激光加工的现状及发展研究.doc

本科课程论文题 目 激光加工的现状及发展研究 学 院 专 业 年 级 学 号 姓 名 指 导 教 师 成 绩 年 月 日目 录摘要21 前言22 激光加工概述22.1 激光加工的定义22.2 激光加工的原理22.3 激光加工的基本设备32.4 激光加工的特点33 激光加工的现状33.1 当前激光加工主要工艺形式33.2 激光加工的应用领域43.3 当前激光加工实际存在的问题54 激光加工的发展54.1 激光加工技术发展趋势54.2 新型工业激光器的发展64.3 我国激光加工产业的市场展望75 结论7参考文献7激光加工的现状及发展研究(姓名)*大学 重庆 *(邮编)摘要：激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门学科，现已广泛用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事以及科学研究等各个领域。本文首先从激光加工的原理、设备、特点等方面对其作了基本概述，然后介绍了激光加工的现状，最后从技术和市场层面分析了激光加工的发展状况，从而得出激光加工技术必将对我国的国民经济和社会发展起到巨大的作用。关键词：激光加工；现状；发展1 前言随着社会经济的快速发展，把激光器当成基础的激光加工的技术得到了快速发展。目前其正在被广泛应用在生产、通讯、医疗、军事及科研等多种领域。并且在这些领域都取得了非常好的经济与社会的效益，是我国未来经济的发展的关键。2 激光加工概述2.1 激光加工的定义激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。2.2 激光加工的原理激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔、切割和焊接等的特种加工。某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能。从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达1亿100亿瓦/平方厘米，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。2.3 激光加工的基本设备激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部分。激光器是激光加工的重要设备，它把电能转化为光能，产生激光束。激光器电源为激光器提供所需要的能量及控制功能。光学系统包括激光聚焦系统和观察瞄准系统，可以观察和调整激光束的位置。机械系统主要包括床身、能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等，是激光加工设备的支撑和运动控制机构。2.4 激光加工的特点激光自身的特性，决定了其在加工领域的优势，其特点如下：1、激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光加工；2、激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；3、工件不受应力，不易污染；4、可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；5、激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工；6、激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度；7、在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。3 激光加工的现状3.1 当前激光加工主要工艺形式1.激光打孔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。2.激光切割在造船、汽车制造等工业中，常使用百瓦至万瓦级的连续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，刻画出的字符可永久保持。3.激光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。4.激光热处理激光热处理用激光照射材料，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。5.微细加工激光的微细加工是一门新兴的科学。它是一种具有亮度高、方向性好等特点，因此在理论上可以急剧熔化和汽化各种材料。激光微细加工几乎对所有金属和非金属材料及复合材料都可以加工。主要应用于有打孔、焊接、光刻等。其单位可达到微米级。6.激光熔覆利用激光高功率密度，由激光加工系统在数控控制下，在基材表面指定部位形成一层很薄的微熔层，同时添加特定成分的自熔合金粉，如镍基、钴基和铁基合金等，使它们以熔融状态均匀地铺展在零件表层并达到预定厚度，与微熔的基体金属材料形成良好的冶金结合，并且相互间只有很小的稀释度，在随后的快速凝固过程中，在零件表面形成与基材完全不同的、具有预定特殊性能的功能熔覆材料层，从而可以完全改变材料表面性能，可以使价廉的材料表面获得极高的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。