激光加工在現(xiàn)代產(chǎn)品中的應(yīng)用

1、激光加工在現(xiàn)代產(chǎn)品中的應(yīng)用一、激光加工的原理及其特點(diǎn)1.1激光加工的起源早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀(jì)70年代，隨著大功率二氧化碳激光器、高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對(duì)激光加工機(jī)理和工藝的深入研究，激光加工技術(shù)有了很大進(jìn)展，使用范圍隨之?dāng)U大。數(shù)千瓦的激光加工機(jī)已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設(shè)備競(jìng)相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了激光加工機(jī)的自動(dòng)化水平和使用功能。1.2激光加工的原理激光加工是將高能量密度的激光束照射到工件的表面，導(dǎo)致光斑處的材料瞬間熔化、汽化、膨脹，使熔融

2、物爆炸式地噴射出來(lái)，高速噴射產(chǎn)生的反沖壓力又在工件內(nèi)部形成一個(gè)方向性很強(qiáng)的沖擊波。通常用于加工的激光器主要是固體激光器（圖1）和氣體激光器（圖2）。由于激光加工是無(wú)接觸式加工，工具不會(huì)與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對(duì)象受熱影響的范圍較小而且不會(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。1.3激光加工的特點(diǎn)激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢(shì)：1） 能量密度高，應(yīng)用廣泛。激光加工幾乎能加工所有的材料，如各種金屬材料、陶瓷、石英、金剛石等，反射率或透射率高的工件進(jìn)行打毛或色化處理后，仍可加工。2） 加攻速快，效

3、率高，可控性好，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。3） 能透過(guò)空氣、惰性氣體或透明物體對(duì)工件進(jìn)行加工。因此，可通過(guò)由玻璃等制成的窗口對(duì)被封閉零件進(jìn)行加工，在真空環(huán)境下也可以加工。4） 激光光斑大小可以聚焦到微米級(jí)，輸出功率可調(diào)節(jié)，因此可用于精密微細(xì)加工。5） 激光加工過(guò)程中無(wú)“刀具”磨損，無(wú)“切削力”作用于工件。6） 由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。7） 使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。例如：1美國(guó)通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的異形槽，不到4H即可高質(zhì)量完成，而原來(lái)采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項(xiàng)

4、，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)可省5萬(wàn)美元。2激光切割鋼件工效可提高8-20倍，材料可節(jié)省15-30%，大幅度降低了生產(chǎn)成本，并且加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。2、 激光加工技術(shù)的應(yīng)用由于激光加工技術(shù)具有許多其他加工技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用較廣。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光熱處理、表面處理技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光快速成形技術(shù)、激光存儲(chǔ)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光劃線技術(shù)等。2.1激光打孔技術(shù)激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù),也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,使用硬度大、熔點(diǎn)高的材料越來(lái)越多,而傳統(tǒng)的加工方法已不能滿

5、足某些工藝要求。激光打孔采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔,脈沖寬度為0.11毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.0051毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等工件的加工。激光束在空間和時(shí)間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級(jí)從而獲得105-1015W/cm2的激光功率密度。由于激光打孔是利用功率密度為l07-109W/cm2的高能激光束對(duì)材料進(jìn)行瞬時(shí)作用,作用時(shí)間只有103-105s,因此激光打孔速度非?？臁⒏咝芗す馄髋c高精度的機(jī)床及控制系統(tǒng)配合,通過(guò)微處理機(jī)進(jìn)行程控,可以實(shí)現(xiàn)高效率打孔。在不同的工件上激光打孔與電火花打孔及機(jī)械鉆孔相比,效率

6、提高l0-1000倍。2.2激光切割技術(shù)激光切割是用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成一定形狀的切縫。從二十世紀(jì)七十年代以來(lái)隨著CO2激光器及數(shù)控技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，目前已成為工業(yè)上板材切割的一種先進(jìn)的加工方法。在五、六十年代作為板材下料切割的主要方法中：對(duì)于中厚板采用氧乙炔火焰切割；對(duì)于薄板采用剪床下料，成形復(fù)雜零件大批量的采用沖壓，單件的采用振動(dòng)剪。七十年代后，為了改善和提高火焰切割的切口質(zhì)量，又推廣了氧乙烷精密火焰切割和等離子切割。為了減少大型沖壓模具的制造周期，又發(fā)展了數(shù)控步?jīng)_與電

