搜索
2011/6/6材料科学与工程学院F0805102班5080519046王江王江激光加工的技术现状、优势和社会意义材料科学与工程专业讲座论文王江50805190462摘要：本文主要简要概述了激光加工技术的定义及范围，其国内外发展现状及发展趋势，较比于传统的切割技术激光加工技术的优势，此外介绍了激光加工技术应用的具体应用及其重要意义。关键词：激光加工技术、发展现状、社会意义、发展趋势、技术优势一、前言激光是20世纪60年代的新光源。由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好等特点而得到广泛应用.激光加工是激光应用最有发展前途的领域之一，现在已开发出20多种激光加工技术。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的范围一般可分为：激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。二、激光加工技术的现状2.1激光加工技术现状和各领域的发展作为20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业革新的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对种种质料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据1997~1998年的最新激光市场品评和预测，1997年全世界总激光器市场贩卖额达32.2亿美元，比1996年增长14％，其中质料加工为8.29亿美元，医疗应用3亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增长19％，可到达38.2亿美元。其中占第一位的质料加工预计凌驾10亿美元，医用激光器是外国第二大应用。2.2激光制造体系的发展用于制造业中的激光体系即激光制造体系，由激光器、激光传输体系、激光聚焦体系、控制体系、活动体系、传感与检测体系组成，其焦点为激光器。激光作为热源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的效果。激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特性参数值Kf和衍射极限倍因子M2(M)或光束传输因子K值来表现。对小功率激光器，如果物质均匀稳固，通常可以实现基模输出，其光束横截面能量散布为高斯散布，且在传输过程中连结稳固，光束质量较好；对于大功率激光器，一般不易得到基模输出，输出的通常为多模激光束，激光光束质量变差。现在工业上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器两种。大功率激光器的工业应用领域很广，激光切割、激光焊接都需要优良的光束质量，而寻求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不停发展的目的。从1964年第一台CO2激光器出现到如今，经过四十多年的发展，从封离式CO2激光器、慢速轴流CO2激光器、横流CO2激光器，到高频罗兹泵型快速轴流、射频turbo型快速轴流以至现在出现的扩散型SlabCO2激光器的发展中可以看到,一方面激光输出功率不断前进，体积不断缩小，另一方面激光器的屈从不断发展，光束质量越来越好。扩散型SlabCO2激光器光束横截面上光强分布靠近高斯分布，具有极好的光束质量，在加大的激光加工区焦点的漂移很小，非常有利于大领域激光传输与聚集，这对大尺寸工件的切割应用非常重要。工业用固体YAG激光器也经历了从小功率灯泵浦（棒状）、灯泵浦（板条）、双灯泵材料科学与工程专业讲座论文王江50805190463浦（多棒）到光纤泵浦（棒状）、半导体泵浦（棒状）和片状固体激光器的历程。由于受物质热物理性的制约，YAG激光光束质量相对较差。怎样提高光束质量和激光功率，依然是YAG激光器面临的重要题目。值得注意的是近几年来发展起来的半导体激光器。半导体激光具有小型化、频率极高、与光纤良好耦合、易于调制等优良特性，因而具有辽阔的应用前景。要在差异产业中普遍应用激光制造技术，很大水平上要依赖于激光加工体系的性能与工艺。欧、美、日一些国家在新光源、加工体系及工艺等方面的研究与开发就从未降温过。随着激光工业的研究与开发、器件与单元技术的改进和创新，以高性能、宽波段、大功率为特性的激光取得了长足的发展，如紫外光输出的KrF、ArF准分子激光器、倍频激光器等。尤其是高功率光纤激光的出现，使激光制造的移动式定位加工变得越发方便。三、激光加工技术的优势3.1特种质料特别要求的加工激光焊接与大多数传统的焊接要领相比具有突出的优势。激光能量的高度会集和加热、冷却历程的极其迅速，可破坏一些难熔金属外表的应力阈值，或使高导热系数和高熔点金属快速熔化，完成某些特种金属或合金质料的焊接，而且在激光焊接过程中无机器接触，容易保证焊接部位不因热压缩而变形，还扫除了无关物质落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光体系，还可实现特别场所下的焊接，比如，由软件控制的需断绝的远间隔在线焊接、高细密防污染的真空情况焊接等；在不孕育发生质料外表蒸发的情况下可熔化最大数目的物质，达到高质量的焊接。以上特点是传统的焊接工具很难或完全不能做到的。如今，在汽车、国防、航空航天等一些特别行业，已广泛采用激光焊接技术。比如欧洲一些国家，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼、航天器机身等一些特种质料的焊接，激光的应用已基本取代了传统的焊接工具和要领。3.2特别精度的加工制造这里指的高精度除通常意义下的准确定位外，主要表现在质料内部热传导效应量级上的控制。激光的显着特点之一，即是可接纳一连和脉冲要领输出。以固体的钻孔与切割为例，激光能量高度会集，以及加热、冷却速率快的特点可实现传统技术到达不了的广泛要求，加工属热化学历程。这里要突出的是，脉冲式激光辐射可到达靠近“冷”加工的光化学动力历程。一方面选择脉冲的时间宽度，使得质料内的热传导历程和热化学反应来不及孕育发生；另一方面控制激光的功率密度和脉冲计数，按要求到达确定的去除深度，从而实现高精度的“线”切割和“点”钻孔加工。西方一些国家在许多有特别要求的领域和产业中已广泛采用这种脉冲光制造技术。3.3微细加工制造激光微细加工技术的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域。