激光加工技术的应用和发展趋势

激光加工是20世纪60年代发展起来的新技术，它是利用光能经过透镜聚焦后达到很高的能量密度，依靠光热效应来加工各种材料。近年来，激光加工被越来越多地用于打孔、切割、焊接、表面处理等加工工艺。

1.激光的特性

激光是一种光，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。激光是由处于激发状态的原子、离子或分子受激辐射而发出的得到加强的光，与普通光比较，激光具有以下几个基本特性。

1）亮度强度高。红宝石脉冲激光器的亮度比高压脉冲氙灯高370亿倍，比太阳表面的亮度也要高200多亿倍。

2）单色性好。激光是一种波长范围（谱线宽度）非常小的光。

3）相干性好。激光源先后发出的两束光波，在空间产生干涉现象的时间或所经过的路程（相干长度）很长。某些单色性很好的激光器所发出的光，其相干长度可达几十千米。而单色性很好的氪灯所发出的光，相干长度仅为78 cm。

4）方向性好。激光束的发射角小，几乎是一束平行光。

2.激光加工的工作原理

激光加工是工件在光热效应下产生的高温熔融和冲击波的综合作用过程。

如图2-121所示，激光加工的基本设备包括电源、激光器、光学系统及机械系统等四部分。电源系统包括电压控制、储能电容组、时间控制及触发器等，它为激光器提供所需的能量。产生激光束的器件称为激光器，激光器是激光加工的主要设备，它把电能转变成光能，产生所需要的激光束。激光加工目前广泛采用的是二氧化碳气体激光器及红宝石、钕玻璃、YAG（掺钕钇铝石榴石）等固体激光器。光学系统将光束聚焦并观察和调整焦点位置，包括显微镜瞄准、激光束聚焦及加工位置在投影仪上显示等。机械系统主要包括床身、能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。加工时，激光器产生激光束，通过光学系统把激光束聚焦成一个极小的光斑（直径仅有几微米到几十微米），获得108～1010 W/cm2能量密度以及10 000℃以上的高温，从而能在千分之几秒甚至更短的时间内使材料熔化和汽化，以蚀除被加工表面，通过工作台与激光束间的相对运动来完成对工件的加工。

图2-121　激光加工的工作原理示意图

1—激光器；2—光阑；3—反射镜；4—聚焦镜；5—工件；6—工作台；7—电源

3.激光加工的特点

1）激光加工属于非接触加工，加工速度快，热影响区小，没有明显的机械力，可加工易变形的薄板及弹性零件等。

2）由于激光的功率密度高，几乎能加工所有的材料，如各种金属材料，以及陶瓷、石英、玻璃、金刚石及半导体等。如果是透明材料，需采取一些色化和打毛措施方可加工。

3）由于激光光点的直径可达1μm以下，能进行非常微细的加工，如加工深而小的微孔和窄缝（直径可小至几微米，深度与直径之比可达50～100以上）。(www.xing528.com)

4）不需要加工工具，所以不存在工具损耗问题，适宜自动化生产系统。

5）通用性好，同一台激光加工装置，可作多种加工用，如打孔、切割、焊接等都可以在同一台机床上进行。

6）激光加工是属于一种瞬时的局部熔化和汽化的热加工方法，其影响因素很多。因此，精密微细加工时，其精度和表面粗糙度需反复试验，寻找合理的加工参数才能达到所需要求。

4.激光加工的应用

随着激光技术与电子计算机数控技术的密切结合，激光加工技术的广泛应用于一般加工方法难以实现其工艺要求的零件，现已广泛用于打孔、切割、焊接、表面处理等加工制造领域。

1）激光打孔。利用激光几乎可在任何材料上打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等。激光打孔适合于自动化连续打孔，如加工钟表行业红宝石轴承上直径为φ0.12～φ0.18 mm、深度为0.6～1.2 mm的小孔，采用自动传送装置每分钟可以连续加工几十个宝石轴承。如图2-122所示为利用激光在陶瓷上打φ0.5 mm孔。

2）激光切割。如图2-123所示，激光可用于切割各种各样的材料，既可切割金属，也可切割非金属，如利用激光可以用3 m/min以上的切削速度切割6 mm的钛板；既可切割无机物，也可以切割皮革之类的有机物。它可以代替钢锯来切割木材，代替剪子切割布料、纸张，还能切割无法进行机械接触的工件，如利用激光可以从电子管外部切断内部的灯丝。

图2-122　利用激光在陶瓷零件上打φ0.5 mm孔

图2-123　激光切割

3）激光焊接。激光焊接是以高功率聚焦的激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的。它既是一种熔深大、速度快、单位时间熔合面积大的高效焊接方法，又是一种焊接深宽比大、比能小、热影响区小、变形小的高精度焊接方法。激光焊接一般无须焊料和焊剂，只需将工件的加工区域“热熔”在一起就可以。如图2-124所示为利用激光焊接不锈钢毛细管。

4）激光表面处理。激光表面处理是近十年来激光加工领域中最为活跃的研究和开发方向，发展了相变硬化、快速熔凝、合金化、熔覆等一系列处理工艺。其中相变硬化和熔凝处理的工艺技术趋向成熟并产业化。合金化和熔覆工艺，对基体材料的适用范围和性能改善的幅度均比前两种工艺广得多，发展前景广阔。如图2-125所示为利用激光对模具进行表面淬火。

图2-124　激光焊接不锈钢毛细管

图2-125　对模具表面进行激光淬火