材料表面技术作业 材料2班 黄小叶.doc

激光束加工技术的应用与发展摘要 以激光加工技术为重点介绍表面工程的发展和应用。关键词 表面工程技术 激光加工技术、加工原理、应用现状、发展前景。表面工程技术是表面处理、表面镀层及表面改性的总称。表面工程技术是运用各种物理、化学和机械工艺过程来改变基材表面的形态、化学成分、组织结构或应力状态而使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求。 表面技术的应用已十分广泛，可以用于防腐、耐磨、修复、强化、装饰等，也可以是光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。表面技术所涉及的基材不仅是金属材料，也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。表面工程有多种技术方法，包括电镀、电刷度、化学镀、涂装、粘结、热喷涂、热浸镀、化学气相沉积、表面热处理、表面激光改性、等离子注入等。下面主要介绍激光束表面处理技术。激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技术。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。一 激光加工1.加工原理激光加工是一种重要的高能束流加工方法，具有亮度高、方向性好和单色性好的相干光，因此在理论上可聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上。焦点处的功率密度可达107-1011W/cm2，温度高达万度以上。激光加工就是利用材料在激光聚焦照射下瞬时急剧熔化和气化， 并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料的去除。目前，激光加工已受到相当重视，几乎对所有金属材料和非金属材料如钢材、耐热合金、高熔点材料、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金和复合材料都可以加工。 激光加工最早用在孔的加工，能加工直径为0.05-8mm的孔，它还特别适用于切割陶瓷材料和复合材料，具有切缝窄(0.1-0.2mm)，切割厚度大和切割速度高的特点。激光还可以用于同种金属或异种金属之间的焊接，其焊接质量和效率远远高于传统的焊接方法。激光热处理是利用大功率连续激光器对材料表面进行激光扫描，使金属表层产生相变甚至熔化，随后快速冷却使表面硬化，从而提高零件表面的耐磨性和疲劳强度，激光表面处理技术可的寿命和可靠性。迄今为止，激光束仍是发动机零件冷却孔系加工的首选工艺。 2激光加工的优点：不需要工具，适合于自动化连续操作；不受切削力影响，容易保证加工精度；能加工所有材料；加工速度快，效率高，热影响区小；可加工深空和窄缝，直径或宽度可小刀几毫米，深度可达直径或宽度的十倍以上；可透过玻璃对工件加工；工件可不放到真空室中，也不需要对X射线进行防护，装置较为简单；激光束传递方便容易控制。3激光束加工技术的主要应用目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、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。激光打标技术 激光打标技术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到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。激光打标技术已被广泛的应用于各行各业,为优质,高效,无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。随着现代激光标刻应用领域的不断扩展,对激光制造的设备系统小型化,高效率和集成化的要求也越来越高,新型高功率光纤激光技术的开发成功,必将对此产生极大的推动 。 激光打孔技术 采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.11毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.0051毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本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。在激光出现之前，只能用硬度较大的物质在硬度较小的物质上打孔。这样要在硬度最大的金刚石上打孔，就成了极其困难的事。激光出现后，这一类的操作既快又安全。但是，激光钻出的孔是圆锥形的，而不是机械钻孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的。 激光蚀刻技术在造船、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。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。 激光微调技术 采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数（如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。激光微调精度高、速度快，适于大规模生产。利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节。 激光焊接技术 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。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。激光热处理技术 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。5 激光加工的发展前景 激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用5KW10KWCO2高功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后2-3年内，我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到70亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造