激光加工的应用和发展趋势分析
发布时间：2017-12-28 来源：全球科技智库
激光是20世纪人类最伟大的发明之一，现在已广泛应用于工业、军事、科学研究与日常生活中。激光具有四大特性：高的单色性、方向性、相干性和亮度性。应用激光固有的四大特性，将具有高能量密度的，能被聚焦到微小空间的激光用于加工的方法叫激光加工。激光加工技术是一项集光、机电、材料及检测于一体的先进技术。激光加工主要涉及：激光焊接、激光切割、激光打标、激光雕刻等．现在一般的激光加工都采用了多项先进技术，多功能集成度高、实用性强、自动化程度高、操作简单、结果直观，而且加工过程中可实现动态同步跟踪显示，具有程序错误自动诊断、限位保护等功能。
激光的特点
1. 定向发光
普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。
2. 亮度极高
在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。
3. 颜色极纯
光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氪灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。
激光加工技术的主要应用
激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出多种激光加工技术。激光加工有以下特点：
1）激光加工属无接触加工，激光加工是通过激光光束进行加工，与被加工工件不直接接触，降低了机械加工惯性和机械变形，方便了加工。同时，还可加工常规机械加工不能或很难实现的加工工艺，如内雕、集成电路打微孔、硅片的刻划等。
2）加工质量好，加工精度高，加工效率高，由于激光能量密度高可瞬时完成加工，与传统机械加工相比，工件热变形小、无机械变形，使得加工质量显著提高；激光可通过光学聚焦镜聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，加工效率高，激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍；激光打孔特别是微孔可比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍；激光焊接比常规焊接提高效率几十倍；激光调阻可提高效率上千倍，且精度亦显著提高。
3）材料利用率高、经济效益高，激光加工与其他加工技术相比可节省材料10～30‟可直接节省材料成本费，且激光加工设备操作维护成本低，对加工费用降低提供了先决条件。激光加工具有优越的加工性能，使得激光加工技术得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已经成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术等。
本文简单介绍几种常见激光加工技术：
1. 激光打孔
激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成木低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一，激光打孔在微细孔加工中的应用，解决了一些传统机械加工不能解决的难题，为微孔加工提供了先进的加工手段[8]。目前，工业发达国家已将激光深微孔技术大规模地应用到航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。
国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉扮模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、吃机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中激光打孔的有点：
1）激光打孔速度快，效率高，经济效益好；
2)激光打孔可获得大的深径比；
3)激光打孔可在硬、脆，软等各类材料上进行；
4)激光打孔无工具损耗；
5)激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔；
6)激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。
另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，没污染。因为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣，因而十分卫生。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特殊保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其它条件下的工件进行打孔。目前，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展。
2. 激光快速成型
传统的工业成型技术大部分是遵循“去除法”的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。激光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，根据计算机设计出的零件的模型立体图，直接制造出模型，它制造模型的办法是在一层接一层的基础上不断添加材料。
激光快速成型法有，液态光敏聚合物选择性固化、薄型材料选择性切割、扮状材料选择性熔复、粉末材料选择性烧结。激光快速成型技术在模具制造中的应用最为广泛，可以用快速成型件直接用作模具；用快速成型件作母模，翻制软模具；用快速成件翻制硬模具。
用快速成技术制作模具，既避开了复杂的机械切削加工，又可以保证模具的精度，还可以大大缩知制模时间、节省制模费用，对于形状复杂的精度模具，其优点尤为突出。该技术已在航空航天、电子、汽车、家电等工业领域得到广泛应用。但是，目前还存在着模具寿命相对较知的缺点，即使是金属面、硬背衬模具，其使用寿命也不及真止的金属模，所以快速成模具较适合于单件小批量生产。
3. 激光打标
激光标记机的市场是近几年发展最快的一项应用技术。激光标记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应，从而留下永久
性标记的一种技术。激光标记有许多独特的优点，能标记各种字符、图案、数字以及条形码，标记线宽可小于0.01mm，可深可浅，对很小零件也可打标，这是其他标记力一法不能实现的；激光打的标记属永久性，不像喷墨打印的字可擦掉；可作防伪标记，不易被人假冒；属不接触加工，所以对零件表面没有损伤；标记的字符清晰，质量好；效率很高，成木低，可对多种材料进行标记；由计算机操作易于更换标记内容，也可以一个零件一个标记；由于有以上多种特点，所以应用越来越广泛，特别是多种电子器件、集成电路模块、汽车零件甚至汽车窗玻璃、导线、接插件、工具、医疗器械、精密仪器仪表、线路板、橡胶制品、计算机键盘、手机面板、精美礼品、玻璃制品等等。
