激光加工技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀

劉曉婉

（長(zhǎng)春建筑學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130607）

激光加工技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀

劉曉婉

（長(zhǎng)春建筑學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130607）

激光加工技術(shù)已成為21世紀(jì)眾多領(lǐng)域不可或缺的重要技術(shù)之一。本文對(duì)激光加工技術(shù)的原理與特點(diǎn)做了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)分析了激光加工技術(shù)中幾種重要技術(shù)的最新研究進(jìn)展情況。

激光加工；激光技術(shù)；研究現(xiàn)狀

激光加工技術(shù)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)的一門學(xué)科，具有巨大的技術(shù)潛力。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已成為先進(jìn)制造技術(shù)中不可缺少的組成部分。它因具有單色相、平行性和相干性三大特征而特別適用于材料加工。所以被應(yīng)用于打孔、焊接、熱處理等眾多領(lǐng)域。

由于激光加工具有良好的時(shí)間、空間控制性，工件表面變形小，加工速度快，加工材料種類多等特點(diǎn)，非常適合自動(dòng)化加工。而被加工材料的形狀、尺寸、環(huán)境要求低。因此，激光加工技術(shù)為質(zhì)量好、效率高和成本低的加工技術(shù)開辟了廣闊空間。

1.激光加工技術(shù)的原理與特點(diǎn)

1.1激光加工技術(shù)的原理

激光加工是以激光為熱源對(duì)工件進(jìn)行熱加工。其主要原理是：將激光束照射到工件表面，以激光的超高能量來(lái)切除、熔化材料及改變物體表面性能。由于激光加工時(shí)工具與工件不直接接觸，不會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，所以激光加工具有極快的加工速度，較小的受熱影響的范圍，并且不會(huì)產(chǎn)生噪聲。

1.2激光加工技術(shù)的特點(diǎn)

與常規(guī)熱加工相比，采用激光對(duì)材料進(jìn)行加工，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）加工對(duì)象廣泛。激光可加工各種金屬和非金屬材料，特別用于加工高硬度、耐熱合金、以及陶瓷、寶石、石英、玻璃等硬而脆的非金屬材料。

（2）加工質(zhì)量好，精度高。由于激光能量密度高，加工的速度極快，工件變形小，可實(shí)現(xiàn)高速加工。加工效率遠(yuǎn)超其他方法。對(duì)于采用激光平衡技術(shù)的PC機(jī)硬盤高速轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子平衡精度可達(dá)微米或亞微米級(jí)。

（3）節(jié)省能源和材料消耗，熱變形小，可省略二次加工。經(jīng)濟(jì)效益高，同時(shí)激光加工設(shè)備操作維護(hù)成本低。

（4）激光加工公害小，可在極端環(huán)境下操作。

2.激光加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀

激光加工被譽(yù)為“未來(lái)制造系統(tǒng)的共同加工手段”，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前已成熟的激光加工技術(shù)有：激光快速成型技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光刻蝕技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光熱處理技術(shù)等。

2.1激光快速成型技術(shù)

激光快速成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一門高新技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、玩具制造等行業(yè)。

為促進(jìn)激光快速成型技術(shù)的發(fā)展，目前很多研究人員對(duì)該技術(shù)的理論進(jìn)行深入研究，同時(shí)提出了很多新的加工方法和應(yīng)用系統(tǒng)。

大連理工大學(xué)所在教研室提出了一種新型激光快速成型技術(shù)—輪廓失效快速成型法。該方法的成型材料是覆膜粉末，通過(guò)高能激光束的燒蝕形成制件的輪廓，并疊加成最終零件。結(jié)合該方法，他們優(yōu)化原有設(shè)備，提高該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。為節(jié)省激光快速成型設(shè)備的加工時(shí)間、提高系統(tǒng)分層效率，多線程技術(shù)、改進(jìn)的自適應(yīng)算法、激光快速成型機(jī)的數(shù)控代碼等被應(yīng)用于激光快速成型加工中。

通過(guò)建立焦點(diǎn)坐標(biāo)與振鏡轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系，河南科技大學(xué)的研究人員有效地提高了選擇性激光燒結(jié)快速成型設(shè)備定位系統(tǒng)的精度。江漢大學(xué)研究人員針對(duì)一維梯度材料零件和不同材料零件的激光快速成型的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行研究，同時(shí)其他人員對(duì)影響不同快速成型質(zhì)量的因素進(jìn)行分析，為該方法拓寬了發(fā)展空間。

