激光加工技术激光加工相关知识

激光加工技术

激光是本世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力，专家们认为，现在是电子技术的全胜

忖期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是激光。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、激光加工技术的应用

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。

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，根据零件

的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模具和刀具即

可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛

应用。

激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊

接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接

特别有利。

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。

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。

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•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量到微米量级，

这对产品的防伪有特殊的意义。准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用

于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。

激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴

重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平

衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激

光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。

激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本,可加工0.125〜

1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。

激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%〜0.002%,比传统加工

方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻（0.01〜0.6微米厚）与厚膜电阻（20〜

50微米厚）的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。

激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技术，是信

息化时代的支撑技术之一。

激光划线技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高（线宽为15〜25微米，槽

深为5-200微米），加工速度快（可达200毫米/秒），成品率可达99.5%以上。

激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。

激光热、表处理技术包括：激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、

激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，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。

激光相变硬化（即激光淬火）是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一

种新工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲劳强度,

国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。

激光包覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一，具有很好的经济性,

可大大提高产品的抗腐蚀性。

激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法，是未来应用潜力最大的表面

改性技术之一，适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、

耐高温等性能的零件。

激光退火技术是半导体加工的一种新工艺，效果比常规热退火好得多。激光退火后，杂质

的替位率可达到98%〜99%,可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2〜1/3,还可大大

提高集成电路的集成度，使电路元件间的间隔缩小到0.5微米。

激光冲击硬化技术能改善金属材料的机械性能，可阻止裂纹的产生和扩展，提高钢、铝、

钛等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。

激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度，速度比无激光照射快1000倍，对微型开关、

精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大义意。使用改技术可使

电度层的牢固度提高昂100〜1000倍。

激光上釉技术对于材料改性很有发展前途，其成本低，容易控制和复制，有利于发展新

材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术，在控制组织、提高表面耐磨、

耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其它电气材料经激光上釉后用

于测量仪表极为理想。

二、激光加工技术的发展趋势

1.数控化和综合化

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，已成为激光加工发展的一个重要趋势。

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

目前，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1〜2万小时。

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157〜350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。

1激光加工技术概述

激光加工技术是一种高度柔性和智能化的先进加工技术，它集成了CAD技术、数控技

术、激光技术和材料技术等现代科技成果，技术涉及范围广。激光加工技术是指各种以高能

密度激光束为手段，通过激光束与材料之间的物理和化学等作用。实现改变物质形态或性质

的先进材料加工技术。激光加工涉及激光物理、材料、电子、机械和工程传热等多门学科，

综合了激光、制造、控制和计算机应用等多项技术，已成为多学科交叉和多技术综合的一种

典型的先进制造技术。激光加工具有非接触、无污染、热影响区域小、加工精度高以及町选

区加工等特点，而且在特定的加工情况下是其他制造方法不可替代的。因此，激光加工技术

在许多行业中都得到了重要而广泛的应用。由于其独特的性能在农业领域得到广泛应用。在

诱变育种、增强种子活力、促进生长发育、提高产量和品质、平地整地、提高节水灌溉能力、

防治病虫害等方面发挥着越来越重委的作用。

2激光加工技术在农机制造中的应用

21世纪是一个以信息、生物等高科技为支柱的知识经济时代。我国农业只有加快现代化

进程，才能在国际竞争中立于不败之地。发展现代农业少不了农'也机械的支持，制造技术成

为其重要的组成部分。当前农业机械由于其自身应用的特点和工作对象的复杂性，尤其是农

机制造行业的设计加工手段比较落后.使其创新少，新产品开发周期长，成本高，制造质量

比较粗糙，产品寿命相对较短。为了大力提高农机的制造技术.并与其他机械制造业平行发

展，必须加大激光等先进制造技术在农业制造中的应用力度。提高农机制造企业的现代生产

技术水平。

2.1激光快速成型技术在农机制造中的应用

快速成型技术即直接根据CAD模型快速生产样件或零件的技术总称。它集成了CAD

技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

其原理：产品三维CAD模型一分层离散一按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料一

生成实体模型。它能根据CAD模型（电子模型）自动、直接、快速、精确地将设计思想物化

为具有一定功能的原型或直接制造零件，在不同模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零

部件，解决了从设计到制造的快速对接问题。因此，该技术可以对产品设计进行快速评价及

修改，有效地缩短了产品的研发周期。降低了开发成本。满足了当今竞争日益激烈的市场对

新产品快速开发和快速制造的要求，提高了产品的市场竞争力和企业的综合竞争能力。其中，

激光选区烧结是快速成型制造中的重要工艺方法之-o这种制造方法具有成型速度快、精度

高、表面质虽好、后置处理简单和省时等特点，是一个具有生命力的技术，为制造技术的发

展创造了一种新方法。

农业机械生产过程具有特殊性。零件多具有较复杂的形状。如耕地机械、整地机械和收

获机械等。此外，复杂曲面较多。如犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮和送料螺旋等。而且

根据具体的生产情况不同，其形状还需相应调整。因此，利用传统的机械加工方法研制这种

农业机械零件.不仅研制开发时间长。加工工艺复杂，而且很难达到理想的效果。运用先进

的激光快速成型集成技术。不仅大大缩短新产品的开发周期，降低开发成本，而且制造质量

也优于传统制造方法。

2.2激光表面强化与热处理技术在农机制造中的应用

激光表面强化与热处理技术是一种新型的材料表面处理技术。激光表面强化技术的原理

是利用激光穿透能力极强的特点，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。激光热处理是传统热处理技术

的发展和补充，它可以解决其他表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化同题。经过激

光处理后，可以提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀和防氧化等性能.延长其使用寿命。总之，

激光表面技术时于提高零部件的表面综合机械物理性能，改善产品的性能、使用寿命，增强

产品的竞争能力起着至关重要的作用。

农业机械量大面广，种类繁多。每年由于表面破坏和失效带来的损失非常巨大。资料表

明，农机产品的失效破坏，约有60%是由零件表面的腐蚀和磨损造成的。如耕作、播种和收

获机械的许多零部件，直接与土壤接触，其腐蚀和磨损相当严重，导致故障增多、生产率下

降，作业成本明显上升。农用动力中的气缸、气门、曲轴.因磨损和腐蚀常会导致功率下降,

污染增加。各种农用泵、风机和叶片在表面磨损后，工作性能下降，寿命降低。因此，在农

机行业中大力推广先进、实用的表面技术.可显著提高零部件的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损和