该工艺可以修复材料表面的孔洞和裂纹，可以恢复已磨损零件的几何尺寸和性能。3.2激光加工的应用领域激光加工是继机械加工、力加工、火焰加工和电加工之后一种崭新的加工技术。从最小结构的计算机芯片到超大型飞机和舰船，激光加工都将是不可或缺的重要手段，加工制造业是激光应用最基本、最深人的领域。激光焊接主要应用于汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。激光切割则用在汽车行业、计算机、电气机壳、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、lmm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。激光打标广泛应用于电子元器件、汽车配件、医疗机械、通信器材、计算机外围设备、钟表等产业和烟酒食品防伪。激光打孔主要应用在航空航天、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丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。3.3 当前激光加工实际存在的问题目前，激光切割、激光焊接等常规激光加工技术在上业领域的广泛应用基本上是依靠其与材料作用产生高温使材料熔化或气化从而达到加工的目的。所带来的问题主要有：(1)加工区还是会产生热影响变质层，该变质层与基体材料的物理和机械特性有很太不同，对加工零件部件的应用有很大影响； (2)加工区易残留熔屑，影响加工质量；(3)加工盲孔或盲槽时切屑不易排出，很难实现微结构的加工； (4)在薄板上进行大面积多孔加工时易产生热整形；(5)加工硬脆材料时加工区易产生散裂纹。上述问题对激光加工技术在工业领域的广泛应用产生了一定的局限性。4 激光加工的发展4.1 激光加工技术发展趋势1.加工系统智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，并且带有实时检测、反馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已成为必然的发展趋势。2.小型化和组合化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。3.高频度和高可靠性国外YAG激光器的重复频度已达2000次/秒，二极管阵列泵浦的Nd：YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到12万小时。4.采用激元激光器进行金属加工这是国外激光加工的一个新课题。激元激光器能发射出波长157350纳米的紫外激光, 大多数金属对这种激光的反射率很低, 吸收率相应很高, 因此, 这种激光器在金属加工领域有很大的应用价值。4.2 新型工业激光器的发展1.光纤激光器近年来光纤激光器在技术上取得了巨大的进展，与传统的固体激光器相比较，整体化的结构从根本上解决了由于内腔光学件污染、位置变化引起的故障，大大提高了可靠性；同时，光纤激光器输出激光的模式由光纤波导参数决定，而这些参数取决于光纤的折射率分布，因此输出的激光不仅光束质量好，而且稳定；加上体积小、转换效率高、光纤柔软可弯曲，便于激光传输，使得它在工业应用中对用户来说更具吸引力。2.紫外波段激光器与可见光或红外激光利用聚焦到加工部位的热量来熔化、汽化材料相比较，它避免了热传导对周围材料的影响，是“冷加工”方式。另外，由于紫外激光波长短，可以聚焦成更小的光斑，因此能够进行更精密的加工。3.飞秒激光器采用飞秒激光进行材料加工时，由于激光脉冲持续时间为飞秒量级，远小于材料中受激电子的能量释放时间，激光在极短的时间间隔、极小的区域内与物质相互作用，几乎没有能量扩散的影响；飞秒激光加工技术特别适合于微细加工，不仅能获得长脉冲无法比拟的高精度和低损伤，而且不断发现新的应用。4.半导体激光器主要优点是体积小、电光转换效率高、可靠性高，主要缺点是光束质量不好。在材料加工领域目前主要作为全固态激光器的泵浦源，但已开始把它直接用来焊接、热处理、标记，并且显示出不可比拟的优越性。4.3 我国激光加工产业的市场展望我国的激光加工系统与国际上激光加工系统相比差距甚大，仅占全球销售额的2左右。所以我国激光加工设备行业仍属于朝阳产业，其盈利状况高于一般传统企业。同时由于我国工业企业多以机械加工企业为主因此激光加工设备存在巨大的市场需求，部分国内激光加工设备制造企业仍有望在竞争中脱颖而出。我国加工设备逐渐走向成熟，预计在“十二五”规划的深入落实过程中，中国激光产业必定会有较大发展。激光制造设备技术水平会得到大幅度提高，在信息、能源、交通运输、电子、冶金、机械等支柱产业中会得到更深入的应用。进而提升这些行业的自主创新能力。使其产品适应全球化的发展潮流，形成新的经济增长点，在提高市场竞争力中发挥重大作用。5 结论激光加工在制造业改造生产技术、提升产品质量中大放异彩，各国的政府与工业部门都在积极的发展激光加工技术设备。随着激光加工技术应用市场的日益扩大与国际竞争新格局的产生，我们应该在提高单元技术的基础上实现激光加工设备的系统技术集成创新，探索新的激光加工应用领域，使激光加工技术在我国的生产力发展中更好的发挥作用，促进我国国民经济的发展。参考文献1 刘晋春，白基成，郭永丰.特种加工M.北京：机械工业出版社.2008.132133.2 王扬，李春奇，杨立军等非常规激光加工技术的研究J红外与激光工程,2011，40（03）:4484503 张日升