活物質的長度無限增加，而只要在具

7、有一定長度的光放大器兩端放置前述的光學諧振腔。這樣，沿軸向傳播的光波模在兩反射鏡間往返傳播，就等于增加放大器長度。這種作用稱為光學諧振腔的反饋作用。2.2.2光的受激輻射放大條件實現(xiàn)光放大的兩個條件：激勵能源把介質中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去；增益介質能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉分布狀態(tài)。2.2.3產生激光的基本條件及激光器的組成部分產生激光的基本條件是：能在外界激勵能源的作用下形成粒子數(shù)密度反轉分布狀態(tài)的增益介質；要使受激發(fā)射光強超過受激吸收，必須實現(xiàn)粒子數(shù)反轉（方法是利用外界激勵能源把大量粒子激勵到高能級。）；要使受激發(fā)射光強超過自發(fā)發(fā)射，必須提高光子簡并度（方法：利

8、用光學諧振腔造成強輻射場，以提高腔內光場的相干性。）。激光器的組成部分及其作用：一個激光器應包含泵浦源、光放大器和光學諧振腔三部分。其作用分別是使激光物質成為激活物質、對弱光信號進行放大、模式選擇和提供軸向光波模的反饋。 三、激光加工原理與應用 激光加工是指利用激光束投射到材料表面產生的熱效應來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔和微加工等。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。3.1 激光加工的原理及其特點1. 激光加工的原理激

9、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。 2.激光加工的特點 激光具有的寶貴特性決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(xiàn)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

10、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(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)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，經濟效益好。例如：美國通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動機上的異形槽，不到4H即可高質量完成，而原來采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項，每臺發(fā)動機的造價可省5萬美元。激光切割鋼件工效可提高8-20倍，材料可節(jié)省15-30%，大幅度降低了生產成本，并且加工

11、精度高，產品質量穩(wěn)定可靠。雖然激光加工擁有許多優(yōu)點，但不足之處也是很明顯的。隨著激光制造技術的快速發(fā)展，激光技術已經在工業(yè)領域得到廣泛的應用。3.2 激光技術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)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工以及做為光源，識別物體等的一門技術，傳統(tǒng)應用最大的領域為激光加工技術。激光技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術，傳統(tǒng)上看，它的研究范圍一般可分為： 1.激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。 2.激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調等各種加工工藝。用激光束對

12、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(xiàn)加工的高度自動化和達到很高的加工精度；在

13、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。3.2.1.激光打孔 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、化纖噴絲頭等工件的加工。 由于激光具有高能量，高聚焦等特性，激光打孔加工技術廣泛應用于眾多工業(yè)加工工藝中，使得硬度大、熔點高的材料越來越多容易加工。例如，在高熔點金屬鉬板上加工微米量級孔徑；在硬質碳化鎢上加工幾十微米的小孔；在紅、藍寶石上加工幾百微米的深孔以及金剛石拉絲模具、化學纖維的噴絲頭等。利用激光束在空間和時間上高度集中的特點，經而易舉地可將光斑直徑縮小到微米

14、級，從而獲得1001000W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實行激光打孔。 通常激光打孔機由五大部分組成：固體激光器、電氣系統(tǒng)、光學系統(tǒng)，投影系統(tǒng)和三坐標移動工作臺。五個組成部分相互配合從而完成打孔任務。 固體激光器主要負責產生激光光源，電氣系統(tǒng)主要負責對激光器供給能量的電源和控制激光輸出方式(脈沖式或連續(xù)式等)，而光學系統(tǒng)的功能則是將激光束精確地聚焦到工件的加工部位上。為此，它至少含有激光聚焦裝置和觀察瞄準裝置兩個部分。投影系統(tǒng)用來顯示工件背面情況。工作臺則由人工控制或采用數(shù)控裝置控制，在三坐標方向移動，方便又準確地調整工件位置。工作臺上加工區(qū)的臺面一般用玻璃制成，

