激光技術(shù)研究

王新明+任玉燦+張燦果+張海東

摘 要：激光可以對(duì)金屬和非金屬進(jìn)行加工，利用成束的激光與被加工材料之間發(fā)生作用使材料發(fā)生溫度變化從而改變組織狀態(tài)以進(jìn)行加工。激光生產(chǎn)制造的類型分為激光焊、激光切分、熱處理、穿孔和精密加工制造等，同時(shí)它還作為識(shí)別物體的一種光源。激光生產(chǎn)是涵蓋了多項(xiàng)知識(shí)領(lǐng)域的加工方式，匯合了光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多方面技術(shù)。

關(guān)鍵詞：激光；加工；切割

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.16.111

1 激光綜述

“激光”曾有多個(gè)不同稱呼，如激`光射器、光受激輻射放大器等。錢學(xué)森在1964年首先提到這個(gè)詞，它可以體現(xiàn)出受激輻射的科學(xué)含義，且能形象的使人聯(lián)想到它是一種很強(qiáng)的光。由于它的形象且簡(jiǎn)潔，這個(gè)名字受到了大多科學(xué)家們的喜愛(ài)，沿用至今。按照通常意義上看，它涉及的方面包括：

（1）激光加工系統(tǒng)。包括激光器、光傳導(dǎo)裝置、生產(chǎn)設(shè)備、檢控系統(tǒng)。

（2）激光加工工藝。包括激光焊、激光切分、熱處理、穿孔和微處理加工等工法。

近幾年來(lái)，隨著科學(xué)家和學(xué)者們對(duì)這種技術(shù)不斷的探索和鉆研，新的激光技術(shù)涉及了很多方面。目前有一種叫作二極管泵浦金固態(tài)激光器的新型激光器，它標(biāo)志著新一代激光器的改革創(chuàng)新；對(duì)采用精密激光生產(chǎn)制造的微處理方式鉆研；制造適應(yīng)生產(chǎn)特點(diǎn)的專用配套激光機(jī)床和相對(duì)應(yīng)的激光器，提高生產(chǎn)周期以提高生產(chǎn)效率；生產(chǎn)加工系統(tǒng)智能化提高，在生產(chǎn)加工的基本功能下加入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警的專家化系統(tǒng)功能，這種形式必然會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展下去；研究檢查測(cè)定激光設(shè)備生產(chǎn)效率和影響質(zhì)量的參數(shù)和調(diào)節(jié)；激光切割分離的應(yīng)用，如在航空、輪船、汽車生產(chǎn)和特殊材料加工行業(yè)的應(yīng)用；采用激光方法進(jìn)行的焊接。對(duì)在加工過(guò)程中，不同材料焊接使用的參數(shù)跟蹤檢查，從而熟悉了解激光對(duì)各種金屬及非金屬材料的焊接方法和各項(xiàng)參數(shù)；用激光對(duì)產(chǎn)品表面或加工零件做熱處理改變組織。結(jié)合CAD/CAM、材料物理組織結(jié)構(gòu)，表面熱處理加工等技術(shù)，利用激光提高這方面的生產(chǎn)能力；對(duì)加工生產(chǎn)的輔助裝置以及激光束質(zhì)量的研究。分析加工生產(chǎn)中需要怎樣的光束，需要何種的質(zhì)量，以及分析加工中的光學(xué)監(jiān)控檢查系統(tǒng)和輔助工裝設(shè)計(jì)的要求；對(duì)利用激光快的特點(diǎn)使材料迅速達(dá)到自己想要的形狀，使激光的使用范圍大大擴(kuò)大；采用激光治病：它在此領(lǐng)域的使用包括光醫(yī)治和光檢測(cè)兩種，光醫(yī)治中把激光當(dāng)成一種能量，光檢測(cè)中把它作為一種可以傳遞消息的工具；激光在物質(zhì)化學(xué)中的應(yīng)用。這一方面對(duì)激光的利用具有十分好的前景，但是現(xiàn)如今還處于起步階段。比如利用激光化學(xué)制造藥品，它可以使藥的不同成分快速合成，并且可以將其中的不利成進(jìn)行清除，所以這樣生產(chǎn)出來(lái)的藥品不僅安全可靠更有效，而且價(jià)格也比較低。還有在生活中對(duì)各種開(kāi)關(guān)、信號(hào)傳輸線路或用電電路的調(diào)整和變動(dòng)也可以通過(guò)激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