耐疲劳性能，能最大限度地延长农机具的使用寿命；对于已损坏的产品，采用表面修复工艺，

可大大节省资金，经济效益十分显著。

此外，激光热处理技术在农业机械制造行业应用极为广泛，在许多关键零件上（如缸体、

缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座或活塞环等）几乎都可以采用激光热处理。在农业生产

中，机器的工作条件是多种多样的，有些机器（犁、中耕机、播种机和收割机）直接在磨料介

质中工作，使许多零件磨损很快。另一方面，为了获得足够的强度，机器的材料用量较大，

不仅浪费材料•，而且显得笨重。对于此类零件，激光硬化处理后的硬度比常规淬火硬度高5

%-20%,激光合金化可以根据要求选择加入新材料，形成以基材为基础的新合金层，以获

得满意的性能。此外，由于处理后性能的提高，可以选用低性能的基材，从而减少了基材的

质量。

从中国光学光电子行业协会激光分会的逐年统计看，激光加工装备的年销售额一直在高速增

长。如2003年比2002年增长21.6%,2004年比2003年增长18%。充分说明，激光加工技术在

我国已经从研究，实验探索中走出了象牙之塔，走上实用化的道路。崛起一批激光加工装备

制造企业，生产出成千上万台满足应用的激光加工机。保持销售额年增长在20%左右。由于

对国内后场的各种宣传、展示、普及和为用户培训，也大大地把激光加工的后场拓大拓宽，

给国内用户带来采用这种先进制造技术的信心和决心,促成激光加工得以越来越广泛应用的

外部环境，这便是我们经常说的市场牵动。市场牵动又推动着激光加工机的热销，如此这般,

形成连锁反应。正因如此推动，目前已经形成激光加工机生产企业达200余家，从业人员近2

万，其中科技人员约占50%,具有中高级职称的员工约占30%,已经形成一支具有相当实力

的产业队伍。同时，也吸引了世界各地许多激光加工设备制造商的关注和跟进，国内市场已

经国际化了。

一、激光切割机产品的高速发展

前几年，国内在销的激光切割机大部分为国外进口产品，国内产品所占份额甚小。随着

用户对激光切割技术特点的逐步深入了解和示范性采用，带动了国内企业纷纷转向生产激光

切割机。如产量最大的生产企业为上海团结普瑞玛激光设备公司，年订货已超过100余台，

在全球产量排序为第八位。其它还有华工激光工程分公司、济南捷迈、沈阳普瑞玛、江苏金

方园等。近期有几个知名度较高的激光加工机生产企'也也投入力量，开始生产激光切割机的

有武汉楚天激光，大族激光等。

估计国内市场近期销售量1〜4KW激光切割机达300〜350台，国内供货可占200余台，其

他100余台为国外产品，来自德国、瑞士、II本、韩国、比利时等国。目前瑞士百超已在国

内组装激光切割机，并已开始销售。

这些激光切割机的用户，包括电气制造、电梯业、运输机械、石油工业、纺织机械、粮

食机械、医疗机械、灯具、装饰、包装业以及激光加工站和科研院所的多方面应用。

CO2激光切割技术是激光加工应用最广泛的技术之一。据我了解:欧洲已安装了12000

台，北美安装有11000台，日本安装有10000台。我国台湾安装已超过500台。中国大陆安装

数约为800台，功率逐渐由2000W提升到3KW、4KW,从以上可看出CO2激光切割机已经

成为国内主要热品产品。随着应用面扩大，高功率CO2激光器国内产品的逐步过关，必将

牵引我国激光销售快速增长。

二、激光打标机（标记机）将继续前冲

按照全球对激光加工系统销售总量的统计，激光打标机仅次于激光切割机，占第二位。

近年来，接近激光切割机销售量，各占总量的1/3左右。而我国则相反，激光打标机的销售

额一直占国内激光加工销售额的50%以上，在较大范围内占领了国内市场，并大大地开拓了

应用的工业领域，可以说，比国外的应用面要广泛得多。已应用的行业有电子工业、汽车工

业、工具量具、航空航天、仪器仪表、包装工业、医疗产品、家用电器、键盘、面板、广告

标牌、证件卡片、日常用品、珠宝钻石等领域。

标记对象的材料可以是各类金属和非金属。如不锈钢、铝合金、有机玻璃、塑料、陶瓷、

合成材料、木材、橡胶、皮革制品、纸制品、印刷电路板、多种电子电器元件、香烟、钮扣、

雷管、金属零件，一直到食品包装、药品包装，以至螃蟹等。其年销售台数约为4000〜5000

台。它所采用的激光器由灯泵Nd:YAG激光器，玻璃管或金属腔的CO2激光器，近年，光

纤激光器和全固态激光器正批量进入打标生产企业，与之配套。打标机可对零件在固定位置

打标也可对在流水线上物品进行飞行打标。我国生产打标机较知名企业有大族激光、华工激

光、楚天激光、大恒激光、桂林星辰激光、志恒达激光等公司，还有众多生产激光打标机的

中小企业也是重要的单位，它们一起把我国的打标机市场做得越来越大，应用面越来越宽，

目前也开始批量出口。特别值得一提的是很有实力的企业，自行开发、生产七彩打标机，一

时间订购此种打标机的单位甚多，相信这种创新产品会获得更大发展。

三、25W~100W级激光加工机

这里主要指采用25W〜100W级CO2激光器，加上以X-Y桌面工作台系统为主的机型，

同时也有用Nd:YAG激光器加振镜集成的加工机。它可以进行雕刻包括内雕、裁剪、镂空、

绣花和切割加工。种类多、价位低、用途广、适合国情。年产量在6000台左右。广泛用于印

章、柔性板、礼品、广告、标牌、工艺品以及工业用非金属制品。可对牛角、玻璃、塑料、

橡胶制品、竹木制品、合成材料、布料、皮革等材料进行激光加工。由于它是电脑排版、自