15、因為不透光的金屬臺面會給檢測帶來不便，而且臺面會在工件被打穿后遭受破壞。工作臺上方的聚焦物鏡下設有吸、吹氣裝置，以保持工作表面和聚焦物鏡的清潔。 激光打孔機與傳統(tǒng)打孔工藝相比，具有以下一些優(yōu)點：（1）激光打孔速度快,效率高,經濟效益好。（2）激光打孔可獲得大的深徑比。（3）激光打孔可在硬、脆、軟等各類材料上進行。（4）激光打孔無工具損耗。（5）激光打孔適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。（6）用激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔 3.2.2.激光打標 、激光打標的原理： 激光打標是用激光束在各種不同的物質表面打上永久的標記。打標的效應是通過表層物質的蒸發(fā)露出深層物質，或者是通過光能導致表層物質的化

16、學物理變化而刻出痕跡，或者是通過光能燒掉部分物質，顯出所需刻蝕的圖案、文字。 目前，公認的原理是兩種： 熱加工具有較高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射區(qū)域內產生熱激發(fā)過程，從而使材料表面（或涂層）溫度上升，產生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象。 冷加工具有很高負荷能量的（紫外）光子，能夠打斷材料（特別是有機材料）或周圍介質內的化學鍵，至使材料發(fā)生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標記加工中具有特殊的意義，因為它不是熱燒蝕，而是不產生熱損傷副作用的、打斷化學鍵的冷剝離，因而對被加工表面的里層和附近區(qū)域不產生加熱或熱變形等作用。例如，電子工業(yè)中使用

17、準分子激光器在基底材料上沉積化學物質薄膜，在半導體基片上開出狹窄的槽。 、激光打標的特點： 1)非接觸加工 可在任何規(guī)則或不規(guī)則表面打印標記，且打標后工件不會產生內應力； 2)材料適用面廣 可在金屬、塑料、陶瓷、玻璃、紙張、皮革等不同種類或不同硬度的材料上打印； 3)可與生產線上的其他設備集成，提高生產線的自動化程度； 4)標記清晰、持久、美觀，并可有效防偽； 5)使用壽命長、無污染； 6)運行成本低 打標速度快且標記一次成型，能耗小，因而運行成本低。 雖然激光打標機的設備投資比傳統(tǒng)標記設備大，但從運行成本而言，使用激光打標機要低得多。 塑封三極管打標：打標機工作速度為10個/秒，若設備折舊以

18、5年計算，打標費用為0.00048元/個。如果使用移印機，其綜合運行成本約為0.002元/個，甚至更高。 軸承表面打標：若軸承三等分打字，總共18個4號字，采用振鏡式打標機，以氪燈燈管的使用壽命為700小時計算，則每個軸承的打標綜合成本為0.00915元。電腐蝕刻字的成本約為0.015元/個。以年產量400萬套軸承計算，僅打標一項，1年最少可以降低成本約6.5萬元。 7)加工效率高 計算機控制下的激光光束可以高速移動(速度達57米/秒)，打標過程可在數(shù)秒內完成。1個標準計算機鍵盤的印字可在12秒內完成。激光打標系統(tǒng)均配有計算機控制系統(tǒng)，可以與高速流水線靈活配合。 8)開發(fā)速度快 由于激光技術和

19、計算機技術的結合，用戶只要在計算機上編程即可實現(xiàn)激光打印輸出，并可隨時變換打印設計，從根本上替代了傳統(tǒng)的模具制作過程，為縮短產品升級換代周期和柔性生產提供了便利工具。 9)加工精度高 激光能以極細的光束作用于材料表面，最細線寬可達到0.05mm。為精密加工和增加防偽功能開創(chuàng)了寬廣的應用空間。 激光印標能滿足在極小的塑料制件上印制大量數(shù)據(jù)的需要。例如，可印制要求更精確，清晰度更高的二維條碼，與壓印或噴射打標方式相比，有更強的市場競爭力。 10)維護成本低 激光打標是非接觸式打標，不像模版印標工藝有使用壽命的限制，在批量加工中的維護成本極低。 11)具有環(huán)保性 激光打標為非接觸式打標，節(jié)約能源，相

20、對于腐蝕法，避免了化學污染；相對于機械式打標，也可減少噪聲污染。3.2.3.激光雕刻 激光雕刻一般指的是在非金屬材料上面進行雕刻或切割。 激光雕刻按雕刻方式不同可分為點陣雕刻和矢量切割：點陣雕刻 點陣雕刻酷似高清晰度的點陣打印。激光頭左右擺動，每次雕刻出一條由一系列點組成的一條線，然后激光頭同時上下移動雕刻出多條線，最后構成整版的圖象或文字。掃描的圖形，文字及矢量化圖文都可使用點陣雕刻。 矢量切割 與點陣雕刻不同，矢量切割是在圖文的外輪廓線上進行。 一臺雕刻機的性能,主要由雕刻速度,雕刻強度和光斑大小而決定. 雕刻速度 雕刻速度指的是激光頭移動的速度，通常用IPS（英寸/秒）表示，高速度帶來高

