激光加工的原理、特點和發(fā)展前景

激光加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔和微加工等。用激光束對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光能適應任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。

一 激光加工的原理及其特點

1． 激光加工的原理

激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會與工件的表面直接磨擦產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應用到不同層面和范圍上。

2．激光加工的特點

激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領域存在的優(yōu)勢：

①由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的。

②它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點的材料。

③激光加工過程中無＂刀具＂磨損，無＂切削力＂作用于工件。

④激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。

⑤它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行各種加工。

⑥由于激光束易于導向、聚集實現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復雜工件進行加工，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)濟效益好。

二 激光技術

用激光束對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光加工有許多優(yōu)點：①激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化，即使熔點高、硬度大和質(zhì)脆的材料（如陶瓷、金剛石等）也可用激光加工；②激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；③工件不受應力，不易污染；④可以對運動的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；⑤激光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級，作用時間可以短到納秒和皮秒，同時，大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達千瓦至十千瓦量級，因而激光既適于精密微細加工，又適于大型材料加工；⑥激光束容易控制，易于與精密機械、精密測量技術和電子計算機相結合，實現(xiàn)加工的高度自動化和達到很高的加工精度；⑦在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機器人進行激光加工。

1．激光打孔

采用脈沖激光器可進行打孔，脈沖寬度為0．1～1毫秒，特別適于打微孔和異形孔，孔徑約為0．005～1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。

2．激光切割、劃片與刻字

在造船、汽車制造等工業(yè)中，常使用百瓦至萬瓦級的連續(xù)CO2激光器對大工件進行切割，既能保證精確的空間曲線形狀，又有較高的加工效率。對小工件的切割常用中、小功率固體激光器或CO2激光器。在微電子學中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區(qū)小。用激光可對流水線上的工件刻字或打標記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。

3．激光微調(diào)

采用中、小功率激光器除去電子元器件上的部分材料，以達到改變電參數(shù)（如電阻值、電容量和諧振頻率等）的目的。激光微調(diào)精度高、速度快，適于大規(guī)模生產(chǎn)。利用類似原理可以修復有缺陷的集成電路的掩模，修補集成電路存儲器以提高成品率，還可以對陀螺進行精確的動平衡調(diào)節(jié)。

4．激光焊接

激光焊接強度高、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，而且體積小。

5．激光熱處理

用激光照射材料，選擇適當?shù)牟ㄩL和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結晶，達到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點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，可處理形狀復雜的零件和部件，可對盲孔和深孔的內(nèi)壁進行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復離子轟擊所引起損傷的硅材料。

6．強化處理

激光表面強化技術基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個過程，在金屬材料激光表面強化中，當激光束能量密度處于低端時可用于金屬材料的表面相變強化，當激光束能量密度處于高端時，工件表面光斑出相當與一個移動的隙隙，可完成一系列的 冶金過程，包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實際應用中引發(fā)的材料替代技術，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

而在刀具材料改性中主要應用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為熔化狀態(tài)，同時迅速凝固，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、重溶細化、上釉和表面復合化等。

激光熔凝是用適當?shù)?a target="_blank">參數(shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術。它具有以下優(yōu)點：

1．表面熔化時一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結合。

2．在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結晶獲得的雜質(zhì)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，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可不再進行后續(xù)磨光而直接使用。

4．提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點超細化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴散的單一晶體結構甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。

光束可以通過光路導向，因而可以處理零件特殊位置和形狀復雜的表面。

綜合激光技術的優(yōu)點及以被廣泛應用的技術的缺點，把激光技術應用于刀具材料表面強化處理，將是提高刀具耐磨性及其使用壽命的重要途徑之一，尤其對于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具這種高硬度、耐熱性好等優(yōu)點，有利于提高加工效率和加工精度，并能對難加工材料如淬火鋼在不利的加工條件下進行切削加工。由于它們強度相對較低，韌性較差，嚴重地限制了它們的應用范圍，因此把激光表面強化技術應用于陶瓷、硬質(zhì)合金刀具具有深刻的研究意義和廣闊的應用前景。

三 激光加工的發(fā)展前景

激光加工用于再制造業(yè)和應用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點，并優(yōu)于其它加工技術。激光加工用于再制造業(yè)是由相變硬化發(fā)展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂層發(fā)展到復合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術成為再制造的一項重要手段。它主要是采用5KW～10KWCO2高功率激光器及其系統(tǒng)。

與國際上激光加工系統(tǒng)相比，我國的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的4％左右。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒有。主力激光器不過關，微細激光加工裝備缺口較大，而這些領域我國的生產(chǎn)加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進入，例如亞琛聯(lián)合科技。 ACunity（亞琛聯(lián)合科技公司）于2016年在德國亞琛建立，作為Fraunhofer ILT（弗勞恩霍夫激光技術研究所）孵化的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新企業(yè)，坐落于亞琛工程谷內(nèi)的光制造中心。公司與德國本土激光技術、先進制造領域的高端企業(yè)建立緊密研發(fā)聯(lián)盟，面向全球市場開展激光制造技術的研發(fā)、制造、咨詢等服務；對細分行業(yè)進行評估，挖掘基于工業(yè)4．0智慧數(shù)字化生產(chǎn)在制造業(yè)中的潛在應用，促進亞琛與國內(nèi)企業(yè)、高校及研究機構在共同研發(fā)、技術成果轉(zhuǎn)化的全面合作。

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