控、不接触加工、速度快（比手工或其它加工方式快许多）智能化程度高，操作方便等独特优

点，所以占据了国内广大市场，并且销往中东、东南亚、南美、东欧、非洲等地颇受欢迎。

生产X-Y工作台机型知名度较高的由浙江博业激光、广东粤铭激光和武汉金运激光等公司，

它们的迅速崛起形成了生产格局，目前博业激光已建成35000平米的厂房，金运激光建成

10000平米厂房，粤铭激光不仅进一步扩大原产地生产能力，还在上海建立分厂。这种机型

除雕刻柔性橡胶，竹简外还进入激光剪裁服装、皮革、绣花等工作，使这些企业产品升级，

促进了市场发展，它们已将送料、收料、原料负压吸附、自动摄像定位、双头裁剪等技术逐

步加以应用，使激光加工设备可以融入服装生产的自动化流水线作业中，使产品智能化升级。

值得一提的是激光内雕机也是迅速发展的产品之一,它是通过激光诱导在玻璃体内形成

炸裂点的光散射构成白色立体内雕图像。近期本技术又取得进••步发展。国内某单位开发出

彩色内雕技术，可在玻璃体内相继打出红、橙、黄、蓝、紫等色彩的图案，不久产品即将投

放市场。给内雕制品增添光彩。

四、用于再制造业的激光熔覆技术及装备

再制造工程是以产品全寿命周期理论为指导的工程实践。装备的论证、设计、制造、使

用、维修、回收的全部费用称作全寿命周期费用，传统上只重视装备的“前半生”，（这个周

期仅占20〜40%的费用），而往往忽略了“后半生”，即使用、维修和报废阶段的费用。

装备的再制造工程是以装备的"后半生''为对象，以提高利用率、节约资源、环境保护、

坚持可持续发展的一门工程技术。再制造技术的发展必须融入高新技术、使得陈旧部件和装

备获得重新获得高品质，高附加值的产品，所以再制造业是实现跨越式发展，完全符合国家

政策的一项重要技术。美国的再制造业产值达530亿美元，从业人员达48万人，他们称“再制

造业是潜在的巨人我国这方面已开始启动。

激光加工技术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，从而使得激光表面改性技术成为再制造的一项重要手段。它

主要是采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系统。年销售量约100台。这方面较突出的是

大陆激光，他们在实践中应用了激光显微仿形熔覆技术，较大范围应用到电力、石化、冶金、

钢铁、机械的工业领域，修复了涡轮动力转动装置的重要零部件，一直到机组，如烟气轮机、

离心式压缩机、螺杆压缩机、大型汽轮机、发电机、蒸汽轮机等近千台，同时还生产激光器

及机组，成为这种技术的国内领头企业。其它还有金石凯激光、华工激光、团结激光。

国内以激光加工站形式出现从事这方面业务的有中科院金属所、北京、天津、杭州等地

高校激光工程中心都为激光加工应用于再制造业发挥了较大作用。

五、激光焊接技术与装备

激光焊接技术在国内的应用正迅速扩大,其销售额仅次于打标和切割。它主要用于电池、

电器、仪表、五金工具及钢铁、航空航天、汽车等工业。

应用分三大类:一类是用于移动通讯如手机电池的焊接，其他如电容、电器、仪器仪表

元器件的焊接。这些焊接设备主要采用Nd:YAG激光器;工作台有的是多工位，生产这类设

备量较大的知名度较高的有武汉楚天激光、华中激光、大族激光和天津力能激光等。生产手

机电池最大的比亚迪公司自己也开发;自装自用。

第二类主要是对金刚石锯片的激光焊接。目前欧洲已禁止使用热阻焊的金刚石锯片。而

大量采用CO2激光器将金刚石刀头焊接到锯片基体上，这种工艺符合安全要求。据报道，

基建业使用的金刚石刃具中，消耗最大的为激光焊接金刚石锯片，需求量约合30亿美元。由

此也带动国内企业投入这项激光焊接工艺及装备生产中去，我国年出口值约为3000万美元，

年出口增长率增高的原因之一是我国人造金刚石刀头的粉末冶金较好有关。

此外国内随着各类基建工程、空调安装、石材工业的拓展，对金刚石锯片年需求量也约

合10亿人民币，高档石材加工也部分要用激光焊接金刚石锯片。国内生产激光焊接金刚石锯

片较大企业有华工激光、武汉团结激光等。生产激光焊接锯片系统的有华工激光、武汉团结

激光、济南捷迈、上海团结普瑞玛等单位，多为多工位焊接系统。

第三类是激光焊接钢板，这方面的应用多在钢铁工业（如钢板在线拼焊、带钢拼焊等）、

汽车板拼焊（有的在钢铁厂、有的在汽车厂）以及各种壳体类零件焊接、其激光焊接系统不是

定型产品，多为“量身定做

市场展望

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2%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，我国销售额将会由2004年的15亿人民币上升翻一倍，也就是说会达

到30亿元产值。其原因：

一、国家重视，各级政府部门都在积极关注、规划、立项，多方面资金正在注入。特别

是国家强调立项主体山大专院校，科研部门料转到以企业为主，这就促进了企业产品的自主

创新，技术升级。

二、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，采用它可达到“敏捷制造''的水平，满足市场对“个性化”产品的要求。

三、国内已逐步形成了产业群体激光零部件配套企业慢慢补齐，各类具有特色的激光加

工系统制造商纷纷建立，国内已形成四个激光加工装备制造的产业带，它们主要分布在华中;

