激光束加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

林岳凌

(江門市大光明電力設(shè)備廠有限公司, 廣東 江門529100)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，它們與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合而形成的先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用越來越廣泛。包括新型武器裝備、飛機(jī)制造業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)等都要求采用整體結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、先進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)，以及鈦合金、復(fù)合材料、粉末材料、金屬間化合物等新材料。激光的良好特性使其在實(shí)際生產(chǎn)方面的應(yīng)用越來越廣泛，這其中以激光束加工最有發(fā)展前景。激光束加工因具有加工速度快、表面變形小、可加工各種材料等特點(diǎn)，已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。

1 激光束加工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

激光束加工技術(shù)是利用高能量激光束使工件材料熔化、汽化和蒸發(fā)而予以去除的高能束加工工藝,被譽(yù)為“21 世紀(jì)的萬能加工工具”。隨著激光器及外圍技術(shù)的進(jìn)步，激光束加工技術(shù)不斷發(fā)展，目前被廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造業(yè)。由于激光束加工技術(shù)良好的應(yīng)用前景，目前國內(nèi)外都對該項(xiàng)技術(shù)展開了大量的研究工作。與電子束、電解、電火花、和機(jī)械打孔相比，激光打孔質(zhì)量好、重復(fù)精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低及綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。國外在激光精密打孔已經(jīng)達(dá)到很高的水平。瑞士某公司利用固體激光器給飛機(jī)渦輪葉片進(jìn)行打孔，可以加工直徑從20um 到80um 的微孔，并且其直徑與深度之比可達(dá)1:80。激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等，這是普通機(jī)械加工無法做到的。

激光精密切割與傳統(tǒng)切割法相比，激光精密切割有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，它能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘?jiān)?、熱影響區(qū)小、切割噪聲小，并可以節(jié)省材料15% ~30%。由于激光對被切割材料幾乎不產(chǎn)生機(jī)械沖力和壓力，故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切縫窄，所以特別適宜于對細(xì)小部件作各種精密切割。

2 發(fā)展趨勢

為了深入研究激光束加工技術(shù)在全球的發(fā)展趨勢，預(yù)測其今后的發(fā)展動態(tài)，下面從專利角度，對該領(lǐng)域展開分析。我們通過專利的查詢進(jìn)一步對激光束加工技術(shù)各個(gè)子領(lǐng)域的研發(fā)情況進(jìn)行研究?？梢钥吹角笆甓确植紶顩r。從2000 年至2009 年，激光束加工領(lǐng)域的技術(shù)主要集中焊接，切割，打孔等這些子領(lǐng)域。從數(shù)據(jù)中可以看出，在激光束加工技術(shù)中，所有子領(lǐng)域在這十年間都呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。我們可以看到，幾乎所有子領(lǐng)域都在2001- 2003 年達(dá)到最大值，因此，在一定程度上可以說明各技術(shù)目前都處于成熟狀態(tài)，發(fā)展速度變慢。通過宏觀層面的分析，我們可以看出激光束加工技術(shù)在這10 年中，發(fā)展較為穩(wěn)定。其中用于焊接、切割以及打孔的激光束加工是整個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)。

3 激光束加工的應(yīng)用

激光束加工主要用于打孔、切割、焊接和表面處理等材料成形和改性等一系列加工工藝中。在過去二十多年時(shí)間里，激光束加工技術(shù)得到了異常迅速的發(fā)展，而且得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

3.1 激光表面處理

在母材基體表面預(yù)置合金薄片或粉劑，然后利用激光加熱使其熔化，光束離去后涂覆材料便迅速凝固，形成與基體材料牢固結(jié)合的包覆層，以提高表面耐磨性和耐腐蝕性。激光能使包覆材料很快熔化，母材并不熔化，且包覆材料僅施于所需之處，因此，涂層厚度均勻，結(jié)合力強(qiáng)。例如，對鎳基合金渦輪葉片，利用激光涂覆鈷基合金后，可提高葉片的耐熱、耐磨耗性能。以激光為熱源。原理與火焰表面淬火相同。不同之處：火焰淬火加熱面積大，需用水冷卻硬化。激光功率密度大而能在短時(shí)間處理，熱影響范圍小，不用水也能急冷而硬化。用激光加熱材料使其比表面硬化處理的溫度稍高一些，讓表層略微熔化就急冷，這種處理稱為表面均勻化。例如，工具鋼等碳化物相的材料，采用激光使碳化物熔化分解，并通過急冷形成微細(xì)粒子彌散或固溶在材料中，達(dá)到均勻化的目的。