4. 激光切割
激光切割是利用激光束的高功率密度的性质。激光束聚焦很小的光点，拥有巨大的能量，可将材料快速加热，使其达到沸点后开始汽化，形成了空洞，再使光束与材料相对运动，在材料表面形成切缝激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。目前，激光切割主要应用在航空航天工业和汽车制造业中，如飞机框架、尾翼壁板、飞机主旋翼、汽车车架等切割。激光切割的主要特性：1）激光切割的切缝窄，工件变形小；2）激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工；3）激光切割具有广泛的适应性和灵活性。
5. 激光焊接
激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却使工件得到焊接。激光焊结熔深大，速度快，效率高。激光焊烧区窄，热影响区很小，工件变形也很小，同时，焊缝小，可实现精密焊接.焊接结构均匀，品粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。
目前，激光深熔焊接在粉末冶金材料加工领域中的应用相拔夹拢名。激光焊接能量密度高，对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。目前，汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成型，激光拼接焊取代了电焊。同时，通过光纤传输的多路激光束进行多点或多组件焊接越来越普及。
在远离装配区的位置装置一台中心激光器(YAG)，激光器产生的光束经由一根柔性的激光光缆传送至需要加工的地点由工人操作进行焊接，从而最大限度的利用YAG系统的焊接效果。由于YAG激光器可利用光纤传输能量进行远距的焊接，将大大促进高功率YAG激光焊的发展[7]。总之，激光焊接有如下优势：高强度，超长寿命；高焊接速度，效率高；搭接接口工艺简单，废品率低；低定位精度适于产业化生产，主要应用于军工企业、食品工业、化学工业、石化工业。
6. 激光热处理
激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法。如当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化，即激光相变硬化(激光淬火)[9]。激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技米、激光合金化技术、激光冲击强化技术等，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。
经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到 HRC60度以上。中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上，从而提高了材料的抗磨性、抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀等性能同，延长其使用寿命。激光热处理技术与其它热处理如高频淬火，渗碳，渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：
1) 无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面的组织结构。处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm。
2) 处理层和墓体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层表面是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。
3) 被处理件变形极小。由于激光功率密度高，与零件的作用时间极短，故零件的热变形区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理。作为材料和零件的最后处理工序等。
4) 加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，也可进行选择性的局部处理等[11]。由于激光热处理有相当明显的优点，解决了传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题，在国内外受到高度重视，激光热处理得到迅速的发展。激光热处理技术在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。
激光加工的发展趋势
1. 数控化和多功能化
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，并把多种加工功能基于一台机床上，如国内生产的JHM-IGY-400/SOOB多功能激光加工机。整机由激光器、激光电源、光学系统、二/四轴联动工作台、CNC控制系统、CCD监控系统、制冷系统、光纤传输系统、He-Ne激光指示系统和密闭气室装置等组成，具有焊接、切割、打孔和简单标记等多种功能，己成为激光加工发展的一个重要趋势。
2. 高频度和高可靠性
日前，国外YAG激光器的重复频度己达2000次/秒，二极管阵列泵浦的Nd： YAG激光器的平均维修时间己从原来的几百小时提高到1-2万小时。国内虽然达不到这种水平，但也朝着这一方向努力。 4.3 小型化和集成化
能够进行几种工艺研制和生产加工的激光加工系统，已成为激光加工的另一发展趋势。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。
我国激光加工业起步晚，底子薄，技术不能与德、美、日等发达国家的同日而语，尤其是激光制造系统的光源更是落后，先进的薄片式固体激光器都是外国生产，我国想组装一台先进的激光机床就得进口激光器，这样我国的激光产业就会永远落后于人。激光的产生、传输和控制是激光技术发展的前提，只有制造出高功率、高光束质量的激光制造系统，并目把研究与实际加工相结合，我国的激光技术才能得以发展。
结语
我国是一个制造大国，制造业尤其是机械制造是关乎国计民生的关键产业，随着激光技术的快速发展，激光加工技术在机械制造领域的应用越来越广泛，越来越重要，影响越来越大。激光快速找止、激光测量、激光成形加工、焊接、切割、标记以及热处理等激光技术在先进制造业中的应用，必将引起机械制造业各个领域的全面改观。
参考文献
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