簡單介紹幾種常見激光加工技術

激光是20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，現(xiàn)在已廣泛應用于工業(yè)、軍事、科學研究與日常生活中。激光具有四大特性：高的單色性、方向性、相干性和亮度性。

應用激光固有的四大特性，將具有高能量密度的，能被聚焦到微小空間的激光用于加工的方法叫激光加工。

激光加工技術是一項集光、機電、材料及檢測于一體的先進技術。

激光加工主要涉及：激光焊接、激光切割、激光打標、激光雕刻等。

現(xiàn)在一般的激光加工都采用了多項先進技術, 多功能集成度高、實用性強、自動化程度高、操作簡單、結果直觀，而且加工過程中可實現(xiàn)動態(tài)同步跟蹤顯示，具有程序錯誤自動診斷、限位保護等功能。

激光有很多特點，本文介紹以下幾種：

1.定向發(fā)光

普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個方向射出。

激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。

2.亮度極高

在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。

因為激光的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。

若用功率最強的探照燈照射月球，產生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度自然極高。

3.顏色極純

光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長對應一定的顏色。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發(fā)射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。

如氪燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氪燈發(fā)出的紅光，若仔細辨認仍包含有幾十種紅色。由此可見，光輻射的波長分布區(qū)間越窄，單色性越好 。

激光加工是激光應用最有發(fā)展前途的領域，現(xiàn)在已開發(fā)出多種激光加工技術。激光加工有以下特點：

1.激光加工屬無接觸加工，激光加工是通過激光光束進行加工，與被加工工件不直接接觸，降低了機械加工慣性和機械變形，方便了加工。

同時，還可加工常規(guī)機械加工不能或很難實現(xiàn)的加工工藝，如內雕、集成電路打微孔、硅片的刻劃等。

2.加工質量好，加工精度高, 加工效率高，由于激光能量密度高可瞬時完成加工，與傳統(tǒng)機械加工相比，工件熱變形小、無機械變形，使得加工質量顯著提高；激光可通過光學聚焦鏡聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，加工效率高，激光切割可比常規(guī)機械切割提高加工效率幾十倍甚至上百倍；

激光打孔特別是微孔可比常規(guī)機械打孔提高效率幾十倍至上千倍；激光焊接比常規(guī)焊接提高效率幾十倍；激光調阻可提高效率上千倍，且精度亦顯著提高。 3.材料利用率高、經濟效益高，激光加工與其他加工技術相比可節(jié)省材料10～30?可直接節(jié)省材料成本費，且激光加工設備操作維護成本低，對加工費用降低提供了先決條件。

激光加工具有優(yōu)越的加工性能，使得激光加工技術得到了廣泛的應用，并產生了巨大的經濟效益和社會效益。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已經成為企業(yè)實行適時生產的關鍵技術，為優(yōu)質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。

目前已成熟的激光加工技術包括：激光切割技術、激光焊接技術、激光打標技術、激光快速成形技術、激光打孔技術、激光去重平衡技術、激光蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表面處理技術等。

激光在加工中有很多的應用，生產生活中都有應用，下面簡單介紹幾種常見激光加工技術。

1.激光打孔

激光打孔技術具有精度高、通用性強、效率高、成木低和綜合技術經濟效益顯著等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代制造領域的關鍵技術之一，激光打孔在微細孔加工中的應用，解決了一些傳統(tǒng)機械加工不能解決的難題，為微孔加工提供了先進的加工手段。

目前，工業(yè)發(fā)達國家已將激光深微孔技術大規(guī)模地應用到航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉扮模的生產及鐘表和儀表的寶石軸承、吃機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產中。

激光打孔的特點：

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) 激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔；

6) 激光打孔適合于數(shù)量多、高密度的群孔加工。

另外，由于激光打孔過程與工件不接觸，因此加工出來的工件清潔，沒污染。因為這種打孔是一種蒸發(fā)型的、非接觸的加工過程，它消除了常規(guī)熱絲穿孔和機械穿孔帶來的殘渣，因而十分衛(wèi)生。而且激光加工時間短，對被加工的材料氧化、變形、熱影響區(qū)域均較小，不需要特殊保護。激光不僅能對置于空氣中的工件打孔，而且也能對置于真空中或其它條件下的工件進行打孔。目前，激光打孔朝著多樣化、高速度、孔徑更微小的方向發(fā)展。

