激光加工的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

姚蔡翔

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，中國 上海201210)

0 前言

激光是最重大的發(fā)明之一，具有巨大的技術(shù)潛力。它具有強(qiáng)度高、方向性好、單色性好的特點(diǎn)，因此特別適合進(jìn)行材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，國外已開發(fā)出20 多種激光加工技術(shù)。從早期功率小、多用于打小孔和微型焊接到現(xiàn)在的大功率二氧化碳激光器和高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器， 激光加工技術(shù)有了很大進(jìn)展。激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好， 能夠自由地對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境進(jìn)行控制，特別適用于自動(dòng)化加工。 激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。

1 激光加工的原理

1.1 激光的特性

激光是一種光，它具有一般光的共性（折射、反射、干涉等）。 由于激光發(fā)射是受激輻射為主，因而發(fā)光物質(zhì)中基本上是有組織地、相互關(guān)聯(lián)地產(chǎn)生光發(fā)射的，發(fā)出的光波具有相同的頻率、方向、偏振態(tài)和嚴(yán)格的位相關(guān)系，所以激光擁有強(qiáng)度高、單向性好、相干性好和方向性好這些特性[1]。

1.2 激光加工的原理

由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的小斑點(diǎn)上，再加上其強(qiáng)度高，因此其加工的功率密度可達(dá)到108～1010W/cm2，溫度可達(dá)1 萬攝氏度以上。 在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時(shí)急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時(shí)產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的沖擊。 因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。

1.3 激光加工的設(shè)備及加工流程

激光加工的基本設(shè)備包括激光器、電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)等四大部分。目前常用的激光器按激活介質(zhì)的種類可以分為固體激光器和氣體激光器，如圖1、圖2 所示。

激光加工過程大體上可分為如下幾個(gè)階段：

1）將激光束照射工件（在照射過程中，光的輻射能部分被反射，部分被吸收，部分因熱傳導(dǎo)而損失）；

2）工件材料吸收光能；

3）光能轉(zhuǎn)變成熱能使工件材料無損加熱（激光射到工件材料的深度很小，所以在焦點(diǎn)的中央，工件的表面溫度迅速升高）；

4）工件材料發(fā)生熔化、蒸發(fā)、汽化并濺出，從而從工件上去除或破壞掉；

5）作用結(jié)束以及加工區(qū)冷凝。

1.4 激光加工的特點(diǎn)

1）激光加工的光斑大小可以聚焦到很小，甚至微米級，而且輸出功率可進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此適用于進(jìn)行精密精細(xì)加工；

2）激光加工為非接觸加工，無機(jī)械力作用于工件上，所以對工件不會(huì)產(chǎn)生損傷，也不會(huì)產(chǎn)生工具的損耗問題；

3）激光加工的速度快，熱影響區(qū)小，容易實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化；

4）激光加工設(shè)備裝置簡單；

5）激光加工可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行加工。

2 激光加工的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于激光加工有其它加工工藝無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此它被廣泛應(yīng)用于很多行業(yè)進(jìn)行材料加工、零件制造等，例如激光快速成形技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、激光近形(LENS)制造技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)等。

2.1 激光快速成形技術(shù)

激光快速成形技術(shù)是根據(jù)零件的CAD 模型，，用激光束將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復(fù)雜的零件，如圖3 所示。 該技術(shù)已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。美國、日本、德國已相繼開發(fā)出多種快速成型技術(shù)，如液體光敏樹脂固化、熔融沉積成型、實(shí)體疊層制造、分層固化、選擇性激光燒結(jié)、3D 噴射印刷等技術(shù)[2]。

圖1 固體激光器加工原理圖

圖2 氣體激光器加工原理圖

圖3 光敏樹脂激光快速成形

2.2 激光切割技術(shù)