2.2激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)由于其焊接速度快、與工件無(wú)機(jī)械接觸、可焊接磁性材料等優(yōu)點(diǎn)，在電子、國(guó)防、儀表、電池等工業(yè)領(lǐng)域，醫(yī)療儀器以及許多行業(yè)中均得到了廣泛應(yīng)用。

目前，研究人員對(duì)激光焊接技術(shù)的研究主要集中在關(guān)鍵技術(shù)研究、提高可加工材料利用率和拓寬應(yīng)用領(lǐng)域等方面。

為有效提高激光焊接技術(shù)在熱塑性塑料的效率，中科院寧波材料技術(shù)與研究所的研究人員從理論入手，利用ANSYS對(duì)焊縫有關(guān)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。理論上找出焊接參數(shù)對(duì)焊縫規(guī)律的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)求出最佳工藝參數(shù)，為提高該技術(shù)的有效性提供了質(zhì)的借鑒的思路。

大功率盤形激光焊接是當(dāng)前先進(jìn)的激光焊接技術(shù)之一。廣東工業(yè)大學(xué)研究人員以304不銹鋼為研究對(duì)象，對(duì)金屬蒸汽和飛濺圖像進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明上述兩項(xiàng)指標(biāo)的特征參數(shù)很好地反映大功率盤形焊接的過(guò)程，為該方法關(guān)鍵技術(shù)的提升、焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。同時(shí)他們以熔寬作為衡量焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，以支持向量對(duì)兩個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行分類，進(jìn)一步提高判別焊接類型的準(zhǔn)確性。針對(duì)具體不同焊接材料，研究人員也進(jìn)行了不同類關(guān)鍵技術(shù)的研究，如薄板材料、鋁合金材料等等。

同時(shí)，激光焊接新技術(shù)在大到汽車行業(yè)、農(nóng)機(jī)行業(yè)，小到電嘴導(dǎo)線修理、鈉硫電池等都有廣泛應(yīng)用。

2.3激光切割技術(shù)

自1967年該技術(shù)實(shí)現(xiàn)以來(lái)，激光切割技術(shù)以其切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、加工柔性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)，研究人員將激光切割技術(shù)應(yīng)用在改變電阻片阻值、調(diào)節(jié)傳感器感應(yīng)距離、與拉布機(jī)結(jié)合，完成自動(dòng)拉布、切割、送料功能，實(shí)現(xiàn)水下激光切割、數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)等方面都取得了一定成果。同時(shí)，研究人員還研究了激光切割工藝參數(shù)對(duì)粗糙性、切縫寬度等切割質(zhì)量的影響，為該技術(shù)的發(fā)展提供了保證。

目前該技術(shù)在農(nóng)機(jī)制造業(yè)、造船業(yè)、加工業(yè)等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，同時(shí)，在沖壓行業(yè)未來(lái)可能會(huì)替代部分修邊沖孔模具等，有利于降低整車開發(fā)成本，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.4激光打孔技術(shù)

激光打孔技術(shù)具有高精度、通用性強(qiáng)、效率高、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)之一。

為實(shí)現(xiàn)激光打孔機(jī)高質(zhì)、高效、高精度的打孔要求，武漢理工大學(xué)研究人員對(duì)某種型號(hào)激光打孔機(jī)床橫梁進(jìn)行分析，討論了溫度對(duì)打孔精度的影響，為該類機(jī)床的橫梁設(shè)計(jì)提供了一定的有效參考。為選取更有利于激光打微孔的工藝參數(shù)，長(zhǎng)春理工大學(xué)研究者利用有限元分析了激光打微孔過(guò)程中溫度場(chǎng)變化的情況，得出有關(guān)參數(shù)，并通過(guò)因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)法和無(wú)互作用的正交性試驗(yàn)法驗(yàn)證了所選參數(shù)的有效性。同時(shí)，有研究人員對(duì)激光束的脈沖寬度、空間分布等因素對(duì)打孔質(zhì)量的影響也做了分析，為提高該技術(shù)的工藝性能提供了參考。

近年來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也已拓寬到煙草行業(yè)、航空航天、消費(fèi)品包裝行業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

結(jié)語(yǔ)

激光加工技術(shù)已成為21世紀(jì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事、航空、航天等眾多領(lǐng)域不可或缺的重要技術(shù)之一。因此，研究人員們需要在技術(shù)上獲得優(yōu)先，在產(chǎn)品上注重產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)的研究，不斷提升激光加工技術(shù)的世界競(jìng)爭(zhēng)力，不斷創(chuàng)新，讓激光加工技術(shù)得到不斷地進(jìn)步和發(fā)展。

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