1、激光加工在现代产品中的应用一、激光加工的原理及其特点1.1 激光加工的起源早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。到 20 世纪 70 年代，随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。1.2 激光加工的原理激光加工是将高能量密度的激光束照射到工件的表面，导致光斑处的材料瞬间熔化、汽化、
2、膨胀，使熔融物爆炸式地喷射出来，高速喷射产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。通常用于加工的激光器主要是固体激光器（图 1）和气体激光器（图 2） 。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。1.3 激光加工的特点激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势：1）能量密度高，应用广泛。激光加工几乎能加工所有的材料，如各种金属材料、陶瓷、石英、金刚石等，反射率或透射率高的工件进行打毛或色化处理后，仍可加工。
3、2）加攻速快，效率高，可控性好，容易实现自动化。3）能透过空气、惰性气体或透明物体对工件进行加工。因此，可通过由玻璃等制成的窗口对被封闭零件进行加工，在真空环境下也可以加工。4）激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可调节，因此可用于精密微细加工。5）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。6）由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。7）使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。例如：1 美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到 4H 即可高质量完成，而原来采用电火花加工则需要 9H
4、 以上。仅此一项，每台发动机的造价可省 5 万美元。2 激光切割钢件工效可提高 8-20 倍，材料可节省 15-30%，大幅度降低了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。2、激光加工技术的应用由于激光加工技术具有许多其他加工技术所无法比拟的优点，所以应用较广。目前已成熟的激光加工技术包括：激光打孔技术、激光切割技术、激光焊接技术、激光热处理、表面处理技术、激光微调技术、激光快速成形技术、激光存储技术、激光去重平衡技术、激光划线技术等。2.1 激光打孔技术激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术,也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速发展,使用硬度大、熔点高的材料越来越
5、多,而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。激光打孔采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为 0.11 毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为 0.0051 毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得 105-1015W/cm2 的激光功率密度。由于激光打孔是利用功率密度为 l07-109W/cm2 的高能激光束对材料进行瞬时作用,作用时间只有 103-105s,因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合,通过微处理机进行程控,可以实现高效率打孔。在不同的
6、工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比,效率提高 l0-1000 倍。2.2 激光切割技术激光切割是用聚焦镜将 CO2 激光束聚焦在材料表面使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着 CO2 激光器及数控技术的不断完善和发展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采用振动剪。七十年代后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离
7、子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期，又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点，在工业生产中有一定的适用范围。2.3 激光焊接技术激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及熔点很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿命长，而且体积小。激光热处理 用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如，气缸活塞经激光热处理后可延长寿命；用激光
8、热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。2.4 激光热、表处理技术(激光相变硬化、激光淬火）激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对金属实现相变硬化（或称为表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹 火 ） 、 表 面 合 金 化 等 表面 改 性 处 理 ， 产 生 用 其 大 表 面 淬 火 达 不 到 的 表 面 成 分 、 组 织 、 性能 的 改 变 。 经 激 光 处 理 后 ， 铸 铁 表 面 硬 度 可 以 达 到 HRC60 度 以 上 ，中 碳 及 高 碳 的 碳 钢 ， 表 面 硬 度 可 达 HRC70 度 以 上 ,从 而 提 高 起 抗磨 性 ,抗
9、 疲 劳 ,耐 腐 蚀 ,抗 氧 化 等 性 能 ,延 长 其 使 用 寿 命 。激光热 处 理 技 术 与 其 他 热 处 理 如 高 频 淬 火 ,渗 碳 ,渗 氮 等 传 统工 艺 相 比 ,具 有 以 下 特 点 :1.无 需 使 用 外 加 材 料 ,仅 改 变 被 处 理 材 料 表 面 的 组 织 结 构 .处理 后 的 改 性 层 具 有 足 够 的 厚 度 ,可 根 据 需 要 调 整 深 浅 一 般 可 达0.1-0.8mm。2 处 理 层 和 基 体 结 合 强 度 高 .激 光 表 面 处 理 的 改 性 层 和 基 体 材料 之 间 是 致 密 的 冶 金 结 合 ,
10、而 且 处 理 层 表 面 是 致 密 的 冶 金 组 织 ,具有 较 高 的 硬 度 和 耐 磨 性3.被 处 理 件 变 形 极 小 ， 由 于 激 光 功 率 密 度 高 ， 与 零 件 的 作 用时 间 很 短 （ 10-2-10 秒 ） ， 故 零 件 的 热 变 形 区 和 整 体 变 化 都 很 小 。故 适 合 于 高 精 度 零 件 处 理 ， 作 为 材 料 和 零 件 的 最 后 处 理 工 序 。4.加 工 柔 性 好 ， 适 用 面 广 。 利 用 灵 活 的 导 光 系 统 可 随 意 将 激光 导 向 处 理 部 分 ， 从 而 可 方 便 地 处 理 深 孔 、