3.2 激光切割

激光切割是激光加工技術(shù)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的一個(gè)方面，因此其加工過程既符合激光與材料的作用原理，又具有自己的特點(diǎn)。激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處的材料迅即熔化、汽化、燒蝕，并形成孔洞，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，隨著光束和工件的相對運(yùn)動，最終使工件形成切縫，從而實(shí)現(xiàn)割開工件的一種熱切割方法。切割過程發(fā)生在切割終端處的一個(gè)垂直表面，稱之燒蝕前沿。激光和氣流從該處進(jìn)入切口，激光能量一部分被燒蝕前沿所吸收，一部分通過切口或經(jīng)燒蝕前沿向切口空間反射。激光能切割的材料除金屬外，還有塑料、木材、紙張、橡膠、皮革、陶瓷、混凝土、纖維以及復(fù)合材料等。切割效果：割縫寬度0.2~0.3mm；熱影響區(qū)寬度0.04~0.06mm；割縫形狀平行；切割速度快，設(shè)備費(fèi)很高；運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)低。激光切割適合多品種小批量生產(chǎn)。在激光切割機(jī)上配以數(shù)控工作臺，可切割復(fù)雜形狀的產(chǎn)品。

3.3 激光焊接

激光焊接是一種無接觸加工方式，對焊接零件沒有外力作用。激光能量高度集小，對金屬快速加熱、快速冷卻，對許多零件熱影響可以忽略不計(jì)，可認(rèn)為不產(chǎn)生熱變形，或者說熱變形極小。能夠焊接高熔點(diǎn)、難熔、難焊的金屬，如欽合金、鋁合金等。激光焊接過程對環(huán)境沒有污染，在空氣中可以直接焊接，與需在真空室中焊接的電子束焊接方法比較，激光焊接工藝簡便。焊點(diǎn)、焊縫整齊美觀，易于與計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)或機(jī)械手、機(jī)器人配合，實(shí)現(xiàn)自動焊接，生產(chǎn)效率高。激光焊縫的機(jī)械強(qiáng)度往往高于母材的機(jī)械強(qiáng)度。這是由于激光焊接時(shí)，金屬熔化過程對金屬中的雜質(zhì)有凈化作用，因而焊縫不僅美觀而且強(qiáng)度高于母材。

激光束焊接是利用激光束聚焦到工件表面，使輻射作用表面的金屬"燒熔"粘合而形成焊接接頭。所需能量較低（104~106W/cm2）。具有：焊接過程迅速，生產(chǎn)率高；被焊接材料不易氧化、焊點(diǎn)小、焊縫窄、熱影響區(qū)小，故焊接變形小、精度高。適合于微型、精密、排列密集、受熱敏感的焊件?？珊附油N金屬，也可焊接異種金屬，甚至焊接金屬與非金屬材料?？蛇M(jìn)行薄片間或絲與絲之間的焊接。在機(jī)械工業(yè)中廣泛應(yīng)用的激光焊接是基于大功率激光所產(chǎn)生的小孔效應(yīng)基礎(chǔ)上的深熔焊接。是一種熔深大、速度快、單位時(shí)間熔合面積大的高效焊接方法，且是焊縫深寬比大、比能小、熱影響區(qū)小、變形小的精確焊接方法。但要求被焊接件有較高的裝配精度，且被聚焦成很細(xì)的激光束嚴(yán)格沿著待焊縫隙掃描?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，激光焊接在電子工業(yè)、國防工業(yè)、儀表工業(yè)、電池工業(yè)、醫(yī)療儀器以及許多行業(yè)中均得到廣泛的應(yīng)用。

3.4 激光彎曲技術(shù)

激光彎曲是一種柔性成型新技術(shù)，它利用激光加熱所產(chǎn)生的不均勻的溫度場，來誘發(fā)熱應(yīng)力代替外力，實(shí)現(xiàn)金屬板料的成型。激光成型機(jī)理有溫度梯度機(jī)理、壓曲機(jī)理和撤粗機(jī)理。與火焰彎曲相比，激光束可被約束在一個(gè)非常窄小的區(qū)域而且容易實(shí)現(xiàn)自動化，這就導(dǎo)致了人們對激光彎曲成型的研究興趣。目前此技術(shù)研究已有一些成功應(yīng)用的范例，如用于船板的彎曲成型，利用管子的激光彎曲成型制造波紋管，以及微機(jī)械的加工制造。

結(jié)語

激光加工技術(shù)是21 世紀(jì)的一種先進(jìn)制造技術(shù)，其發(fā)展前景不可限量。但是，激光加工技術(shù)還是一種發(fā)展中的技術(shù)。它不像傳統(tǒng)工藝的冷加工車、鉆、銑、刨、磨，也不像熱加工的鍛、鑄、焊、金屬熱處理那樣，有一整套金屬工藝學(xué)的理論和規(guī)范化的工藝。在使用激光加工，經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)是必不可少的。同時(shí)，激光加工的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，如用激光制造大規(guī)模集成電路，不用抗蝕劑，工序簡單,并能進(jìn)行0.5 微米以下圖案的高精度蝕刻加工，從而大大增加集成度。此外，激光蒸發(fā)、激光區(qū)域熔化和激光沉積等新工藝也在發(fā)展中。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光束加工技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的應(yīng)用勢必會越來越廣泛，越來越重要，影響越來越大。

[1] 周瀟.激光束加工技術(shù)全球發(fā)展趨勢研究[J].經(jīng)濟(jì)師,2011.（11.）

[2] 官邦貴，劉頌豪，章毛連，王玉連，劉慧,激光精密加工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].激光與紅外,2010.（03）.