如今，我國(guó)積極倡導(dǎo)科技領(lǐng)導(dǎo)生產(chǎn)，綠色技術(shù)，科學(xué)發(fā)展的方式。激光這一類技術(shù)既適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展特點(diǎn)又不會(huì)污染環(huán)境的資源利用是具有很大研究?jī)r(jià)值的。如今，我國(guó)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)把激光技術(shù)作為高科技繼續(xù)進(jìn)行研究了。激光使所有的科學(xué)家看到了科技發(fā)展的美好前景和創(chuàng)新機(jī)會(huì)，它必然能夠帶給我們更大的動(dòng)力。另一方面如今在世界上光電技術(shù)是被公認(rèn)為的研究速度最快，最具有科學(xué)研究?jī)r(jià)值，也是研究前景最好的科學(xué)高新技術(shù)。而且激光技術(shù)又是光電科學(xué)技術(shù)的研究基礎(chǔ)性方面之一。21世紀(jì)的科學(xué)研究進(jìn)程中，激光技術(shù)結(jié)合各種產(chǎn)業(yè)技術(shù)、光電技術(shù)、通信技術(shù)必然會(huì)推進(jìn)高度帶寬、海量通信、改革性照明技術(shù)的快速發(fā)展。在經(jīng)過(guò)了微電子時(shí)代，激光生產(chǎn)在光電領(lǐng)域一定會(huì)再一次促使科技的力量更加壯大。

2 激光發(fā)展方向

2.1 特快且強(qiáng)性激光

這種激光最大的特點(diǎn)是速度快功能強(qiáng)，最大的代表是被稱為飛秒激光技術(shù)的鉆研領(lǐng)域。這種技術(shù)是激光中比較特別的研究技術(shù)和方式，包含了三個(gè)方面：極快方面、極強(qiáng)方面和極精方面對(duì)飛秒技術(shù)激光的應(yīng)用研究。在這當(dāng)中，超精細(xì)方向的飛秒技術(shù)是現(xiàn)在全球激光技術(shù)和光電結(jié)合技術(shù)研究中最為先進(jìn)和意義重大的研究課題。

2.2 激光生產(chǎn)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的利用

在現(xiàn)代的軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中，激光測(cè)距儀是使用很廣的一個(gè)工具，在大炮發(fā)射裝置中利用這種工具可以很大程度的提高發(fā)射位置方向的精確度。雷達(dá)上采用激光，由于發(fā)射激光過(guò)程中不容易發(fā)散，方向精確，所以相比于無(wú)線電技術(shù)的雷達(dá)測(cè)量精度會(huì)更加的準(zhǔn)確。并且運(yùn)用激光技術(shù)的雷達(dá)避免了盲區(qū)問(wèn)題，因此在導(dǎo)彈一開(kāi)始發(fā)射過(guò)程中的監(jiān)控尤為合適。但是由于激光在傳輸過(guò)程中會(huì)受到空氣的干涉，所以這項(xiàng)技術(shù)在很大空間的應(yīng)用不適合，目前只適合于作為無(wú)線電技術(shù)傳輸?shù)囊粋€(gè)更好的補(bǔ)充。

2.3 通過(guò)氣體對(duì)激光進(jìn)行研究

現(xiàn)在在科學(xué)上有一種技術(shù)是利用激光對(duì)各種激活氣體介質(zhì)的氣體激光器，它是激光器技術(shù)高水平的一項(xiàng)代表。它的最大的優(yōu)點(diǎn)就是被激活氣體很均勻，這樣可以得到優(yōu)良的射束，也可以取得一種激光波長(zhǎng)它是從紫外線到紅外線的連貫或脈沖的一種波長(zhǎng)。如果在研究中需要從同一臺(tái)激光器上取得許多種不同的激光波長(zhǎng)，那么可以把特定的一種氣體換成多種氣體組合的氣體。

