一文帶你了解激光加工技術(shù)

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)來完成加工過程，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(yīng)任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。

一 激光加工的原理及其特點

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擦產(chǎn)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(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調(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

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：

①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(diào)，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的。

②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。

③激光加工過程中無＂刀具＂磨損，無＂切削力＂作用于工件。

④激光加工過程中，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。

⑤它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行各種加工。

⑥由于激光束易于導(dǎo)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(fù)雜工件進行加工，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)濟效益好。

二 激光技術(shù)

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。激光加工有許多優(yōu)點：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題；③工件不受應(yīng)力，不易污染；④可以對運動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，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；⑥激光束容易控制，易于與精密機械、精密測量技術(shù)和電子計算機相結(jié)合，實現(xiàn)加工的高度自動化和達到很高的加工精度；⑦在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機器人進行激光加工。

1．激光打孔

采用脈沖激光器可進行打孔，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，常使用百瓦至萬瓦級的連續(xù) CO2 激光器對大工件進行切割，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(diào)節(jié)。

4．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(zhì)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。

5．激光熱處理

用激光照射材料，選擇適當(dāng)?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(jié)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(fù)雜的零件和部件，可對盲孔和深孔的內(nèi)壁進行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。

6．強化處理

激光表面強化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個過程，在金屬材料激光表面強化中，當(dāng)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(dāng)激光束能量密度處于高端時，工件表面光斑出相當(dāng)與一個移動的隙隙，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(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù)，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

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：

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(jié)合。

2．在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結(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(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點超細化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結(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)點及以被廣泛應(yīng)用的技術(shù)的缺點，把激光技術(shù)應(yīng)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(zhì)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(yán)重地限制了它們的應(yīng)用范圍，因此把激光表面強化技術(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，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)成為再制造的一項重要手段。它主要是采用 5KW～10KWCO2 高功率激光器及其系統(tǒng)。

審核編輯 黃昊宇