激光切割技術(shù)是采用重復(fù)頻率較高的脈沖激光器或連續(xù)輸出的激光器，將材料置于激光熱源的照射下，引起照射點(diǎn)材料溫度急劇上升從而熔化、汽化被切材料。通過工件與激光束的相對移動(dòng)，同時(shí)用平行光軸的強(qiáng)氣流吹走熔化或汽化了的材料，形成光滑的切縫，如圖4所示。 它既可以切割金屬，也可以切割非金屬；既可以切割無機(jī)物，也可以切割有機(jī)物。

圖4 激光切割

2.3 激光打孔技術(shù)

激光打孔技術(shù)與激光切割技術(shù)基本原理相同，都是使材料在激光熱源照射下產(chǎn)生一系列熱物理現(xiàn)象。利用激光幾乎可以在任何材料上打出微小的孔，如圖5 所示。目前，激光打孔技術(shù)已應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴加工、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔等方面。 在國外，激光精密打孔已經(jīng)達(dá)到很高的水平。 瑞士某公司利用固體激光器給飛機(jī)渦輪葉片進(jìn)行打孔， 可以加工直徑從20μm 到80μm 的微孔，并且其直徑與深度之比可達(dá)1：80。 激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等[3]。

圖5 激光打孔

2.4 激光焊接技術(shù)

激光焊接是將聚焦后的高強(qiáng)度激光直接輻射至材料表面，材料吸收的光能通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，使工件達(dá)到一定的熔池深度實(shí)現(xiàn)焊接，如圖6 所示。 激光焊接主要優(yōu)點(diǎn)是能焊接多種金屬，焊接部位狹小，深腔焊接不變形，焊池周邊無凹陷現(xiàn)象，能補(bǔ)焊極硬鋼板材料，焊接不擊穿薄板材料， 焊接工藝高超， 焊縫整齊美觀。 國外利用固體YAG 激光器進(jìn)行縫焊和點(diǎn)焊，已有很高的水平。 在激光焊接方面，世界領(lǐng)先的國家有德國、瑞士、美國和日本[4]。目前，高強(qiáng)鋁合金激光焊接成果已經(jīng)成功應(yīng)用于空客飛機(jī)制造中。

圖6 激光焊接樣品

2.5 激光打標(biāo)技術(shù)

激光打標(biāo)是在機(jī)械設(shè)備或產(chǎn)品上用激光器打上特殊標(biāo)記和符號，如圖7 所示。 該技術(shù)在激光技術(shù)應(yīng)用中占據(jù)最重要位置之一。 其應(yīng)用非常廣泛[5]，目前已應(yīng)用于電子工業(yè)、汽車工業(yè)、工具量具、航空航天、儀器儀表、包裝工業(yè)、醫(yī)療產(chǎn)品、家用電器、鍵盤、面板、廣告標(biāo)牌、證件卡片、日常用品和珠寶鉆石等領(lǐng)域。標(biāo)記的材料是各類金屬和非金屬，如不銹鋼、鋁合金、有機(jī)玻璃、塑料、陶瓷、合成材料、木材、橡膠、皮革制品、紙制品、印刷電路板、多種電子電器元件、香煙、鈕扣、雷管、金屬零件以及食品包裝、藥品包裝等。

圖7 激光打標(biāo)

2.6 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)是一種重要的材料表面改性技術(shù)，亦被稱為激光鍍覆或激光表面硬化。它是以高能密度的激光為熱源在基材表面熔覆一層熔覆材料，使之與基材實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的表面改性方法。 主要應(yīng)用[6]諸如模具和汽輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等的修復(fù)，如圖8 所示。

圖8 激光熔覆技術(shù)

2.7 激光近形(LENS)制造技術(shù)

激光近形制造是基于局域送粉的金屬零件快速制造方法，它是在激光涂覆技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 在航空領(lǐng)域，它可用于鈦合金結(jié)構(gòu)件的直接制造和制作大型帶加強(qiáng)筋的整體薄壁結(jié)構(gòu)零件[7]，還可用于大型金屬零件的修復(fù)，如汽輪機(jī)葉片的修復(fù)等，如圖9 所示。 目前，該技術(shù)已經(jīng)成為美國航空航天國防武器裝備大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的核心制造新技術(shù)之一。