7、加工技術(shù)。各種切割下料方法都有其有缺點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。 2.3激光焊接技術(shù)激光焊接強(qiáng)度高、熱變形小、密封性好，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊，以及熔點(diǎn)很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心臟起搏器，其密封性好、壽命長(zhǎng)，而且體積小。激光熱處理 用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)和控制照射時(shí)間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小,可處理形狀復(fù)雜的零件和部件,可對(duì)盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長(zhǎng)壽命；用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。2.4激光熱、表處理

8、技術(shù)(激光相變硬化、激光淬火）激光熱處理是利用高功率密度的激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對(duì)金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化（或稱為表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、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(zhǎng)其使用壽命。激光熱處理技術(shù)與其他熱處理如高頻淬火,滲碳,滲氮等傳統(tǒng)工藝相比,具有以下特點(diǎn):1.無(wú)需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu).處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.1-

9、0.8mm。2處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高.激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結(jié)合,而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性3. 被處理件變形極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時(shí)間很短（10-2-10秒），故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。4. 加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。2.5激光微調(diào)技術(shù)激光微調(diào)技術(shù)可對(duì)指定電阻進(jìn)行自動(dòng)精密微調(diào)，精度可達(dá)0.01%一0.002%，比傳統(tǒng)方法的精度和效率高，成本低。激光微調(diào)包括薄膜

10、電阻(0.010.6微米厚)與厚膜電阻(2050微米厚)的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)。集成電路、傳感器中的電阻是一層電阻薄膜，制造誤差達(dá)上15一20%，只有對(duì)之進(jìn)行修正，才能提高那些高精度器件的成品率。激光可聚焦成很小的光斑，能量集中，加工時(shí)對(duì)鄰近的元件熱影響極小，不產(chǎn)生污染，又易于用電腦控制，因此可以滿足快速微調(diào)電阻使之達(dá)到精確的預(yù)定值的目的。加工時(shí)將激光束聚焦在電阻薄膜上，將物質(zhì)汽化。微調(diào)時(shí)首先對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量，把數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的修調(diào)方法指令光束定位器使激光按一定路徑切割電阻，直至阻值達(dá)到設(shè)定值，同樣可以用激光技術(shù)進(jìn)行片狀電容的電容量修正及混合集成電路的微調(diào)

11、。優(yōu)越的定位精度，使激光微調(diào)系統(tǒng)在小型化精密線形組合信號(hào)器件方面提高了產(chǎn)量和電路功能。2.6激光快速成形技術(shù)激光快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，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，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。2.7激光存儲(chǔ)技術(shù)激光存儲(chǔ)是利用材料的某種性質(zhì)對(duì)光敏感。帶有信息的光照射材料時(shí)，該性質(zhì)發(fā)生改變，且能夠在材料中記錄這種改變，這就實(shí)現(xiàn)了光信息的存儲(chǔ)。用激光對(duì)存儲(chǔ)材料讀取信息時(shí)，讀出光的性質(zhì)隨存儲(chǔ)材料性質(zhì)的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)已存儲(chǔ)光信息

12、的讀取。 現(xiàn)有的光存儲(chǔ)技術(shù)與傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)技術(shù)相比有如下特點(diǎn)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度高、容量大，壽命長(zhǎng)，非接觸式讀/寫(xiě)和擦，信息位價(jià)格低此外，光存儲(chǔ)還有并行程度高，抗電磁干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2.8激光去重平衡技術(shù)激光去重平衡技術(shù)是用激光去掉高速旋轉(zhuǎn)部件上不平衡的過(guò)重部分，使慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達(dá)到動(dòng)平衡的過(guò)程。激光去重平衡技術(shù)具有測(cè)量和去重兩大功能，可同時(shí)進(jìn)行不平衡的測(cè)量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于高精度轉(zhuǎn)子，激光動(dòng)平衡可成倍提高平衡精度，其質(zhì)量偏心值的平衡精度可達(dá)1%或千分之幾微米。2.9激光劃線技術(shù)利用半導(dǎo)體泵浦激光器作為光源，經(jīng)過(guò)一組透鏡組合整合后能夠發(fā)射出高準(zhǔn)直度的點(diǎn)

13、狀光源，在經(jīng)過(guò)特制棱鏡打散后能夠形成一條亮度均勻的光線。由于采用特殊設(shè)計(jì)的棱鏡擴(kuò)散光線，有效避免了采用普通柱鏡擴(kuò)散光線后產(chǎn)生光線兩端光強(qiáng)弱中間光強(qiáng)的缺點(diǎn)，我們（北京貝諾）設(shè)計(jì)的棱鏡在擴(kuò)散光線后能夠使光線兩端和中間的亮度相同（肉眼分辨），經(jīng)功率測(cè)試結(jié)果分析得出兩端光強(qiáng)和中間光強(qiáng)誤差在3%以內(nèi)，肉眼無(wú)法分辨出亮度差。能夠在使用距離40米的位置清晰分辨出光線，有效的解決了人工劃線的工作強(qiáng)度。2.10激光蝕刻技術(shù)激光蝕刻技術(shù)比傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、可大幅度降低生產(chǎn)成本，可加工0.1251微米寬的線，非常適合于超大規(guī)模集成電路的制造。用激光可對(duì)流水線上的工件刻字或打標(biāo)記，并不影響流水線的速度，刻劃

