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1、激光加工技术的原理及应用吴雪松（东北石油大学电子科学学院应用物理系）摘要 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种加工新技术，涉及到光、机、电、材料 及检测等多门学科。由于激光加工热影响区域小，光束方向性好，几乎可以加工任何材料。 常用来进行选择性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特点，目前已应用于激光焊接、激 光切割、表面改性、激光打标、切削加工，快速成形，激光钻孔和基板划片 关键词：激光;加工；切割；处理；焊接引言 虽然我国的综合国力不断提升，中国制造在世界范围内的好评不断提升，但我们不得不承认， 中国在加工技术
2、上的不尽人意。尤其在机械制造和精密加工方面，更是与世界先进水平差了 一大截。拿汽车制造来说，德国的汽车制造业是中国望尘莫及的，其内在原因，就是中国的 加工技术太差。而这篇文章的主要目的，就是用先进的激光技术，代替传统意义上的机械类 加工技。我们知道，传统的车床工艺由于在切割、焊接与锻压工具上有着本身的局限性。例 如，铣刀本身有着一定的线度，使得其加工的精确度下降。并且在从事机械加工工艺方案拟 定、机床和刀具设计等工作时 ,都离不开对切削力的估计 ,它是进行设计计算的重要依据 . 目前通常使用的切削力计算方法是用单因素法通过实验得到的经验公式 ,但这种经验公式 往往有一定的精度限制。而激光器加工
3、完全可以避免这种加工误差。那高功率固体激光器是 如何加工材料的呢？正文1. 激光加工的原理 早期的激光加工由于功率较小，大多打小孔和微型焊接。到 20世纪70年代，随着大功率二 氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研 究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光加工机已用于各种材料 的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电 跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和 使用功能。 从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达 107101
4、2瓦/厘米2,温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。1激光 加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激 光器主要是固体激光器和气体激光器。使用二氧化碳气体激光器切割时，一般在光束出口处 装有喷嘴，用于喷吹氧、氮等辅助气体，以提高切割速度和切口质量。由于激光加工是无接 触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象 受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此 激 光 加 工 可 应 用 到 不 同 层 面全fc aut工昨物股邮分反射民IB1 固曙滋光博加工匝理田2. 激
5、光加工的特点2激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势：1.由于它是无接触加工，并且高 能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。2它可以对多种 金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。3激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。4激光加工过程中，激光束能量密度 高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影 响区小，工件热变形小，后续加工量小。5它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行 各种加工。6.由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复 杂工件进行加工，因此是一种
6、极为灵活的加工方法。7使用激光加工，生产效率高，质量 可靠，经济效益好。例如：1美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽， 不到4H即可高质量完成，而原来采用电火花加工则需要9H以上。仅此一项，每台发动机的 造价可省5万美元。2激光切割钢件工效可提高8-20倍，材料可节省15-30%，大幅度降低 了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。3. 激光技术的应用1激光快速成形技术 快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成 果，根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模 具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术已在
7、航空航天、电子、汽车等工业领 域得到广泛应用。2. 激光焊接技术激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及 熔点很高（如陶瓷）和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿命长，而且体 积小。激光热处理用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料 表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度， 可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的 内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光热处理可恢复离子轰击 所引起损伤的硅材料。3. 激光打标技术 3 激光打标技术
8、是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用 高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而 留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可 以从毫米量到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。准分子激光打标是近年来发展起来 的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工 程。4激光切割技术 在造船、汽车制造等工业中，常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光 器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切 割，常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝, 速度快、热影响区小。另外还有激光热处理、激光细微加工、激光划线技术等。以上列举了激光在加工技术中的广泛应用。虽然，激光加工相比于传统的车铣床加工来说， 还没有进入特别成熟的地步，但随着其加工的突出优点和技术的完善，我们相信，未来的加 工业是属于激光的一片天地。参考文献1. 刘其斌.激光加工技术及其应用. 北京：冶金工业出版社，20072. 陈继民，徐向阳等.激光现代技术.北京市：国防工业出版社，20073. 谢冀江，郭劲刘嘉明等. 激光加工技术及其应用. 北京市：科学出版社，2012