激光微细加工为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一，现已形成固定模式并投入规模化生产。除此之外，能突显其优势的领域还有精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞构造的医疗等。选择适当波长的激光，利用各种优化工艺和迫近衍射极限的聚焦体系，得到高质量光束、高稳固性、微小尺寸焦斑的输出。使用其锋芒尖锐的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可使用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。比如，高细密光栅的刻制（细密光刻）；利用CAD/CAM软件进行仿真图案控制，实现高保真打标；使用光阱的“束缚力”，对生物细胞实验移动操作（生物光镊）。值得一提的是，高密度信息的激光纪录和微细机器零部件的光制造。无论是数字纪录还是扫描纪录，照旧图像的模仿纪录，激光纪录要领(光刻)都具有特别的优势并取得了重要突破，以数字纪录为例：①材料科学与工程专业讲座论文王江50805190464信息纪录密度高（107～108bit/cm2以上），刻录槽宽0.7μm、深0.1μm，比磁纪录密度前进两个数量级以上；②纪录、检索、读出速率快，单波道达50Mbit/s，多波道可达320Mbit/s；信息的检索和读出速率远远小于1秒；③资本低、使用寿命长。在微细机器零部件的光制造方面，近几年外国已将其列为攻关项目，成为未来高新技术前期研究的热门。日本采用激光技术，制造出微米量级的三维“纳米牛”，这说明在微纳量级的三维激光微成型机制上已经取得了巨大的突破。北京工业大学激光工程研究院应用准分子激光，利用掩模要领，已经加工出10齿/50μm和108齿/500μm的微型齿轮。3.4高效的自动流程加工制造由于激光输出的可控制性，使激光制造过程能够利用软件实现自动化流程的智能控制。凭据生产性子的需要，既可实现加工台的定位控制亦可利用激光的光纤传输实现加工板手定位控制，从而实现高效的自动化、智能化激光制造。比如，汽车车身笼罩件的三维定位切割、车身骨构架的焊接、齿轮盘及其他零部件的焊接加工等，已形成激光加工、组装一条龙的生产线。四、激光加工技术的现实意义激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70％和20％，外表处理则不到10％。而YAG激光器的应用则以焊接、打标（50％）和切割（15％）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了70~80％。我国激光加工中以切割为主的占10％，其中98％以上的CO2激光器，功率在1.5kW~2kW范围内，而以热处理为主的约占15％，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场远景。在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、机动地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装配置，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度质料和庞大而弯曲的外表打小孔，速率快而不孕育发生破坏；激光焊接在汽车工业中已成为尺度工艺，日本Toyota早已将激光用于车身面板的焊接，将差异厚度和差异外表涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在外国不如焊接和切割广泛，但在汽车工业中仍应用普遍，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模具，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。现在，外国激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。随着激光打孔的迅速发展，如今,重要表面打孔用YAG激光器的均匀输出功率已由5年前的400w前进到了800w至1000w。打孔峰值功率高达30~50kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的前进，很大程度上改进了打孔质量，推进了打孔速率，也扩大了打孔的应用领域。国内现在比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和自然金刚石拉丝模的生产及腕表宝石轴承的生产中。五、激光加工技术的发展趋势1.数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。2.小型化和组合化材料科学与工程专业讲座论文王江50805190465国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。3.高频度和高可靠性目前，国外YAG激光器的重复频度已达2000次/秒，二极管阵列泵浦的Nd：YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1～2万小时。4.采用激元激光器进行金属加工这是国外激光加工的一个新课题。激元激光器能发射出波长157～350纳米的紫外激光,大多数金属对这种激光的反射率很低,吸收率相应很高,因此,这种激光器在金属加工领域有很大的应用价值。参考文献•【1】激光加工技术，作者:曹凤国，标识符:国际标准书号(ISBN):978-7-5304-3438-3，出版者:北京科学技术出版社，出版时间:2007•【2】激光快速制造技术及应用，作者:周建忠;刘会霞，标识符:国际标准书号(ISBN):978-7-122-04215-6，出版者:化学工业出版社，出版时间:2009•【3】激光制造技术基础，作者/编者:洪蕾;吴钢(机械工程)，标识符:国际标准书号(ISBN):978-7-114-06969-7，出版者:人民交通出版社，出版时间:2008•【4】张永康.激光加工技术[M].北京：化学工业出书社,2001.3•【5】金岡优.激光加工[M].北京：机器工业出书社,2004.2•【6】曾智江朱三根.微细技工技术的研究[M].北京：高等教育出版社，2007.12【7】http