2.激光快速成型

傳統(tǒng)的工業(yè)成型技術大部分是遵循“去除法”的，如車削、銑削、鉆削、磨削、刨削；另外一些是采用模具進行成形，如鑄造、沖壓。激光快速成形技術集成了激光技術、CAD/CAM技術和材料技術的最新成果，根據計算機設計出的零件的模型立體圖，直接制造出模型，它制造模型的辦法是在一層接一層的基礎上不斷添加材料。

激光快速成型法有，液態(tài)光敏聚合物選擇性固化、薄型材料選擇性切割、扮狀材料選擇性熔復、粉末材料選擇性燒結。激光快速成型技術在模具制造中的應用最為廣泛，可以用快速成型件直接用作模具；用快速成型件作母模，翻制軟模具；用快速成件翻制硬模具。用快速成技術制作模具，既避開了復雜的機械切削加工，又可以保證模具的精度，還可以大大縮知制模時間、節(jié)省制模費用，對于形狀復雜的精度模具，其優(yōu)點尤為突出。

該技術已在航空航天、電子、汽車、家電等工業(yè)領域得到廣泛應用。但是，目前還存在著模具壽命相對較知的缺點，即使是金屬面、硬背襯模具，其使用壽命也不及真止的金屬模，所以快速成模具較適合于單件小批量生產。

3.激光切割

激光切割是利用激光束聚焦形成的高功率密度光斑，將材料快速加熱至氣化溫度，蒸發(fā)形成小孔洞后，再使光束與材料相對運動，從而獲得窄的連續(xù)切縫。在２０世紀８０年代就開始在汽車車身制造中應用。激光切割還廣泛用于非金屬材料的切割，另外激光切割也廣泛用于服裝行業(yè)，對皮革、布料進行切割。

4.激光焊接

激光焊接是將功率密度足夠的激光束照射到需要焊接的材料表面，使其局部溫度升高到熔點，被焊材料結合部位熔化成液體，然后冷卻凝固，于是兩種材料就被熔接在一起。激光焊接技術應用領域迅速擴到航空航天、船舶制造、機車制造、機械零件制造等領域。珠寶首飾業(yè)引用了激光焊接技術，改變了人們傳統(tǒng)的首飾設計思維方式。借助激光焊接技術，可制作一些結構特殊的首飾款式。另外激光焊接也廣泛用于鋼鐵行業(yè)，如硅板焊接，冷軋低碳鋼的焊接，鋼管的焊接。

5.激光打標

激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一。激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法，這對產品的防偽有特殊的意義。激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術相結合可構成高效自動化加工設備，可以打出各種文字、符號和圖案，易于用軟件設計標刻圖樣，更改標記內容，適應現(xiàn)代化生產高效率、快節(jié)奏的要求?？蓪崿F(xiàn)亞微米打標，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。

6.激光雕刻

在激光技術中激光雕刻技術是較常見的。激光雕刻的實現(xiàn)主要是利用激光束在材料表面的熔蝕效應、氣化效應、光化學反應。激光雕刻廣泛的應用工藝品、陶瓷、皮革、印章等的雕刻。

7.激光熱處理

激光熱處理是利用高功率密度的激光束對金屬進行表面處理的方法。如當把金屬表面加熱到僅低于熔點的臨界轉變溫度時，其表面迅速奧氏體化，然后急速自冷淬火，金屬表面迅速被強化，即激光相變硬化(激光淬火) 。

激光表面熱處理技術包括激光相變硬化技術、激光涂覆技米、激光合金化技術、激光沖擊強化技術等，這些技術對改變材料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。

經激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達到 HRC60度以上。中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達HRC70度以上，從而提高了材料的抗磨性、抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕等性能同，延長其使用壽命。

激光熱處理技術與其它熱處理如高頻淬火，滲碳，滲氮等傳統(tǒng)工藝相比，具有以下特點：

1) 無需使用外加材料，僅改變被處理材料表面的組織結構。處理后的改性層具有足夠的厚度，可根據需要調整深淺一般可達0.1~0.8mm。

2) 處理層和墓體結合強度高。激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結合，而且處理層表面是致密的冶金組織，具有較高的硬度和耐磨性。