珠江三角洲;长江三角洲和京津环渤海经济发达地区。

四、国际上知名的激光加工制造商有的在华投资建厂;有的以国内合资生产，总趋势是

纷纷进入，形成国际竞争国内化。

五、国内在主力激光器方面逐步过关，进入市场应用。如大功率轴流CO2激光器，中

小功率金属腔射频CO2激光器，半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器、及倍频DPL、大

功率二极管模块等，正蓄势待发，进入产品化初期，进入市场。为国产激光加工的升值开拓

新应用创造条件。

在国内已创立的一片大好形势下，我们殷切期望业内各企业努力创造具有自主创新的产

品，尽力避免低价位、低利润率的竞争，使国产设备走上越来越健康发展局势。

1激光加工的原理

激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。由于激光的发散角小和单色性好,

理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的（微米甚至皿微米）小斑点上，加上它本身强度

高.故可以使焦点处的功率密度达到105〜1013W/cm2.温度可达1万。C以上。在这样的

高温下。任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很

强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。

2激光加工的特点

激光加工的特点主要有以下几个方面:一是几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行

激光加工；二是激光能聚焦成极小的光斑.可进行微细和精密加工.如微细宅缝和微孔的加

工：三是可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其他地点进行加工；四是加工时不

需要刀具，属于非接触加工。无机械加工变形：五是无需加工工具和特殊环境，便于自动控

制连续加工.加工效率高，加工变形和热变形小。

3激光加工技术在农用汽车工业中的应用

3.1激光切割

激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精细的切割也可采用YAG激光器。激光

可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程中。由于激光对被切割材料不产生机械

冲击和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷及

各种精密细小的零部件。激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割质量好、热

影响区小、加工柔性性大等优点，在现代工业中得到广泛应用。在农用汽车下业中.车身覆

盖件三维轮廓采用激光切割可以提高切割效率8〜20倍，节省材料15%〜30%,从而大幅

度降低生产成本。且加工精度高，产品质量可靠。

3.2激光焊接

当激光的功率密度为105〜107W/cm2,照射时间约为1/100s左右时,，可进行激光

焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需工件加工区域"热熔"在一起即可。激光焊接速度

快，热影响区小，焊接质量高，即可焊接同种材料.也可焊接异种材料♦，还可透过玻璃进行

焊接。

农业汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设

计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板.通过激光裁剪和拼装技

术完成车身某〜部位的制造.例如前挡风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光

拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和

提高尺寸精度等好处.目前已被许多大的农业汽车制造商和配件供应商所采用。激光焊接主

要用于车身框架结构的焊接.例如顶盖与侧盖车身的焊接，而传统焊剂方法的电阻点焊己逐

渐被激光焊接所代替。采用激光焊接技术。工件连接之间的接合面宽度可以减少，既可降低

板材使用量。又可提高车体刚度，零件焊接部位几乎没有变形。焊接速度快.而且不需要焊

后热处理。目前，激光焊接零部件常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门较链等。

3.3激光淬火

当激光功率密度约为103-105W/cm2时。便可实现对铸铁、中碳铁甚至低碳钢等材料进

行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.7〜1.1mm,淬火层硬度比常规淬火约高20%。激光