21、的生產效率。速度也用于控制切割的深度，對于特定的激光強度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻機面板調節(jié)速度，也可利用計算機的打印驅動程序來調節(jié)。在1%到100%的范圍內，調整幅度是1%。悍馬機先進的運動控制系統(tǒng)可以使您在高速雕刻時，仍然得到超精細的雕刻質量 雕刻強度 雕刻強度指射到于材料表面激光的強度。對于特定的雕刻速度，強度越大，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻機面板調節(jié)強度，也可利用計算機的打印驅動程序來調節(jié)。在1%到100%的范圍內，調整幅度是1%。強度越大，相當于速度也越大。切割的深度也越深 光斑大小 光束光斑大小可利用不同焦距的透鏡進行調節(jié)。小光斑的透鏡用于高分辨率的

22、雕刻。大光斑的透鏡用于較低分辨率的雕刻，但對于矢量切割，它是最佳的選擇。新設備的標準配置是 2.0英寸的透鏡。其光斑大小處于中間，適用于各種場合。 一般雕刻機可雕刻以下材料：木制品、有機玻璃、金屬板、玻璃、石材、水晶、可麗耐、紙張、雙色板、氧化鋁、皮革、樹脂、噴塑金屬。 3.2.4.激光微調 采用中、小功率激光器除去電子元器件上的部分材料，以達到改變電參數(shù)（如電阻值、電容量和諧振頻率等）的目的。激光微調精度高、速度快，適于大規(guī)模生產。利用類似原理可以修復有缺陷的集成電路的掩模，修補集成電路存儲器以提高成品率，還可以對陀螺進行精確的動平衡調節(jié)。3.2.5.激光切割 激光切割這里指的是金屬類產品的

23、切割，讓切割原理可以分為激光熔化切割，激光氣化切割和激光火焰切割。1.激光熔化切割在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助氣流把熔化的材料噴射出去。因為材料的轉移只發(fā)生在其液態(tài)情況下，所以該過程被稱作激光熔化切割。激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫，而氣體本身不參與切割。激光熔化切割可以得到比氣化切割更高的切割速度。氣化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中，激光光束只被部分吸收。最大切割速度隨著激光功率的增加而增加，隨著板材厚度的增加和材料熔化溫度的增加而幾乎反比例地減小。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是割縫處的氣壓和材料的熱傳導率。激光熔化切割對于鐵制材

24、料和鈦金屬可以得到無氧化切口。產生熔化但不到氣化的激光功率密度，對于鋼材料來說，在104W/cm²105 W/cm²之間。 2.激光火焰切割激光火焰切割與激光熔化切割的不同之處在于使用氧氣作為切割氣體。借助于氧氣和加熱后的金屬之間的相互作用，產生化學反應使材料進一步加熱。對于相同厚度的結構鋼，采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。另一方面，該方法和熔化切割相比可能切口質量更差。實際上它會生成更寬的割縫、明顯的粗糙度、增加的熱影響區(qū)和更差的邊緣質量。激光火焰切割在加工精密模型和尖角時是不好的（有燒掉尖角的危險）?？梢允褂妹}沖模式的激光來限制熱影響。所用的激光功率決定切割速

25、度。在激光功率一定的情況下，限制因數(shù)就是氧氣的供應和材料的熱傳導率。3.激光氣化切割在激光氣化切割過程中，材料在割縫處發(fā)生氣化，此情況下需要非常高的激光功率。為了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上，材料的厚度一定不要大大超過激光光束的直徑。該加工因而只適合于應用在必須避免有熔化材料排除的情況下。該加工實際上只用于鐵基合金很小的使用領域。該加工不能用于，象木材和某些陶瓷等，那些沒有熔化狀態(tài)因而不太可能讓材料蒸氣再凝結的材料。另外，這些材料通常要達到更厚的切口。在激光氣化切割中，最優(yōu)光束聚焦取決于材料厚度和光束質量。激光功率和氣化熱對最優(yōu)焦點位置只有一定的影響。所需的激光功率密度要大于108W/cm2，并