3) 被處理件變形極小。由于激光功率密度高，與零件的作用時間極短，故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理。作為材料和零件的最后處理工序等。

4) 加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導光系統(tǒng)可隨意將激光導向處理部分，從而可方便地處理深孔、內孔、盲孔和凹槽等，也可進行選擇性的局部處理等。

由于激光熱處理有相當明顯的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術難題，在國內外受到高度重視，激光熱處理得到迅速的發(fā)展。

激光熱處理技術在汽車工業(yè)中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應用廣泛。

8.激光精密加工

激光由于其優(yōu)良的光束特性, 自誕生以來, 就在工業(yè)加工領域起著非常重要的作用, 并且不斷地深入到工業(yè)生產的各個領域, 以其獨特的優(yōu)越性, 成為未來制造業(yè)的重要加工手段, 被譽為21世紀! 的加工技術。

激光精密加工是利用高強度的激光束, 經光學系統(tǒng)聚焦后, 激光束的功率密度達到104~1011W/cm2，加工工件置于激光束焦點附近, 通過激光束與加工工件的相對運動來實現(xiàn)對加工工件的熱加工, 加工精度一般在幾微米到數(shù)十微米。

激光束可以聚焦到很小的尺寸, 所以特別適合于精密加工。激光精密加工所用激光器為各種脈沖或調Q 固體激光器, 半導體激光器, 脈沖Nd ?YAG 激光器以及最近幾年開始不斷推廣的光纖激光器和紫外激光器等。

各種脈沖激光器的聚焦光斑很小, 功率密度很大, 工件加熱范圍小, 加工精度和定位精度高而且熱影響區(qū)小。

激光加工在未來的發(fā)展趨勢

1.數(shù)控化和多功能化

把激光器與計算機數(shù)控技術、先進的光學系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結合，形成研制和生產加工中心，并把多種加工功能基于一臺機床上，如國內生產的JHM-IGY-400/SOOB多功能激光加工機。

整機由激光器、激光電源、光學系統(tǒng)、二/四軸聯(lián)動工作臺、CNC 控制系統(tǒng)、CCD 監(jiān)控系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、光纖傳輸系統(tǒng)、He-Ne 激光指示系統(tǒng)和密閉氣室裝置等組成，具有焊接、切割、打孔和簡單標記等多種功能，己成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。

2.高頻度和高可靠性

日前，國外YAG 激光器的重復頻度己達2000次/秒，二極管陣列泵浦的Nd:YAG激光器的平均維修時間己從原來的幾百小時提高到1-2萬小時。國內雖然達不到這種水平，但也朝著這一方向努力。

3.小型化和集成化

能夠進行幾種工藝研制和生產加工的激光加工系統(tǒng)，已成為激光加工的另一發(fā)展趨勢。國外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一臺機床上，制成激光沖床，它兼有激光切割的多功能性和沖壓加工的高速高效的特點，可完成切割復雜外形、打孔、打標、劃線等加工。

我國激光加工業(yè)起步晚，底子薄，技術不能與德、美、日等發(fā)達國家的同日而語，尤其是激光制造系統(tǒng)的光源更是落后，先進的薄片式固體激光器都是外國生產，我國想組裝一臺先進的激光機床就得進口激光器，這樣我國的激光產業(yè)就會永遠落后于人。

激光的產生、傳輸和控制是激光技術發(fā)展的前提，只有制造出高功率、高光束質量的激光制造系統(tǒng)，并目把研究與實際加工相結合，我國的激光技術才能得以發(fā)展。

4.應用普及化

隨著激光精密加工設備成本的降低，激光精密加工技術將在更多領域得到更加廣泛的應用，實現(xiàn)激光產業(yè)與傳統(tǒng)產業(yè)的緊密結合，用先進的激光制造技術改造傳統(tǒng)產業(yè)。

我國是一個制造大國，制造業(yè)尤其是機械制造是關乎國計民生的關鍵產業(yè)，隨著激光技術的快速發(fā)展，激光加工技術在機械制造領域的應用越來越廣泛，越來越重要，影響越來越大。激光快速找止、激光測量、激光成形加工、焊接、切割、標記以及熱處理等激光技術在先進制造業(yè)中的應用，必將引起機械制造業(yè)各個領域的全面改觀。

審核編輯：劉清