淬火变形小。能解决低碳钢的表面淬火强化问题。在激光淬火过程中，很大的过热度和过冷

度会使淬硬层的晶粒极细、位错密度极高且在表层形成压应力.进而大大提高工件的耐磨性、

抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能。延长工件的使用寿命。

激光淬火技术在农用汽车中的应用主要包括农用汽车发动机气缸套内壁、曲轴、凸轮轴、

排气阀、阀座等。意大利菲亚特公司采用HPL•10型激光器处理发动机汽缸套内壁，降低

了油耗，节省了成本；德国奥格斯堡―纽伦堡机械制造有限公司1984年就建立激光淬火生

产线，对大型发动机缸套进行激光淬火，淬火带的布局有交叉网纹式、螺旋线式和正弦波式，

大大提高缸套耐磨性：长春一•汽对CA141汽车发动机汽缸套进行激光淬火处理，大修里程

提高到20x100000km：青岛中发激光技术有限公司采用激光网络工艺加工发动机缸孔、曲轴

等零件表面，寿命提高3-5倍。

3.4激光熔覆

激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种重要方法。它是利用高

能激光束(104〜106W/cm2)在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固(冷却速度通

常为102〜106oC/s),在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而

构成•种新的复合材料，以弥补机体缺少的高性能。这种复合材料能充分发挥两种材料的优

势。

弥补相互间的不足。激光熔覆技术在农用汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、

换向器、齿轮等零部件的表面熔覆。发动机排气门的密封锥形面熔覆stellite合金后。耐磨

性能比基本材料提高5倍。

3.5激光合金化

激光合金化(laserSurfaceAlloying,LSA)是金属材料表面局部改性处理的一种新方法。

是在高能量激光束的照射下.使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金素同时快速熔

化、混合，形成厚度为10〜1000pm的表面融化层，使材料表面在很短时间内形成具有要求

深度和化学成分的表面合金化层。这种合金化层由于具有高于基材的某些性能.所以能达到

表面改性处理的目的。在农用汽车工业方面，激光表面合金化工艺可以明显改善工件表面的

耐磨、耐蚀、耐高温等性能。延长在各种恶劣工作条件下工作的农用汽车零部件如轴承、轴

承保持架、汽缸、衬套等的使用寿命。

3.6激光无模成形

激光无模成形是利用激光束扫描金属薄板时.在作用区域内产生强烈温度梯度而诱发热

应力，使板料实现塑性弯曲变形。德国将激光成形用于农用汽车制造业.进行了农用汽车覆

盖件的柔性校正和其他异型件的成形，并对弯曲成形过程进行计算机闭环控制，弯曲角精度

可达到±0.20。

3.7激光打标

激光打标是指利用高能量激光束照射工件表面。光能瞬时变成热能.使工件表面迅速产

生蒸发。从而在工件表面刻出所需要的文字和图形。以作为永久的防伪标志。

4结语

我国农用汽车工业技术与国外相比还存在较大差距。大力开展激光加工基础理论与关键

技术的研究.对于提升我国农用汽车工业制造水平和国际竞争力，发展民族工业具有重要的

意义。

0引言

自从20世纪60年代激光问世以来，激光技术作为一门高新技术，几乎在各行各业都获

得了重要的应用。激光加工技术是指各种以高能密度激光束为手段，通过激光束与材料之间

的物理和化学等作用，实现改变物质形态或性质的先进材料加工技术。激光加工涉及激光物

理、材料、电子、机械和工程传热等多门学科，综合了激光、制造、控制和计算机应用等多

项技术，已成为多学科交叉和多技术综合的一种典型的先进制造技术。激光加工具有非接触、

无污染、热影响区域小、加工精度高以及可选区加工等特点，而且在特定的加工情况下是其

他制造方法不可替代的。因此，激光技术在许多行、业中都得到了重要的应用。

农业机械由于其自身应用的特点和工作对象的复杂性，尤其是农机制造行业的设计加工

手段比较落后，使其创新少，新产品开发周期长，成本高，制造质量比较粗糙，产品寿命相

对较短。为了大力提高农机的制造技术，并与其他机械制造业平行发展，必须加大激光等先

进制造技术在农业制造中的应用力度，提高农机制造企业的现代生产技术水平。

1激光快速成型在农机制造中的应用

快速成型技术就是直接根据CAD模型快速生产样件或零件的技术总称。它集成了CAD

技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。

它能根据CAD模型（电子模型）自动、直接、快速、精确地将设计思想物化为具有一定功能

的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的条件下生成儿乎任意复杂的零部件，解决了从

设计到制造的快速对接问题。因此，该技术可以对产品设计进行快速评价及修改，有效地缩

短了产品的研发周期，降低了开发成本，满足了当今竞争口益激烈的市场对新产品快速开发

和快速制造的要求，提高了产品的市场竞争力和企业的综合竞争能力。

激光选区烧结是快速成型制造中的重要工艺方法之一。该技术采用逐层材料添加的原

理，对三维实体模型进行切片分区处理，生成激光烧结的扫描路径；然后，通过x-Y激光

扫捕仪使激光束沿扫描路径扫描，逐层烧结同化同体粉末材料（如塑料粉、尼龙粉、蜡、陶

瓷或）、金属与粘结剂的混合粉或金属粉等，经过烧结与层层叠加后，最终形成所需的三维

工件。这种制造方法具有成型速度快、精度高、表面质量好、后置处理简单和省时等特点，

是一个具有生命力的技术，为制造技术的发展创造了一种新方法。

农业机械生产过程具有特殊性。零件多具有较复杂的形状，如耕地机械、整地机械和收

获机械等。此外，复杂曲面较多，如犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮和送料螺旋等，而且

根据具体的生产情况不同，其形状还需相应调整。因此，利用传统的机械加工方法研制这种

农业机械零件，不仅研制开发时间长，加工工艺复杂，而且很难达到理想的效果。运用先进

的激光快速成型集成技术，不仅大大缩短新产品的开发周期，降低开发成本，而且制造质量

也优于传统制造方法。

2激光表面强化与热处理的应用

激光表面强化与热处理技术是近20年来发展起来的一种新型材料表面处理技术。激光

表面强化技术的原理是利用激光穿透能力极强的特点，当把金属表面加热到仅低于熔点的临

界转变温度时，其表面迅速契氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化。激光表面

强化与热处理可以分为3类：一是激光照射时金属不熔化，只是组织发生变化，这类工艺主

要为激光相变硬化（激光淬火）：二是激光照射时金属熔化，冷却后组织发生变化或加入其他

元素改善表面性质，包括激光熔凝、激光合金化、激光非晶化和微晶化等；三是激光照射时

金属表面发生汽化，从而发生组织变化，这类工艺主要为激光冲击硬化。上述各种激光热处

理工艺共同的理论基础是激光与物质的相互作用规律及其金属学行为。

激光热处理是传统热处理技术的发展和补充,它可以解决其它表面处理方法无法解决或

不好解决的材料强化问题。经过激光处理后，铸层表层强度可达HRC60以上，中碳、高碳

钢以及合金钢的表层硬度可达HRC70以上，从而提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀和防氧化