26、且取決于材料、切割深度和光束焦點位置。在板材厚度一定的情況下，假設有足夠的激光功率，最大切割速度受到氣體射流速度的限制。 激光切割的主要特性 1. 激光切割的切縫窄，工件變形小 激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度。這時光束輸入的熱量遠遠超過被材料反射、傳導或擴散的部分，材料很快加熱至汽化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫。切邊受熱影響很小，基本沒有工件變形。 切割過程中還添加與被切材料相適合的輔助汽體。鋼切割時利用氧作為輔助汽體與熔融金屬產生放熱化學反應氧化材料，同時幫助吹走割縫內的熔渣。切割聚丙烯一類塑料使用壓縮空氣，棉、紙等易燃材料

27、切割使用惰性汽體。進入噴嘴的輔助汽體還能冷卻聚焦透鏡，防止煙塵進入透鏡座內污染鏡片并導致鏡片過熱。 大多數(shù)有機與無機材料都可以用激光切割。在工業(yè)制造系統(tǒng)占有份量很重的金屬加工業(yè)，許多金屬材料，不管它是什么樣的硬度，都可以進行無變形切割。當然，對高反射率材料，如金、銀、銅和鋁合金，它們也是好的傳熱導體，因此激光切割很困難，甚至不能切割。 激光切割無毛刺、皺折、精度高，優(yōu)于等離子切割。對許多機電制造行業(yè)來說，由于微機程序控制的現(xiàn)代激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無須修理模具，還節(jié)約更換模具時間，從而節(jié)省了加

28、工費用，降低了生產成本，所以從總體上考慮是更合算的。 2. 激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工 激光束聚焦后形成具有極強能量的很小作用點，把它應用于切割有許多特點。首先，激光光能轉換成驚人的熱能保持在極小的區(qū)域內，可提供 （1）狹的直邊割縫； （2）最小的鄰近切邊的熱影響區(qū)； （3）極小的局部變形。 其次，激光束對工件不施加任何力，它是無接觸切割工具，這就意味著 （1）工件無機械變形； （2）無刀具磨損，也談不上刀具的轉換問題； （3）切割材料無須考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影響，任何硬度的材料都可以切割。 再次，激光束可控性強，并有高的適應性和柔性，因而 （1

29、）與自動化設備相結合很方便，容易實現(xiàn)切割過程自動化； （2）由于不存在對切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力； （3）與計算機結合，可整張板排料，節(jié)省材料。 3. 激光切割具有廣泛的適應性和靈活性 與其它常規(guī)加工方法相比，激光切割具有更大的適應性。 首先，與其他熱切割方法相比，同樣作為熱切割過程，別的方法不能象激光束那樣作用于一個極小的區(qū)域，結果導致切口寬、熱影響區(qū)大和明顯的工件變形。激光能切割非金屬，而其它熱切割方法則不能。 應用范圍：汽車行業(yè)、計算機、電氣機殼、木刀模業(yè)、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵

30、板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業(yè)使用的鈦合金等等。 使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。 3.2.6激光焊接 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?shù)牟ㄩL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

31、處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復離子轟擊所引起損傷的硅材料。 激光焊接的原理：將高強度的激光輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。由于其獨特的優(yōu)點，已成功地應用于微、小型零件的精密焊接中。高功率CO2及高功率YAG激光器的出現(xiàn)，開辟了激光焊接的新領域，獲得了以小孔效應為理論基礎的深熔焊接，在機械、汽車、鋼鐵等工業(yè)部門獲得了日益廣泛的應用。 與其它焊接技術比較，激光焊接的主要優(yōu)點是： 激光焊接速度快、深度大、變形小。 能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或對光束透明的

32、材料進行焊接。 激光聚焦后，功率密度高，在用高功率激光器焊接工件時，深寬比可達 5:1, 最高可達 10:1。 可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。例如，金剛石鋸片，用激光將基材（65Mn）和高強超硬的人造金鋼石焊接，使這種鋸片壽命、價值倍增。 可進行微型焊接。激光束經聚焦后可獲得很小的光斑，且能精密定位，可應用于大批量自動化生產的微、小型元件的組焊中。例如，集成電路引線、鐘表游絲、顯像管電子槍組裝、手機電池的封焊等由于采用了激光焊，不僅生產效率大大提高，且熱影響區(qū)小，焊點無污染，大大提高了焊接的質量。常見應用：汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等密

