激光加工技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

席大鵬，廖 敏

（湖北工業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，湖北 武昌 430068）

世界上第一臺(tái)激光器誕生于1960年，我國(guó)于1961年研制出第一臺(tái)激光器，50多年來(lái)，激光技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合形成多個(gè)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，比如信息光電子技術(shù)、激光醫(yī)療與光子生物學(xué)、激光加工技術(shù)、激光檢測(cè)與計(jì)量技術(shù)、激光全息技術(shù)、激光光譜分析技術(shù)、非線性光學(xué)、超快激光學(xué)、激光化學(xué)、量子光學(xué)、激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等等。這些交叉技術(shù)與學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)各類制造業(yè)接受了激光加工技術(shù)，使他們的產(chǎn)品廣泛引用并加快產(chǎn)品更新的速度。

1 激光加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好，對(duì)加工對(duì)象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動(dòng)化加工。

激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開(kāi)辟了廣闊的前景。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光切割技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光快速成形技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲(chǔ)技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)。

2 最常用的三種激光加工技術(shù)

本文將簡(jiǎn)單介紹最常用的三種激光加工技術(shù)：切割、焊接與打標(biāo)打孔。圖1為激光加工的示意圖。

圖1 激光加工示意圖

2.1 激光切割

激光切割是基于聚焦后的激光，具有極高的功率密度而使工件材料瞬時(shí)汽化蝕除。在激光切割中工件與激光要作相對(duì)運(yùn)動(dòng)以形成切縫。常用連續(xù)的或高重復(fù)率的大功率Nd有YAG激光器和CO2激光器。有時(shí)還用帶有氣體噴口的切割機(jī)，所用的氣體一般為惰性氣體或氧氣，惰性氣體主要為防止工件燃燒或氧化，噴射氧氣可以加快切割速度，并能保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)不被汽化的材料所污損。

激光切割是激光加工中發(fā)展最為成熟、采用最廣的一種工藝加工。目前生產(chǎn)的激光切割機(jī)已能切割幾厘米厚的鋼板，切割速度是線切割速度的幾十倍，而且切割無(wú)噪聲，很容易使用數(shù)控方法進(jìn)行50μm以下的高精度的切割，對(duì)細(xì)縫以及復(fù)雜曲線的切割特別有利。比如：噴絲頭的型孔加工，精密零件的窄縫切割等。使用的激光器有YAG激光器和CO2激光器。由于激光的特點(diǎn)，激光可以切割幾乎任何材料。激光切割半導(dǎo)體，劃片速度為10~30mm/s，寬度為0.06mm，成品率達(dá)99%以上，比金剛石優(yōu)越得多，可將1 cm2切割成幾十個(gè)集成電路塊，或幾百個(gè)晶體管管芯。激光可代替鋸子加工木材。在現(xiàn)代制衣行業(yè)中，經(jīng)常用激光來(lái)切割皮革布料等，一次可以加工多層皮革，且無(wú)切割毛邊，大大提高了效率和品質(zhì)。激光切割硬而脆的材料，如玻璃、陶瓷等。大量的生產(chǎn)實(shí)踐表明，切割金屬時(shí)，采用同軸吹氧工藝，可以大大提高切割速度。

2.2 激光焊接

激光焊接技術(shù)具有溶池凈化效應(yīng)，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高，對(duì)高熔點(diǎn)、高反射率、高導(dǎo)熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。激光焊接，用于比切割金屬時(shí)功率較小的激光束，通過(guò)激光與材料的相互作用，使材料局部熔化而粘結(jié)在一起。然而波長(zhǎng)為10.6μm CO2激光和波長(zhǎng)為1.06μm的YAG激光作用于金屬表面時(shí)大部分被反射，吸收率較低，但當(dāng)金屬達(dá)到熔化狀態(tài)時(shí)，吸收率急劇上升，這給激光焊接提供了有利的條件。

目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。當(dāng)采用以上激光器時(shí)，所使用的塑料材料不僅要求數(shù)量大，而且使用種類多，科技含量高，是塑料制品加工業(yè)中能獲得高經(jīng)濟(jì)效益的最佳領(lǐng)域。因此，在塑料制品的加工過(guò)程中人們渴望一種更加快速、有效、干凈的塑料焊接方式。隨著材料和設(shè)備方面的進(jìn)步，激光焊接技術(shù)作為一種連接塑料制品的專門方法得到了生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，主要用于連接敏感性塑料制品(含有線路板)，具有復(fù)雜幾何形狀的塑料件以及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料制品(醫(yī)藥設(shè)備)等等。絕大多數(shù)本色的塑料和許多有色的半透明塑料都能被激光焊接，例如聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚苯烯(PP)等材料。

2.3 激光打標(biāo)打孔

激光打標(biāo)打孔在各種材料和幾乎所有行業(yè)均得到廣泛應(yīng)用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號(hào)和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級(jí)，這對(duì)產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。全固體紫外波段激光打標(biāo)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，特別適用于金屬打標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)亞微米打標(biāo)，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。

利用激光幾乎可以在任何材料上打微型孔，目前以應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃油噴嘴加工，化學(xué)纖維噴絲板打孔，鐘表及儀表中的寶石軸承打孔，高熔點(diǎn)金屬鉬板上加工微米量級(jí)孔徑，在硬質(zhì)碳化鎢上加工幾十微米的小孔，在紅、藍(lán)寶石上加工幾百微米的深孔以及金剛石拉絲模具，化學(xué)纖維的噴絲頭等。用激光束在空間和時(shí)間上高度集中的特點(diǎn)，非常方便的可將光斑直徑縮小到微米級(jí)。

激光打標(biāo)技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè),為優(yōu)質(zhì)、高效、無(wú)污染和低成本的現(xiàn)代加工生產(chǎn)開(kāi)辟了廣闊的前景。隨著現(xiàn)代激光標(biāo)刻應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,對(duì)激光制造的設(shè)備系統(tǒng)小型化、高效率和集成化的要求也越來(lái)越高,新型高功率光纖激光技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功,必將對(duì)此產(chǎn)生極大的推動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)到制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，激光加工技術(shù)也慢慢走上了前臺(tái)，在我國(guó)制造業(yè)中的地位越來(lái)越高。而隨著激光技術(shù)的不斷更新發(fā)展，激光應(yīng)用已經(jīng)滲透到了各行各業(yè)，如農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車制造、材料加工及軍工儀表等，進(jìn)而提高每個(gè)行業(yè)的自主創(chuàng)新能力，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，提高技術(shù)能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。因此，鑒于激光加工技術(shù)的重要性，就需要提高激光加工技術(shù)在各行各業(yè)的地位，促進(jìn)激光產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的建立和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，集中力量，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，加速激光產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化、商品化和國(guó)家化的進(jìn)程。

[1]宋威廉.激光加工技術(shù)的發(fā)展[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]孟永剛.激光加工技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.