等性能，延长其使用寿命。

激光热处理在汽车行业应用极为广泛，在许多车关键件上（如缸体.缸套、曲轴、凸轮

轴、排气阀、阀座或活塞环等）几乎都可以采HJ激光热处理。同样，农用机车也应该广泛使

用。在农'也生产中，机器的工作条件是多种多样的，有些机器（犁、中耕机、播种机和收割

机）直接在磨料介质中工作，使许多零件磨损很快。另一方面，为了获得足够的强度，机器

的材料用量较大，不仅浪费材料，而且显得笨重。对于此类零件，激光硬化处理后的硬度比

常规淬火硬度高5%—20%,激光合金化可以根据要求选择加入新材料•，形成以基材为基础

的新合金层，以获得满意的性能。此外，由于处理后性能的提高，可以选用低性能的基材，

从而减少了基材的质量。

3激光在农机零件修复中的应用

激光熔覆（又称激光包覆或激光熔敷）是一种新的表面改性技术，它通过在基材表面添加

熔覆材料•，并利用高能密度的激光束，使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成与冶

金结合的填料熔覆层。由于激光熔覆可将高熔点的材料熔覆在低熔点的基材表面，而且材料

的成分亦不受通常的冶合金热力学条件的限制。因此，所采用熔覆材料的范围相当广泛，包

括锲基、钻基、铁基合金、碳化物复合合金材料以及陶瓷材料等。其中，合金材料和碳化物

复合材料的激光熔覆较为成熟，并已获得实际应用。由于激光束的高能密度所产生的近似绝

热的快速加热过程，使激光熔覆对基材的热影响较小，引起的变形也较小。控制激光的输入

能量还可以将基材的稀释作用限制在极低的程度（小于10%）,从而保持了原熔覆材料的优异

性能。

因此，激光熔覆技术可以提高材料裹面的耐磨与耐蚀等性能，主要用于零件磨损后的修

复及增强新制造零件的性能。对于重要零件（如农机中的汽缸套和活塞等），由于工作量大，

高温、高压、侵蚀以及不同程度的摩擦，其磨损量是很大的，零件需要定期报废和更换。对

于耕地机械、整地机械和收割机械（如犁、中耕机、播种机和收割机），作业时局部磨损很快,

零件报废是因为局部的损坏。为了提高零件的使用后命，修复工作有着极大的意义。激光加

工具有选区作用的独特优点，而且激光熔覆可以方便地修复磨损部位，使零件不因为局部损

坏而报废，提高了零件的可靠性和使用寿命，在投入费用最小的情况下重新达到更佳的性能

要求”J。此外，用激光对模具进行修复，可以大大提高模具的寿命，又不受形状和尺寸的限

制，在农机制造中也应大力推广和采用。

4激光技术在农机制造中应用的几点思考

1）激光加工技术在多行业中已经大力推广，在农业机械制造中的应用也势在必行。但对

加工类型的选择及激光器的使用，要从基础做起，只有在充分掌握这种先进加工方法的情况

下，才能更好地改进传统工艺，发挥新技术的优势。激光加工技术集成了CAD技术、数控

技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，技术涉及范围广。因此，农机企业在上激光制

造项目时，一定要分析企业自身条件和需求，向其它机械企业咨询，看准方向，找到结合点，

循序渐进，切忌所谓"一步到位"。因为激光加工技术发展非常快，任何企业不可能一步到位。

2）激光加工技术在农机制造中的应用在我国尚不普遍，主要是该行业对激光技术的应用

还存在不同程度的神秘感和偏见。另外，对激光技术的宣传也不够，缺乏实践。因此，农机

企业应尽快引进吸收工业生产中成熟的科研成果，利用好工业中已建立的多功能激光加工中

心，使其为更多的农机企业服务。

3）近些年来，大功率激光器和辅助设备的制造技术日益提高，其基础理论及生产技术

13益成熟，与其他加工设备相比，大功率激光器的价格也不是很高。因此，激光加工技术

在农业机械制造中的应用具备了•定的外部条件。另外，随着农业工业化的快速发展，农业

制造企业的实力明显增强，对产品质量的要求越来越高，为激光加工技术在农业机械制造中

的应用提供了内部动力和条件。因此，目前激光加工技术在农业机械制造中的应用具备了条

件。可以预言，激光加工技术的引入必将大幅度提升农业机械的制造水平。

引言

改革开放以来，国外大批的高精尖设备引入我国，许多重大工程装备造价十分昂贵，一

旦出现损坏，使生产线中断。特别是进口设备，缺少备件，临时引进不仅价格昂贵，而且时

间紧迫，不能保证及时生产，将造成重大的经济损失。因此，开展重大装备修复，发展快速、

高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市场需求，而且具有重大的经济效益和社会效益。

常规修复技术的种类很多，每种技术有其擅长之处，也有应用的局限性，而精密可控成

形再制造的修复技术已成为重要发展方向。

近年来，国际上诞生了一门新兴技术一再制造技术(RefhbricatingTechnology)。与以往

修复技术不同，再制造技术是一种全新概念的先进修复技术，它集先进高能束技术、先进数

控和计算机技术、CAD/CAM技术、先进材料技术、光电检测控制技术为一体，不仅能使损

坏的零件恢复原有或近形尺寸，而且性能达到或超过原基材水平。由此形成了一门新的光、

机、电、计算机、自动化、材料综合交叉的先进制造技术。文中介绍了激光再制造系统的组

成、材料选择原则、多层熔敷后的效果及工业应用实例。

1、激光再制造系统构成

激光再制造技术的技术基础是激光熔敷。激光熔敷原本是一种表面强化技术，它不涉及

零件精确成形问题。以激光熔敷为修复技术平台，加上现代先进制造、快速原形等技术理念，

则发展成为激光再制造技术。它是以金属粉末为材料，在具有零件原型的CAD/CAM软件

支持下，CNC（计算机数控）控制激光头、送粉嘴和机床按指定空间轨迹运动，光束与粉

末同步输送，形成1支金属笔，在修复部位逐层熔敷，最后生成与原型零件近形的三维实体。

激光器：1〜5kWCO2激光器，多模即可，或用0.4〜2kWNd：遥G激光器，多模即可。

光学系统：采用聚焦光束和宽带光束2种方法，宽带光束可使熔敷表面光滑平整，而且

没有裂纹等产生。

送粉器：采用载气式或非载气式输送2种均可。非载气式送粉，粉末利用率高达90%,

载气式仅30%〜40%。在进行二维以下运动修复时，采用非载气式送粉可节省粉末，从而降

低使用成本。

从光束与粉嘴相互运动关系来看，可分为一维、二维及三维修复。

红外温度监控系统：

在激光熔敷修复过程中，由于多层叠加，熔层表面温度会随高度增加而增加，在尖角处

也会引起热量陡增。必须对熔池温度面进行实时监测，并将测温结果反馈给激光器和数控机

床，控制激光器功率输出以及CNC机床的运动速度，以保持熔池温度稳定。其测温原理为：

激光涂层吸收的能量EA，一部分用于熔化粉末Ep,一部分以热辐射的形式向外散出ER,'

