激光加工的原理、特點(diǎn)和發(fā)展前景

激光加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來(lái)完成加工過(guò)程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等。用激光束對(duì)材料進(jìn)行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光能適應(yīng)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(chǎng)合和特種材料的加工制造方面起著無(wú)可替代的作用。

一 激光加工的原理及其特點(diǎn)

1． 激光加工的原理

激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來(lái)切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無(wú)接觸式加工，工具不會(huì)與工件的表面直接磨擦產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對(duì)象受熱影響的范圍較小而且不會(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。

2．激光加工的特點(diǎn)

激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢(shì)：

①由于它是無(wú)接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。

②它可以對(duì)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(diǎn)的材料。

③激光加工過(guò)程中無(wú)＂刀具＂磨損，無(wú)＂切削力＂作用于工件。

④激光加工過(guò)程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射部位沒(méi)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。

⑤它可以通過(guò)透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。

⑥由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。

⑦使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。

二 激光技術(shù)

用激光束對(duì)材料進(jìn)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(diǎn)：①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(diǎn)高、硬度大和質(zhì)脆的材料（如陶瓷、金剛石等）也可用激光加工；②激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問(wèn)題；③工件不受應(yīng)力，不易污染；④可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；⑤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(jí)，作用時(shí)間可以短到納秒和皮秒，同時(shí)，大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級(jí)，因而激光既適于精密微細(xì)加工，又適于大型材料加工；⑥激光束容易控制，易于與精密機(jī)械、精密測(cè)量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加工的高度自動(dòng)化和達(dá)到很高的加工精度；⑦在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工。

1．激光打孔

采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔，脈沖寬度為0．1～1毫秒，特別適于打微孔和異形孔，孔徑約為0．005～1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。

2．激光切割、劃片與刻字

在造船、汽車制造等工業(yè)中，常使用百瓦至萬(wàn)瓦級(jí)的連續(xù)CO2激光器對(duì)大工件進(jìn)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(duì)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(xué)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(duì)流水線上的工件刻字或打標(biāo)記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。

3．激光微調(diào)

采用中、小功率激光器除去電子元器件上的部分材料，以達(dá)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(diào)精度高、速度快，適于大規(guī)模生產(chǎn)。利用類似原理可以修復(fù)有缺陷的集成電路的掩模，修補(bǔ)集成電路存儲(chǔ)器以提高成品率，還可以對(duì)陀螺進(jìn)行精確的動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。

4．激光焊接

激光焊接強(qiáng)度高、熱變形小、密封性好，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊，以及熔點(diǎn)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(zhǎng)，而且體積小。

5．激光熱處理

用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)和控制照射時(shí)間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)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(fù)雜的零件和部件，可對(duì)盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長(zhǎng)壽命；用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。

6．強(qiáng)化處理

激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個(gè)過(guò)程，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時(shí)可用于金屬材料的表面相變強(qiáng)化，當(dāng)激光束能量密度處于高端時(shí)，工件表面光斑出相當(dāng)與一個(gè)移動(dòng)的隙隙，可完成一系列的 冶金過(guò)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(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù)，將給制造業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

而在刀具材料改性中主要應(yīng)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熔化狀態(tài)，同時(shí)迅速凝固，產(chǎn)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(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。

激光熔凝是用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(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(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1．表面熔化時(shí)一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。

2．在激光熔凝過(guò)程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時(shí)急冷重結(jié)晶獲得的雜質(zhì)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(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。

4．提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點(diǎn)超細(xì)化，形成亞穩(wěn)相可獲得無(wú)擴(kuò)散的單一晶體結(jié)構(gòu)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(guò)光路導(dǎo)向，因而可以處理零件特殊位置和形狀復(fù)雜的表面。

綜合激光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及以被廣泛應(yīng)用的技術(shù)的缺點(diǎn)，把激光技術(shù)應(yīng)用于刀具材料表面強(qiáng)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(duì)于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高加工效率和加工精度，并能對(duì)難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進(jìn)行切削加工。由于它們強(qiáng)度相對(duì)較低，韌性較差，嚴(yán)重地限制了它們的應(yīng)用范圍，因此把激光表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。

三 激光加工的發(fā)展前景

激光加工用于再制造業(yè)和應(yīng)用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，并優(yōu)于其它加工技術(shù)。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(fù)合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術(shù)成為再制造的一項(xiàng)重要手段。它主要是采用5KW～10KWCO2高功率激光器及其系統(tǒng)。

與國(guó)際上激光加工系統(tǒng)相比，我國(guó)的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的4％左右。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒(méi)有。主力激光器不過(guò)關(guān)，微細(xì)激光加工裝備缺口較大，而這些領(lǐng)域我國(guó)的生產(chǎn)加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進(jìn)入，例如亞琛聯(lián)合科技。 ACunity（亞琛聯(lián)合科技公司）于2016年在德國(guó)亞琛建立，作為Fraunhofer ILT（弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所）孵化的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新企業(yè)，坐落于亞琛工程谷內(nèi)的光制造中心。公司與德國(guó)本土激光技術(shù)、先進(jìn)制造領(lǐng)域的高端企業(yè)建立緊密研發(fā)聯(lián)盟，面向全球市場(chǎng)開(kāi)展激光制造技術(shù)的研發(fā)、制造、咨詢等服務(wù)；對(duì)細(xì)分行業(yè)進(jìn)行評(píng)估，挖掘基于工業(yè)4．0智慧數(shù)字化生產(chǎn)在制造業(yè)中的潛在應(yīng)用，促進(jìn)亞琛與國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校及研究機(jī)構(gòu)在共同研發(fā)、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的全面合作。

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