3 激光切割

激光切割加工是激光技術(shù)中發(fā)展最迅猛的，是綜合了光學(xué)、機(jī)械加工和電學(xué)等多方面學(xué)科的一項(xiàng)綜合加工技術(shù)。光纖激光切割技術(shù)在近些年出現(xiàn)，憑借著與其它傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)相比無(wú)可取代的優(yōu)勢(shì)迅速發(fā)展起來(lái)，成為激光加工技術(shù)中最先進(jìn)的技術(shù)之一。很多企業(yè)早已經(jīng)開(kāi)始了解開(kāi)發(fā)研究這項(xiàng)技術(shù)，并且不斷對(duì)比光纖激光切割技術(shù)和其它各種不同切割技術(shù)的區(qū)別，最大的開(kāi)發(fā)激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

切割最根本的原理就是通過(guò)熱源對(duì)加工零件進(jìn)行加熱融化氣化，以達(dá)到切割分離的過(guò)程。目前通常的熱源加工分三種：火焰、等離子和激光束三種切割方式。其中利用激光對(duì)工件進(jìn)行切割成形技術(shù)可以加工特別復(fù)雜又精密度很高的零件，這是其它加工方式無(wú)法做到的。在激光切割中，利用光纖進(jìn)行激光傳輸?shù)脑O(shè)備更加先進(jìn)精密，是目前機(jī)械加工行業(yè)普遍關(guān)注的加工方式。光纖傳輸激光切割不僅有其他切割方式快速高效的生產(chǎn)效率和優(yōu)良的截面質(zhì)量，而且操作過(guò)程簡(jiǎn)單便捷，環(huán)境干凈衛(wèi)生，設(shè)備方便維護(hù)。由于它先進(jìn)高效方便的加工特點(diǎn)，激光切割加工方式是未來(lái)生產(chǎn)制造的一個(gè)研究方向，有相當(dāng)大的研究空間。

通常在生產(chǎn)加工中常用的有兩種激光切割設(shè)備，臺(tái)式和龍門搭載式。前者是常見(jiàn)于加工鈑金類零件的切割機(jī)，適合于比較薄的板材切割，涉及醫(yī)用設(shè)備、飾品加工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)方面。它是把激光器和切割工作臺(tái)分離開(kāi)，利用光纖把激光從激光器中傳輸?shù)焦ぷ髋_(tái)的切割頭上實(shí)現(xiàn)加工。根據(jù)切割工作臺(tái)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)又可以分成多種不同的形式切割。龍門搭載式切割機(jī)相比來(lái)說(shuō)，最大的切割特點(diǎn)是可以切割比較厚的工件，最大可以切割25mm的厚度工件。它的激光器和切割工作臺(tái)做成一體，這樣就避免了激光傳輸線路長(zhǎng)度的限制。從而龍門搭載切割設(shè)備的切割零件長(zhǎng)度和寬度可以很大，最大的加工面積可以加工到寬6m長(zhǎng)幾十米的工件。所以這種切割機(jī)特別適合于在大型工程生產(chǎn)中使用，比如輪船，飛機(jī)，大型車類產(chǎn)品中的使用。

雖然激光切割有很多的生產(chǎn)加工優(yōu)勢(shì)，但是在操作過(guò)程中還是有一些要注意的地方：1、由于激光的特質(zhì)，在激光切割作業(yè)中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光線，人眼不可以長(zhǎng)時(shí)間觀看，以免傷害眼睛。激光束具有很大的能量，如果人體接觸到，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的燒傷，所以要避免激光和人體接觸。2、切割設(shè)備上的激光聚焦鏡里有一種晶體ZnSe，它對(duì)人身體有害，所以不可以經(jīng)常觸摸透鏡。如果鏡片損壞了需要更換，壞掉的鏡片也不能到處亂扔。3、切割過(guò)程中如果要切割鋁或者其他金屬合金，設(shè)備周圍會(huì)產(chǎn)生大量的粉末灰塵，避免吸入傷害身體。操作者需要戴口罩。另外很多有色金屬都屬于高反材料，加工過(guò)程中如果不采取保護(hù)措施很有可能會(huì)由于激光反射損壞激光頭。

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