激光加工的研究现状及发展趋势.doc

激光加工的研究现状及发展趋势刘佳（长沙理工大学汽车与机械工程学院 长沙 410000）摘要：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的一种新型特种加工技术，由于其诸多优点，已广泛应用于各种领域，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，是以后机械加工的主要研究方向。关键词：激光加工、研究方向、发展前景一、 激光加工的原理激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。 激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。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。 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，这是就会产生受激辐射，输出大量的光能。二、 激光加工的优点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、由于激光束易于导向、聚集实现歌方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法7、激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，七热影响区域笑，工件热变形小，后续加工量小。三、主要研究内容（1）建立激光加工设备参数的检测手段，并进行方法研究。 （2）激光切割技术研究。对现有的激光切割系统进行二次开发和产业化，提供性能好、价格便宜的23轴数控CO2切割机，并开展相应的切割工艺的研究，使该工艺广泛用于材料加工、汽车、航天及造船等领域。为此应着重在激光器外围装置，如：导光系统、过程监测和控制、喷咀、浮动装置的设计和研制以及CADCAM等方面开展工作。 （3）激光焊接技术研究。开展激光焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究，从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺。 （4）激光表面处理技术研究。开展维CADCAM技术、激光表面处理工艺、材料性能及激光表面处理工艺参数监测和控制研究，使激光表面处理工艺能较大幅度的应用于生产。 （5）激光加工光束质量及加工外围装置研究。研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术，光学系统及加工头设计和研制。 （6）开展激光加工工艺技术研究，重点是材料表面改性和热处理方面的研究和推广应用；开展激光快速成形技术的应用研究，拓宽激光应用领域四、激光加工的研究方向1、PCB 激光微通道打孔近几年,激光技术已经广泛应用于高密度印刷线路板微通道打孔及芯片封装设备中,目前全世界已经安装了1400 多套激光打孔系统,这一数字将近是几年前的两倍(1999 年大约为350 套) 。最新的世界微通道打孔信息显示,每年有超过300 ,000 平方米的高密度多层印刷线路板是用激光来打孔的。1999 年6 月的生产量为200 ,000 平方米/ 月,而到2000 年8 月达到了300 ,000 平方米/ 月,相比之下,有50 %的增长。到2000 年底,每月微通道打孔的产量增加到超过450 ,000 平方米。2、激光焊接塑料随着塑料在汽车、医疗设备及电子等行业的零部件设计、制造上日趋广泛的使用,如汽车的仪表板和仪表盘、刹车显示灯、方向指示器等,而且原先许多传统使用金属的零部件(汽车进气管、油箱、过滤器、医学上使用的流体输送系统等) 也开始逐渐被塑料所代替,因此,在塑料制品的加工过程中人们渴望一种更加快速、有效、干净的塑料焊接方式。大功率光纤激光塑料焊接系统可完全满足这方面的市场需求,为用户提供先进、高效的焊接技术。目前国内市场上普遍使用的塑料焊接技术主要有振动摩擦焊接、热板式塑料焊接及超声波焊接等焊接技术。由于材料和设备方面的进步,使激光焊接技术作为一种连接塑料制品的专门方法得到了生产厂家的认可,主要用于连接敏感性塑料制品(含有线路板) 、具有复杂几何形状的塑料件以及有严格洁净要求的塑料制品(医药设备) 等等。4、大功率光纤激光器在船舶制造业中的应用欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术。采用先进的L EGO 原理,船体分段制造、拼接总装而成。采用激光焊接技术,使该航母的重量降低大约200 吨。船体平板为了适应海洋流体力学的需要,都被设计成具有复杂的三维曲率形状,激光辅助平板成型技术可以代替费力、费时、具有一定危险性的机械加热成型工艺, 应用前景良好。日本的Ka2wasaki 重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统,德国的Meyer Werf t 也安装了四台12 KW 的CO2 激光器,用来焊接不同长度的船体加强杆。目前美国、欧洲等地区正在进行大功率光纤激光工业加工设备的开发, 正在开发的有2kW、6kW 输出的工业级光纤激光器的加工设备的二次开发5、汽车等制造工业 在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。 目前，国外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。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达3050kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。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手表宝石轴承的生产中。新一代工业激光器研究，目前处在技术上的更新时期，其标志是二极管泵浦全固态激光器的发展及应用；精细激光加工，在激光加工应用统计中微细加工1996年只占6，1997年翻了一倍达12，1998年已增加到19；加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、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。激光技术许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广五、激光加工的发展趋势 激光加工技术作为当前一种新型的特种加工技术，凭借其良好的单色性、高能量密度、良好的空间控制性和时间控制性等一系列优点,目前它已广泛应用于材料加工等领域。激光加工的行业包括汽车制造、航天航空、电子、化工、包装医疗设备等,我国激光加工市场前景广阔,预计平均每年以20 -30 %的速率递增。与计算机数控技术相结合,激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术,拥有普通加工技术所不能比拟的优势。例如激光加工为非接触式加工,因此速度快、无噪声,可实现各种复杂形状的高精度加工目的,且无通常意义上的 刀具磨损,无需更换刀头 。激光加工技术的传统应用主要有金属材料的激光焊接、激光切割、激光打孔、激光标记、激光表面热处理、激光快速成型、激光雕刻等。随着新型激光器件的诞生、激光技术的不断发展以及新材料、新工艺的涌现,激光加工技术在不同行业得到了进一步的应用。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。目前的研究进展也已经显示，激光微技术是有发展潜力的三维微制造技术，将可能成为微系统制造的主流技术之一。德国国家教研部从2002年开始，出台了为期五年的光学资助计划，其中重要的一项内容就是激光微制造技术的研究。该计划仅2002年的资金投入就是0.478亿欧元，后续几年的投入按一定比例递增。德国采取分解式的单元技术研究，在光的微制造与微纳技术的硬件方面，五年研究规划的目标定位在新的激光光源和超精细聚焦系统上，达到 1500.1nm光谱范围的超紫外输出和能越过衍射极限、分辨率小于100nm的高重复性近场透镜。参考文献：1刘晋春、赵家齐、赵万生.特种加工（第 4 版）M.机械工业出版社，2007. 2王先逵.特种加工M.北京：机械工业出版社，20