11、 内 孔 、 盲 孔 和 凹 槽 等 ，可 进 行 选 择 性 的 局 部 处 理 。2.5 激 光 微 调 技 术激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达 0.01%一0.002%，比传统方法的精度和效率高，成本低。激光微调包括薄膜电阻(0.010.6 微米厚)与厚膜电阻(2050 微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。集成电路、传感器中的电阻是一层电阻薄膜，制造误差达上 15 一 20%，只有对之进行修正，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，加工时对邻近的元件热影响极小，不产生污染，又易于用电脑控制，因此可以满足快速微调电阻使之达到精确的预
12、定值的目的。加工时将激光束聚焦在电阻薄膜上，将物质汽化。微调时首先对电阻进行测量，把数据传送给计算机，计算机根据预先设计好的修调方法指令光束定位器使激光按一定路径切割电阻，直至阻值达到设定值，同样可以用激光技术进行片状电容的电容量修正及混合集成电路的微调。优越的定位精度，使激光微调系统在小型化精密线形组合信号器件方面提高了产量和电路功能。2.6 激光快速成形技术激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM 技术和材料技术的最新成果，根据零件的 CAD 模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领
13、域得到广泛应用。2.7 激光存储技术激光存储是利用材料的某种性质对光敏感。带有信息的光照射材料时，该性质发生改变，且能够在材料中记录这种改变，这就实现了光信息的存储。用激光对存储材料读取信息时，读出光的性质随存储材料性质的改变而发生相应的变化，从而实现已存储光信息的读取。 现有的光存储技术与传统的磁存储技术相比有如下特点：数据存储密度高、容量大，寿命长，非接触式读/写和擦，信息位价格低此外，光存储还有并行程度高，抗电磁干扰性能强等优点。2.8 激光去重平衡技术激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大
14、功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达 1%或千分之几微米。2.9 激光划线技术利用半导体泵浦激光器作为光源，经过一组透镜组合整合后能够发射出高准直度的点状光源，在经过特制棱镜打散后能够形成一条亮度均匀的光线。由于采用特殊设计的棱镜扩散光线，有效避免了采用普通柱镜扩散光线后产生光线两端光强弱中间光强的缺点，我们（北京贝诺）设计的棱镜在扩散光线后能够使光线两端和中间的亮度相同（肉眼分辨） ，经功率测试结果分析得出两端光强和中间光强误差在 3%以内，肉眼无法分辨出亮度差。能够在使用距
15、离 40 米的位置清晰分辨出光线，有效的解决了人工划线的工作强度。2.10 激光蚀刻技术激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可加工 0.1251 微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。2.11 激光强化处理技术激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过程，在金属材料激光表面强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表面相变强化，当激光束能连密度处于高端时，工件表面光斑出相当与一个移动的坩埚，可完成一系列的 冶金过程，包括表面重熔、表层增碳、表层合
16、金化和表层熔覆。这些功能在实际应用中引发的材料替代技术，将给制造业带来巨大的经济效益。而在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理，熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。根据材料表面组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。2.12 空间激光通信空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间，包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间通信。 激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点。1、大通信容
17、量：激光的频率比微波高 3-4个数量级(其相应光频率在 1013-1017 Hz)?作为通信的载波有更大的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的数据率可达 20Gbs 以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。2、低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂的空间通信来说，是十分适用的。3、体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场
18、角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。4、高度的保密性?激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。5、激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。2.13 激光核聚变由于激光核聚变与氢弹的爆炸在许多方面非常 相似，所以，20 世纪 60 年代，当激光器问世以后，科学家就开始致力于利用高功率激光使聚变燃料发生聚变反应，来研究核武器的某些重要物理问题。 激光核聚变的装置激光核聚变主要有 3 种用途：一是可为人类找到一种用不完的清洁能源，二是可以研制真正的“干净”
19、核武器，三是可以部分代替核试验。因此，激光核聚变在民用和军事上都具有十分重大的意义。2.13 激光显示技术激光显示是以红、绿、蓝(RGB)三基色激光为光源的显示技术，可以最真实地再现客观世界丰富、艳丽的色彩，提供更具震撼的表现力。与自然光色域相比较，传统显示设备只能再现人眼所见颜色的 30%而目前正在开发中的激光显示方式可覆盖 90%，这一巨大的潜力让我们对激光显示技术的未来充满期待，因此激光显示被称为“人类视觉史上的革命” 。 2.14 激光熔凝技术激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。它具有以下优点：1.表面熔
20、化时一般不添加任何金属元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。2.在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂志有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。3.其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可不再进行后续磨光而直接使用。4.提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。2.15 激光微细加工技术微细加工选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可利用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。 例如：高精密光栅的刻制；通过 CAD/CAM 软件进行仿真图案（或文字）和控制，实现高保真打标；利用光阱的“束缚力” ，对生物细胞执行移动操作（生物光镊） 。