14、出的字符可永久保持。2.11激光強(qiáng)化處理技術(shù)激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個(gè)過(guò)程，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時(shí)可用于金屬材料的表面相變強(qiáng)化，當(dāng)激光束能連密度處于高端時(shí)，工件表面光斑出相當(dāng)與一個(gè)移動(dòng)的坩堝，可完成一系列的 冶金過(guò)程，包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù)，將給制造業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而在刀具材料改性中主要應(yīng)用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時(shí)迅速凝固，產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。2.

15、12空間激光通信空間激光通信是指用激光束作為信息載體進(jìn)行空間，包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間通信。 激光空間通信與微波空間通信相比，波長(zhǎng)比微波波長(zhǎng)明顯短，具有高度的相干性和空間定向性，這決定了空間激光通信具有通信容量大、重量輕、功耗和體積小、保密性高、建造和維護(hù)經(jīng)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。1、 大通信容量：激光的頻率比微波高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)(其相應(yīng)光頻率在1013-1017 Hz)?作為通信的載波有更大的利用頻帶。光纖通信技術(shù)可以移植到空間通信中來(lái)，目前光纖通信每束波束光波的數(shù)據(jù)率可達(dá)20Gbs以上，并且可采用波分復(fù)用技術(shù)使通信容量上升幾十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的

16、優(yōu)勢(shì)。2、 低功耗：激光的發(fā)散角很小，能量高度集中，落在接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡天線上的功率密度高，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可大大降低，功耗相對(duì)較低。這對(duì)應(yīng)于能源成本高昂的空間通信來(lái)說(shuō)，是十分適用的。3、 體積小、重量輕：由于空間激光通信的能量利用率高，使得發(fā)射機(jī)及其供電系統(tǒng)的重量減輕；由于激光的波長(zhǎng)短，在同樣的發(fā)散角和接收視場(chǎng)角要求下，發(fā)射和接收望遠(yuǎn)鏡的口徑都可以減小。擺脫了微波系統(tǒng)巨大的碟形天線，重量減輕，體積減小。4、 高度的保密性?激光具有高度的定向性，發(fā)射波束纖細(xì)，激光的發(fā)散角通常在毫弧度，這使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干擾、防竊聽(tīng)的能力。5、 激光空間通信具有較低的建造經(jīng)費(fèi)和維護(hù)經(jīng)費(fèi)。2

17、.13激光核聚變由于激光核聚變與氫彈的爆炸在許多方面非常 相似，所以，20世紀(jì)60年代，當(dāng)激光器問(wèn)世以后，科學(xué)家就開(kāi)始致力于利用高功率激光使聚變?nèi)剂习l(fā)生聚變反應(yīng)，來(lái)研究核武器的某些重要物理問(wèn)題。 激光核聚變的裝置激光核聚變主要有3種用途：一是可為人類找到一種用不完的清潔能源，二是可以研制真正的“干凈”核武器，三是可以部分代替核試驗(yàn)。因此，激光核聚變?cè)诿裼煤蛙娛律隙季哂惺种卮蟮囊饬x。2.13激光顯示技術(shù)激光顯示是以紅、綠、藍(lán)(RGB)三基色激光為光源的顯示技術(shù)，可以最真實(shí)地再現(xiàn)客觀世界豐富、艷麗的色彩，提供更具震撼的表現(xiàn)力。與自然光色域相比較，傳統(tǒng)顯示設(shè)備只能再現(xiàn)人眼所見(jiàn)顏色的30%而目前正在開(kāi)發(fā)中的激光顯示方式可覆蓋90%，這一巨大的潛力讓我們對(duì)激光顯示技術(shù)的未來(lái)充滿期待，因此激光顯示被稱為“人類視覺(jué)史上的革命”。 2.14激光熔凝技術(shù)激光熔凝是用適當(dāng)?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.表面熔化時(shí)一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。2.在激光熔凝過(guò)程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時(shí)急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。3.其熔層薄、熱作用區(qū)小，對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。4.提高溶