部分用于热传导E「一部分用于与环境对流E。，即：

EA=EP+ER+ET+EC

根据黑体辐射定律和为维恩位移定律：XmT=2897.8nm-K,其中Xm为光谱辐射极大值

对应波长，T为绝对温度（K）。由此而进行双波长比色红外测温。采用双波长比色测温计,

测温范围400〜2000C,精度系数±1%。

2、激光再制造与热喷涂冶金组织比较

修复材料要与基材基本性能一致，要与基材有互熔性，实现冶金结合。修复层中不能有

裂纹、气孔，且层内组织均匀，与基材结合界面强度不低于基材强度。目前激光再制造用材

料与常规热喷涂技术基本•致，多为粉末型的Ni基、Fe基、C。基、WC、陶瓷等材料，可

根据基材性能选用不同修复材料。

激光修复层与基体是冶金结合，层内组织均匀细致，消除了气孔、裂纹、夹渣等缺陷。

而热喷涂层与基体不是冶金结合，界面为机械粘接，存在气孔。热喷涂层内有大量气孔、夹

渣、组织粗大。显然激光修复后显微组织和性能优于热喷涂工艺。

对损伤比较严重的部位，必须进行多层熔敷。每层厚度0.54mm,计30层。每层间的组

织与每层内组织比较，稍有些粗大，但总体来看，还是均匀的。熔敷材料为Ni45,多层熔

敷区的硬度分布和成分(SDX)经检测后，也是均匀的。硬度偏差不过AHV85。表明多层

激光系统熔敷可以获得大面积的组织和性能均匀的修复层。

3、激光再制造技术工业应用及前景展望

激光熔敷技术诞生以来，作为一种修复技术已得到许多重要应用。如英国P.R航空发动

机公司将它用于涡轮发动机叶片的修复，美国海军试验室用于修复舰船螺旋桨叶。国内对此

项技术应用也在近年来取得很大进展。天津工业大学已将此技术用于冶金轧辑，拉丝辐的修

复，石油行业的采油泵体、主轴的修复，铁路、石化行业大型柴油机曲轴的修复，均收到良

好的效果。

目前上述修复工作都采用一维激光熔敷方法，只能解决部分修复零件，而且仅是修复概

念上的工作。事实上，在生产中还有大量的复杂贵重装备需要三维激光再制造技术，特别是

不能移动的大型设备需要解决现场修复问题。可以预见，随着该项技术的发展与完善，在经

济建设和国防建设中将发挥巨大作用。

0前言

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最

多的加工方法。它占整个激光加工业的70%以上。激光切割与其他切割方法相比，最大区

别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量

好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。

可切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。

激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大

大缩短生产周期和降低成本。因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航

空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以15%-20%的速度增长。我国自1985

年以来，更以每年25%以上的速度增长。当然，由于我国激光工业基础较差，激光加工技

术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。因此，在我国，激光

切割技术的推广和应用潜力很大。

激光切割系统主要由机床主机、激光器、控制系统三大主要部分组成。控制系统是整个

系统的控制中枢，负责协调整个系统的正常工作，主要完成加工轨迹控制、焦点位置控制和

机、光、电一体的协调控制。数控激光切割机的研制属于机电一体化范畴，它的研制使生产

系统具有友好的人机界面，方便而易学的编程方式，以及精确的切割轨迹控制功能，适合于

工业现场的使用，极大地提高了生产率。

1激光切割机发展现状及特点

自从第1台红宝石激光器于1960年问世以来，激光技术已被广泛应用到各行各业，如

日常生活中的激光打印、CD唱盘与光盘、VCD与DVD视盘、光纤通信、激光测距、激光

扫描条码。在工业上，激光被用于切割、焊接、标记与热处理等加工领域。中国的工业激光

起步并不比西方国家晚，但由于基础工业的薄弱和投资力度的不足，使商品化的激光切割机

研究远远落后于发达国家。目前最大的制造厂家是上海雷鸥激光设备厂(上海嘉定)，每年可

生产30台2-5kW的横流式CO:激光器，供焊接与表面热处理使用，也可少量生产1.0-1.5kW

轴流式二氧化碳激光器供切割用，南京东方激光公司引进德国技术，每年可生产10台1.5、

2.0kW封闭式轴流式二氧化碳激光器。此外，长春光机所和上海光机所也生产少量工业激

光器。

我国北京机床研究所、核工业部济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究院近年也相继

推出了国产的数控激光切割机。沈阳机床股份有限公司引进意大利普瑞玛公司数控激光切割

机制造技术合资生产，推出了自己的激光器。

目前我国拥有的整台套的激光切割加工系统不足千台，而且分布在全国近200家的激光加工

部门中，其中90%为二氧化碳激光器。国产数控激光切割机的主要持点是，价格较低，约

是进口价格的1/3；激光器功率较低，•般为1.5kW以下。与国外机相比表现为切缝宽，表

面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差，但具有价格方面的优势，因此，继续深人开

发和发展国产化的较高质量的数控激光切割机，以较低的价格推向市场是一项很重要的工

作。

2激光切创机发展趋势

(1)高速、高精度激光切割机

由于大功率激光器光束模式的改善及32位微机的应用，为激光切割设备的高速、高精

度创造了有利条件。

(2)厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割机

随着可用于激光切割激光器功率的增大，激光切割正从轻工业薄板的饭金加工向着重工

业厚板切割方向发展。

(3)三维立体多轴数捽激光切割机

为了满足汽车、航空等工业的立体工件切割的需要，目前已发展了各种各样的五轴或六

轴三维激光切割机，其最大加工工件尺寸可达3600mmx3600mmx600mm,数控轴数达

到九轴，加工速度快，精度高，在6平方米范围内加工误差仅在0.1mm之内。在先进国家

的汽车生产线匕激光切割机器人的应用愈来愈多。目前，三维激光切割机正向高效率、高

精度、多功能和高适应性方向发展，其应用范围将会愈来愈大。

(4)激光切割单元自动化和无人化

为了提高生产率和节省劳动力，目前激光切割正向着激光切割单元(FMC)和无人化、自

动化方向发展。发展这种单元自动化系统，必须依赖于先进的自动控制、网络控制技术及计

算机生产辅助管理系统技术等。国外已有各种各样的激光切割单元可供应市场，并有由6

台大型激光切割机为核心组成的无人化的切割生产线在工厂运行。

(5)紧凑型和组合一体化数控激光切割机

随着激光器体积的缩小和功率的增大，以及辅助装置的不断完善，出现了把激光器、电

源、主机、控制系统和冷却水循环装置等紧密地组合在一起，形成占地面积小、功能完善的

整套紧凑型激光切割机。此外，激光切割技术正与激光焊接、激光表面淬火等激光加工工艺

组合，以发展一机多用，进一步提高设备的利用率。

1现代机械制造技术的特征

机械制造科学是由机械、计算机、信息、材料、自动化等学科有机结合而发展起来的一

门跨学科的综合科学，它随不同对象和时间而改变功能结构及信息系统，具有以卜一特征:（1）

柔性、集成、并行工作。现代机械制造系统具有多功能性和信息密集性，能够制造生产成本

与批量无关的产品，能按订单制造，满足产品的个性要求。（2）制造智能化。能够代替熟练

工人的技艺，具有学习工程技术人员多年实践经验和知识的能力，并用以解决生产实际问题。

智能制造系统能发挥人的创造能力和具有人的智能和技能，强调以人为系统的主导者这一总

的概念。在智能制造系统中，智能和集成并列，集成是智能的重要支撑，反过来智能又促进

集成水平的提高。（3）设计与工艺一体化。传统的制造工程设计和工艺分步实施，造成了工

艺从属于设计、工艺与设计脱离等现象，影响了制造技术的发展。产品设计往往受到工艺条

件的制约，受到制造可靠性、加工精度、表面粗糙度、尺、『等限制。因此，设计与工艺必须

密切结合，要以工艺为突破口，形成设计与工艺的一体化。（4）精密加工是关键。精密和超

精密加工技术是衡量先进制造技术水平的重要指标之一。当前，纳米加工技术代表了制造技

术的最高精度水平。（5）产品生命周期的全过程。现代制造技术是一个从产品概念开始，到

产品形成、使用，一直到处理报废的集成活动和系统。在产品的设计中，不仅要进行结构设

计、零件设计、装配设计，而且特别强调拆卸设计。使产品报废处理时，能够进行材料的再