圖9 LENS 技術(shù)修復(fù)的葉片

2.8 激光劃線技術(shù)

激光劃線技術(shù)是生產(chǎn)集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，其劃線細(xì)、精度高、加工速度快、成品率高。 例如[8]，它能開出狹窄的切口，幾乎沒有殘?jiān)瑹嵊绊憛^(qū)小，噪聲小，并可以節(jié)省15%～30%的材料。

2.9 激光熱處理和表面處理技術(shù)

激光熱處理和表面處理技術(shù)是利用高功率密度的激光束對金屬進(jìn)行表面處理的方法，如圖10 所示。 它可以對金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化、表面合金化等表面改性處理， 產(chǎn)生用其大表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。 經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到HRC60 度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)HRC70 度以上，從而提高起抗磨性，抗疲勞，耐腐蝕，抗氧化等性能，延長其使用壽命。

圖10 激光熱、表處理技術(shù)

2.10 激光雷達(dá)技術(shù)

激光雷達(dá)用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術(shù)手段的主動(dòng)遙感設(shè)備。 它由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成，是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測方式。 它具有高角分辨率、高速度分辨率、高距離分辨率、強(qiáng)抗干擾能力和良好的隱蔽性等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域，尤其是在軍事領(lǐng)域、大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[9]。

2.11 激光全息照相技術(shù)

激光全息照相技術(shù)是利用激光的相干性原理，將物體對光的振幅和位相反射（或透射）情況同時(shí)記錄在感光板上，形成三維空間的立體圖像。 其工作原理如圖11 所示[10]。

激光全息照相技術(shù)能夠?qū)⑽矬w表面發(fā)出的全部信息記錄下來，并能完全再現(xiàn)被攝物體光波的全部信息，因此，該技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。

圖11

3 激光加工技術(shù)的展望

隨著資源儲量的日益減少，本著可持續(xù)發(fā)展的思想，激光加工技術(shù)作為新時(shí)代的新型加工工藝，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、自動(dòng)化生產(chǎn)、“綠色制造”、減少材料損耗等方面起著越來越重要的作用[11]。 同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光加工技術(shù)也得到了其它高新技術(shù)的有力支撐。 激光產(chǎn)品必然有著非常廣闊的前景[12]。

目前我國的激光加工技術(shù)與國外仍存在著一定的差距，尤其體現(xiàn)在激光加工系統(tǒng)的核心部件品種少、技術(shù)落后、可靠性差，對加工技術(shù)的研究少，對精細(xì)加工技術(shù)的研究更為薄弱，對紫外波激光進(jìn)行加工的研究進(jìn)行的極少，激光加工設(shè)備的可靠性、安全性、可維修性、配套性較差，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。 而且許多有市場前景的成果停留在實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)階段。因此我們在保持對現(xiàn)有技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求，積極探索、開發(fā)更多具有實(shí)用價(jià)值的激光加工技術(shù)，將研發(fā)中的激光技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)用的加工技術(shù)，拓寬激光加工的領(lǐng)域，在電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行激光技術(shù)的改造，為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器。如此，必能推動(dòng)我國電子、機(jī)械制造業(yè)等的水平邁上一個(gè)新的臺階。

4 結(jié)論

激光加工技術(shù)是對傳統(tǒng)加工技術(shù)的一次革命，是國家生產(chǎn)力的進(jìn)步。 它對傳統(tǒng)加工技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用。 只要我們將已經(jīng)成熟的激光技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，加快技術(shù)改進(jìn)，提高光束質(zhì)量與加工精度，結(jié)合材料的加工工藝研究，盡可能地占領(lǐng)激光精密加工市場， 就可以推動(dòng)激光加工技術(shù)的迅速發(fā)展，并最終會(huì)使激光加工形成較大的規(guī)模產(chǎn)業(yè)。

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