激光加工技术论文

激光加工技术摘要：作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一， 激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。本文论述了激光加工技术在 国内外发展趋势，以及它的加工原理、特点及其应用。关键词：激光技术特点应用一、前言激光技术是 20 世纪 60 年代初发展起来的一门新兴科学，在材料加工方面，已逐步形成 一种崭新的加工方法 激光加工（Lasser Beam Machining简称LBM）。由于激光加工不 需要加工工具、而且加工速度快、表面变形小，可以加工各种材料，已经在生产实践中愈来 愈多地显示了它的优越性，所以很受人们重视。激光技术在我国经过 30 多年的发展，取得了上千项科技成果，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，将改 变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功 能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达 90以上。二、激光技术在国内外发展现状激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要 是kW级到10kW级C02激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、 焊接、打孔、刻划和热处理等。据19971998年的最新激光市场评述和预测，1997 年全世界总激光器市场销售额达 32.2亿美元，比1996年增长14 %，其中材料加工 为8.29亿美元，医疗应用3亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增 长19 %，可达到38.2亿美元。其中占第一位的材料加工预计超过 10亿美元，医用 激光器是国外第二大应用。我国科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机 阶段；激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差。国外不仅二 级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中，而且二级管激光器也被应用，而我国二 极管泵浦的全固态激光器还处在刚开始研究开发阶段。对加工技术的研究少，尤其对 精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。激光加工 设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。而欧美 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。针对存在的问题，''十五的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年 产值20 %的平均增长率，实现年产值 200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广 加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术 进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提 供崭新的激光设备和仪器。主要研究内容（1）激光加工用大功率C02和固体激光器及准分子激光器的引进机型研究，提 高国产机水平；同时开发和研制专用配套的激光加工机床，提高激光器产品在生产线 上稳定运行的周期，力争在国内建立较全面的加工用激光器的生产基地。（2）建立激光加工设备参数的检测手段，并进行方法研究。（3）激光切割技术研究。（4）激 光焊接技术研究。（5）激光表面处理技术研究。（6）激光加工光束质量及加工外围 装置研究。（7）择优支持23个国家级加工技术研究中心，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。三、激光加工的原理和特点1 激光特性 激光也是一种光，它具有一般光的共性（如光的反射、折射、绕射以及光的干涉 等），也有它的特性。普通光源的发光是以自发辐射为主，基本上是无次序地、相互 独立地产生光发射的，发出的光波无论方向、位相或者偏振状态都是不同的。而激光 则不同，它的光发射是以受激辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、相互关 联地产生光发射的，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振状态和严格的位相关系。正式这个质的区别才导致激光具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好。2加工原理和特点1）聚集后，光能转化为热能，几乎可以熔化、气化任何材料。例如耐热合金、陶瓷、石英、金刚石等硬脆材料都能加工。2）激光光斑大小可以聚集到微米级，输出功率可以调节，因此可用以精密微细 加工。3）加工所用工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有工具 损耗问题。加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化。还能通过透明体进行 加工，如对真空管内部进行焊接加工等。4）和电子束加工等比较起来，激光加工装置比较简单，不要求复杂的抽真空装置。5）激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多，因此，精微加工 时，精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验，寻找合理的参数， 才能达到一定的加工要求。由于光的反射作用，对于表面光泽或透明材料的加工，必须预先 进行色化或打毛处理，使更多的光能被吸收后转化为热能用于加工。6）加工中产生的金属气体及火星等飞溅物，要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜。四、激光技术的应用 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料 （包括金属与非金属）进行切 割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大 的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合 技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工 艺。激光焊接：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。目前使用的激光器有YAG激光器，C02激光器和 半导体泵浦激光器。 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、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、 1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2 激光器。激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激 光器、 CO2 激光器和半导体泵浦激光器。激光打孔：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lOOOw。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。目前使用 的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半 导体泵浦激光器。激光热处理：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。我国的激光热处理应用 远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用 于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG 激光器、 CO2 激光器为主。五、结束语2l 世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通 信，并将引发一场照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体（LED）将主导市场，此 外将推出品种繁多的光电子消费类产品（如 VCD、D VD、数码相机、新型彩电、掌上电脑 电子产品、智能手机、手持音响播放设备、摄影、投影和成像、办公自动化光电设备如激光 打印、传真和复印等）以及新型的信息显示技术产品（如CRT、LCD及PDP、FED、OEL平 板显示器等 ）并进入人们的日常生活中。激光产品已成为现代武器的"眼睛"和"神经"，光电 子军事装备将改变 2l 世纪战争的格局。参考文献1 刘晋春，赵家齐，赵万生主编. 特种加工. 北京：机械工业出版社，20002 朱企业等编. 激光精密加工. 北京：机械工业出版社，19953 张永康主编. 激光加工技术. 北京：化学工业出版社，20044 曹凤国主编. 激光加工技术. 北京：北京科学技术出版社 20075 张建华 主编. 精密与特种加工. 北京：机械工业出版社，2006