循环。节约能源，保护环境。（6）人、组织、技术三结合。现代制造技术强调人的创造性和

作用的永恒性;提出了由技术支撑转变为人、组织、技术的集成;强调了经营管理、战略决策

的作用。在制造工业战略决策中，提出了市场驱动、需求牵引的概念，强调用户是核心，用

户的需求是企业成功的关键，并且强调快速响应市场需求的重要性。

2现代机械制造技术的内容和发展方向

2.1绿色制造CIM

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。绿色制造是可持续发展

战略在制造业中的重要体现，其目标是使产品在设计、制造、装配、运输、销售及使用的整

个过程中努力做到资源的优化利用、清洁生产和废弃物的最少化及综合利用。要力求实现切

削加工工艺的绿色化。目前这一绿色加工工艺主要集中在不使用切削液上，这主要是因为切

削液既污染环境和危害工人健康，又增加资源和能源的消耗。而干切削和干磨削一般是大气

氛围中（氮气中、冷风中或采用干式静电冷却技术）不使用切削液进行的切削。不过对某些加

工方式和工件组合，完全不使用切削液的干切削和干磨削在实际中很难实现，故又出现了使

用极微量润滑（MQL）的准干切削。目前，在欧洲的大批量机械加工中，已有10%-15%的加工

使用了干切削和准干磨削。

2.2计算机集成制造CIM

CIM就是通过计算机实现信息集成，实现现代化的生产制造，求得企业的总体效益，

使企业能够持续稳定的发展。随着计算机的普及应用，计算机集成制造已成为规模生产的主

要科技，企业从市场预测、产品设计、加工制造、经营管理直至售后服务是一个不可分割的

整体，需要统筹考虑，集成制造主要指:（1）人员集成。管理者、设计者、制造者、保障者（负

责质量、销售、采购、服务等的人员），以及用户应集成为•个协调整体。（2）信息集成。产

品生命周期中各类信息的获取、表示、处理和操作工具集成为一体，组成统一的管理控制系

统。特别是产品信息模型（PIM:ProductInformationModel）和产品数据管理（PDM:ProductData

Management）在系统中应得到•体化的处理。（3）功能集成。产品生命周期中企业各部门功能

集成，以及产品开发与外部协作企业间功能的集成。（4）技术集成。产品开发全过程中涉及

的多学科知识以及各种技术、方法的集成，形成集成的知识库和方法库，以利CIMS的实施。

2.3柔性制造FM

柔性制造系统（FMS）是由统一的控制系统（信息流）、物料（工件、刀具）和输送系统（物料

流）连接起来的一组加工设备，能在不停机的情况下实现多品种、小批量零件的加工，并具

有一定管理功能的自动化制造系统。柔性制造技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更

新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。数控技术的成

熟及单台数控设备的问世，使许多工业发达国家开始了柔性制造系统的研究。FMS包括许

多个柔性制造单元，它能根据制造任务和生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中

小批量的生产。着重突破了成批生产的经济效益一定大于单件生产的传统观念。FMS是在

自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，将以往企业中相互独立的工程设计、生产制造

及经营管理等过程，在计算机及软件的支撑下构成一个覆盖整个企业的完整而有机的系统，

以实现全局动态最优化，总体高效益、高柔性，并进而赢得竞争全胜的智能制造系统。

激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好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。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。例如激光加工为激光束具有单色性好、能量密度高、空间

控制性和时间控制性良好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。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、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"。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。

一、多支PCB激光微通道打孔技术

近年来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最新

的世界微通道打孔信息显示每年有超过300000万平方米的高密度多层印刷线路板是用激光

来打孔的。用于PCB微通道打孔的早期激光打孔设备是单头的UVYAG激光器或单头的C02

激光器随着微通道打孔产量的要求不断提高许多生产厂家开始研制双头激光打孔设备。目前

市场上主要的三种双头激光打孔设备:双头C02激光系统、双头UV激光系统、混合激光系

统(UV和C02)。

有两种比较经济实用的激光技术用于PCB板的微通道打孔；C02激光波长在远红外区

域打孔直径〉100微米。W激光波长在紫外区域广泛用打孔的直径〈100微米甚至孔径缩小

到〈50微米的情况。在紫外激光技术中半导体泵浦UV激光器已经成为工业用标准激光器

它可提高传输到工件表面的单脉冲能量。

二、激光焊接塑料

1.激光焊接塑料的优点随着塑料在汽车、医疗设备及电子等行业的零部件设计、制造上

日趋广泛的使用大功率光纤激光塑料焊接系统可完全满足塑料制品的加工过程中快速有效

干净的塑料的使用大功率光纤激光塑料焊接系统可完全满足塑料制品的加工过程中快速、有

效、干净的塑料焊接方式。

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。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。光纤激光焊接塑料技术主要有以下几方面的优

点：

(1)能生成精密、牢固和密封(不透气和不漏水)的焊接树脂降解少、产生的碎屑少。

(2)易于控制具有良好的适应性可焊接尺寸小或外形结构复杂的工件。

(3)极大地减小了制品的振动应力和热应力。

(4)能够将许多种类不同的材料焊接在一起。激光塑料焊接技术在欧美等发达国家已经

得到了一定的应用我国在这方面尚是空白。

2.塑料激光焊接用的焊接方法

激光焊接塑料的基本原理是两种塑料在低压力下被夹紧在起激光穿过一个制品然后

被另外一个制品吸收吸收激光能量的制品将光能转化为热能在塑料的接触面熔化形成一个

焊接区。

常用的焊接方法主要有：

a.激光束沿着焊缝处快速扫描达到焊接的目的。

b.通过光学元件将激光束整形同时在焊缝处产生热量。

c.照射掩膜焊接激光束仅加热制品上没有被掩膜遮住的部分可以快速焊接复杂的焊缝。

d.激光束固定塑料工件置于受程序控制的多维可移动的工作台上。

三、大功率光纤激光器在船舶制造业中的应用

1.激光加工技术在造船工业中应用的优势造船工业中激光加工主要优点：

(1)船舰载重量EI益坛加要求使用非常薄的平板激光焊接避免了加工时的热影响；

(2)激光可以采用光纤等灵活的输出方式因此甲板、船体等大表面尺寸的工件加工可以

不受工作台尺寸的影响。

(3)力日工非接触速度快边缘光滑高度自动化大大降低造船成本及时间。

2.国内外的发展现状

欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术。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。我国已开发出了中小功率系列工业光纤激光设备但大功率光纤激光器

工业加工应用尚是空白在我国造船工业中几乎还没有使用激光加工技术。

3.大功率光纤激光器在船舶制造业中的优势及展望

光纤激光器是近几年激光领域里极其关注的热点，在加工领域光纤激光器有迅速替代传

统的YAG、C02激光器的趋势。人们普遍认为大功率光纤激光器将是第三代最先进的工业

加工激光器。

光纤激光器具有许多独特的优点光束质量好:体积小重量轻免维护;风冷却简单易操件;

运行成本低可在工业环境卜使用；寿命长加工精度高、速度快；电能转化效率高可以实现智

能化、自动化、柔性化操作等。基于上述的优点其应用领域已经扩展到汽车制造、船舶制造

和航空制造业等的金属和非金属材料的激光切割、激光焊接等方面。

激光加工技术一直是国家重点支持和推动应用的•项高新技术，特别是政府强调要振兴制造

业，这就给激光加工技术应用带来发展机遇。在国家制定中长远期发展规划时，又将激光加

工列为关键支撑技术，因为它涉及国家安全、国防建设、高新技术的产业化和