33、封器件以及各種不允許焊接污染和變形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半導體泵浦激光器。3.2.7.激光打印 激光打印機的工作原理： 由激光器發(fā)射出的激光束，經反射鏡射入聲光偏轉調制器，與此同時，由計算機送來的二進制圖文點陣信息，從接口送至字形發(fā)生器，形成所需字形的二進制脈沖信息，由同步器產生的信號控制9個高頻振蕩器，再經頻率合成器及功率放大器加至聲光調制器上，對由反射 鏡射入的激光束進行調制。調制后的光束射入多面轉鏡，再經廣角聚焦鏡把光束聚焦后射至光導鼓(硒鼓)表面上，使角速度掃描變成線速度掃描，完成整個掃描過程。 硒鼓表面先由充電極充電，使其獲得一定電位，之后經載有圖文映

34、像信息的激光束的曝光，便在硒鼓的表面形成靜電潛像，經過磁刷顯影器顯影，潛像即轉變成可見的墨粉像，在 經過轉印區(qū)時，在轉印電極的電場作用下，墨粉便轉印到普通紙上，最后經預熱板及高溫熱 滾定影，即在紙上熔凝出文字及圖像。在打印圖文信息前，清潔輥把未轉印走的墨粉清除 ，消電燈把鼓上殘余電荷清除，再經清潔紙系統(tǒng)作徹底的清潔，即可進入新的一輪工作周期。 激光打印機的優(yōu)點：速度快，效果好，使用成本低。3.2.8.激光制版 激光制版的原理： 激光雕刻印版即把聚焦的激光束射向印版，把印版的指定范圍熔化，然后去除不需要的部分，制出凸、凹的圖像，圖像的形狀、大小、尺寸等可由電子調制來控制。一般說來，當激光的功率密

35、度達到 10-lOw/cm時制版材料（包括陶瓷）都要熔化或者氣化，而中等強度的激光束經透鏡聚焦后，在焦點處得到的功率密度值遠遠大于上述數(shù)值，故激光比較適合雕刻印版。 激光因其有單色性、高能、相干性好等特點，在雕刻制版方面表現(xiàn)出很強的優(yōu)越性，尤其是現(xiàn)代的紫激光技術的發(fā)展和應用，使得印版的制作更趨完善。激光具有高強度，不僅對非金屬材料（如成像膠片、感光樹脂版和塑料版材等）熔化蝕刻，而且也能將金屬材料（鎳、鉛、鋼、鉻等版材）熔化。甚至能蝕刻耐火度很高的陶瓷輥，與其它方法相比，其蝕刻范圍要廣泛得多。激光制版速度快、質量好。一般刻一個對開的時間為3min左右，若采用波長更短的紫激光技術，時間會更短一些，

36、而且可以提高解像力，確保網點質量。因激光相干性好、能量集中，所以其雕刻效率高，總耗能少。激光制版并非十全十美，其中存在的問題在于激光直接雕刻金屬的效果不佳。因激光蝕刻的著墨孔不光潔、有毛刺，同時金屬表面對激光的反射作用大，只有使用大功率激光器才能雕刻。一般解決這個問題的辦法是在金屬滾筒外面套上樹脂或塑料套筒，激光不直接在金屬版上雕刻。3.2.9.激光防偽 激光防偽又稱激光全息圖像防偽技術，它是通過激光制版，將影像制作在塑料薄膜上，產生五光十色的衍射效果。并使圖片具有二維、三維空間感，在普通光線下，隱藏的圖像、信息會重現(xiàn)。當光線在某一特定角度照射時，又會呈現(xiàn)新的圖像。這種模壓全息圖片可以像印刷一

37、樣大批量快速復制，成本較低，且可以與各類印刷技術相結合使用。 隨著全息技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，出現(xiàn)了許多以全息圖為載體的新技術，如動態(tài)全息技術， 2D3D技術、點陣全息技術、縮微加密技術、合成加密技術、光化浮雕技術、機器識別信息技術等等。這使得全息防偽技術兼具一線防偽和二線防偽的特性，相信全息技術將會成為應用最為廣泛，防偽力度最強的防偽技術之一，并以其獨特的藝術效果和防偽性能，在印刷包裝領域中得到大規(guī)模應用。 3.2.10.激光掃描 激光掃描條碼識讀器由于其獨有的大景深區(qū)域、高掃描速度、寬掃描范圍等突出優(yōu)點得到了廣泛的使用。另外，激光全角度掃描識讀器由于能夠高速掃描識讀任意方向通過的條碼符號，被

38、大量使用在各種自動化程度高、物流量大的領域。 激光掃描條碼識讀器由激光源、光學掃描、光學接收、光電轉換、信號放大、整形、量化和譯碼等部分組成。下面將詳細討論這些組成部分。 3.2.11.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

39、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、重溶細化、上釉和表面復合化等。激光熔凝是用適當?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： 1.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。 2.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。 3.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。 4.提高溶質原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質

40、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獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。光束可以通過光路導向，因而可以處理零件特殊位置和形狀復雜的表面。綜合激光技術的優(yōu)點及以被廣泛應用的技術的缺點，把激光技術應用于刀具材料表面強化處理，將是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一，尤其對于陶瓷、硬質合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點，有利于提高加工效率和加工精度，并能對難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進行切削加工。由于它們強度相對較低，韌性較差，嚴重地限制了它們的應用范圍，因此把激光表面強化技術應用于陶瓷、硬質合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應用前景。3.2.12.微

41、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(tǒng)，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。例如，高精密光柵的刻制；通過CAD/CAM軟件進行仿真圖案（或文字）和控制，實現(xiàn)高保真打標；利用光阱的“束縛力”，對生物細胞執(zhí)行移動操作（生物光鑷）。微細加工工藝。（l）微細機械加工工藝 凸形（外）表面的微細切削大多采用單晶金剛石車刀或銑刀。刀尖半徑約為100m。單晶金剛石立銑刀的刀頭形狀，當?shù)毒呋剞D時，金剛石刀片形成一個45圓錐的切削面。凹形（內）表面的微細

42、切削時，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如鉆孔用麻花鉆可加工小至50m的孔，更小的孔則無麻花鉆商品，可采用扁鉆。微細加工中俯個關鍵問題是刀具安裝后的姿態(tài)及其與主軸軸線的同軸度是否與坐標系一致，否則很難保證微小的切除量。為此可在同一臺機床上制作刀具后進行加工，使刀具的制作和微細加工采用同一工作條件，避免裝夾的誤差。如果在機床上采用線放電磨削制作銑刀，可以用它銑出50m寬的槽。 （2）微細電加工工藝 微型軸和異形截面桿的加工可采用線放電磨削法（WEDG）加工。它的獨特的放電回路使放能僅為一般電火花加工的1/100。如需獲得更為光滑的表面，則可以在WEDG加工后，再采用線電化磨削法（WECG），它

43、是用去離子水在低電流下去除極薄的表面層。微細電火花加工（MEDM）所用的機床如日本松下電氣產業(yè)公司的MG-ED71，它的定位控制的分辯率為0.1m，最小加工孔徑達5m，表面粗糙度達0.1m。加工節(jié)徑300m、厚100m的9齒不銹鋼齒輪時，先用24m的電極連續(xù)打孔加工出粗輪廓，再用31mm電極按齒形曲線掃描出輪廓，精度達3m。也可用它加工微型階梯軸，最小直徑為30m，加工的鍵槽截面為10m10m。加工微小零件的電極應在同一臺電加工機床上制作，否則由于電極的連接和安裝誤差很難加工出小于直徑100m微型孔。如在微細電火花機床上加工電極或超聲加工工具，就可加工出510m微型孔。微細電加工與微細機械加工相比雖材料切除率較低，但加工尺寸能更細小，孔的長徑比更大可達510，尤其對于微細的復雜凹形內腔加工更有其優(yōu)越性。三 激光技術發(fā)展現(xiàn)狀和前景激光作為上世紀發(fā)明的新光源，它具有方向性好、亮度高、單色性好及高能量密度等特點，已廣泛應用于工業(yè)生產、通訊、信息處理、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事、文化教育以及科研等方面。據(jù)統(tǒng)計，從高端的光纖到常見的條形碼掃描儀，每年與激光相關產品和服務的市場價值高達上萬億美元。我國激光產品主要應用于工業(yè)加工，占據(jù)了40%以上的市場空間。激光加