激光加工技術(shù)綜述

張臣　吳恒鑫

摘 要：激光加工作為一種新技術(shù)，在機(jī)械制造中有著很重要的應(yīng)用。本文簡要闡述了激光加工的原理、特點(diǎn)，并介紹了它在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用情況，同時(shí)簡要介紹了激光加工的最新研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：激光加工；制造；應(yīng)用；進(jìn)展

隨著航空航天、核電工業(yè)的迅猛發(fā)展，更多的高性能材料得到應(yīng)用。雖然，高性能材料擁有良好的物理、力學(xué)性能，但是，卻對(duì)機(jī)械加工工藝提出了更高的要求。于是，人們開始探索高性能材料的加工方法。激光作為一種具有亮度高、方向性強(qiáng)、單色性好、相干性強(qiáng)等特點(diǎn)的光源，可以實(shí)現(xiàn)難加工材料的加工。

1 激光加工的原理

金屬材料的激光加工主要是基于光熱效應(yīng)的熱加工，其前提是激光被加工材料所吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。由于激光的發(fā)散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的小斑點(diǎn)上，再加上其強(qiáng)度高，因此其加工的功率密度很大，溫度可達(dá)1萬攝氏度以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時(shí)急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時(shí)產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的沖擊。因此，激光加工是工件在光熱效應(yīng)下產(chǎn)生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。

2 激光加工的主要特點(diǎn)

2.1 適用范圍廣

激光加工是一種高能加工方法，幾乎所有的材料都能適用。它既可在大氣中加工，又可在真空中加工。尤其對(duì)于某些難加工材料，激光加工是唯一可行的方法。

2.2 設(shè)備自動(dòng)化程度高

相比于傳統(tǒng)的機(jī)械加工系統(tǒng)，激光加工更容易采用數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行控制。激光器經(jīng)常與機(jī)器人相結(jié)合，其體積小、精度高、靈活方便，特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。

2.3 生產(chǎn)成本低

激光加工屬于非接觸加工，加工過程中的損耗小、效率高。在大批量生產(chǎn)中，可以明顯降低成本。

2.4 無污染

激光束不會(huì)發(fā)生像電子束那樣的X射線，而且無加工污染。

2.5 節(jié)能環(huán)保

據(jù)相關(guān)研究，激光束的能量利用率為常規(guī)熱加工工藝的10-1000倍，激光加工可節(jié)省材料15%-30%。

3 激光加工的應(yīng)用舉例

3.1 激光切割技術(shù)

激光切割是一種應(yīng)用最廣泛、最成熟的激光加工技術(shù)，最初被用在硬木板上切割非穿透槽、嵌刀片，制造沖剪紙箱板的模具。隨著激光器件和加工技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用逐步擴(kuò)大到低碳鋼、不銹鋼等金屬?，F(xiàn)在，幾乎所有材料都能使用激光加工。

3.2 激光焊接技術(shù)

激光焊接是一種材料連接的技術(shù)，它與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)一樣，通過將材料連接區(qū)的部分金屬融化而將兩個(gè)零件或部件連接起來。激光能量高度集中，加熱、冷卻過程極其迅速，一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料，用激光能容易實(shí)施焊接。作為一種先進(jìn)的焊接技術(shù)，激光焊接設(shè)備昂貴，一次性投資較大，但是，其工藝簡便，焊點(diǎn)、焊縫整齊美觀，易于與自動(dòng)化設(shè)備配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，生產(chǎn)率高。

3.3 激光彎曲成型技術(shù)

激光彎曲成型是一種柔性成形新技術(shù)——利用不均勻加熱引起的熱應(yīng)力代替外力，實(shí)現(xiàn)金屬板料的成形。由于激光彎曲工藝不需要成形模具和成形外力，特別適合于單件、小批量硬脆材料的成形，對(duì)彈性元件的精確成形和控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)。而且，激光光源易控制，所以，激光彎曲可不受加工環(huán)境、工件幾何形狀的限制。通過優(yōu)化工藝參數(shù)、精確控制加熱區(qū)域的大小和位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲成形的精確控制。

3.4 激光打孔技術(shù)

利用激光的功率密度高的特點(diǎn)，將其聚焦，使加工材料瞬間被加熱熔化、汽化，熔化物質(zhì)被蒸氣的剩余壓力排擠出來，形成孔洞。激光打孔適應(yīng)性強(qiáng)，軟、脆、硬材料均可適用，且由于其是非接觸式加工，不存在刀具磨損問題，大批量加工時(shí)可降低成本。

4 激光加工的最新研究進(jìn)展

4.1 激光微調(diào)

在一些工業(yè)生產(chǎn)中，既要滿足快速，又要達(dá)到精密生產(chǎn)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可行的方法是，先用高速大規(guī)模加工進(jìn)行初加工，使其形成一定的精度，然后再用一個(gè)微調(diào)工序，使其滿足精度要求。如今，激光微調(diào)技術(shù)廣泛用于大規(guī)模集成電路的制造中，它是高速高精密生產(chǎn)的唯一方法。

4.2 激光輔助化學(xué)氣相沉積

激光輔助化學(xué)氣相沉積是在化學(xué)氣相沉積過程中引入激光，來促進(jìn)或控制化學(xué)氣相沉積過程的一種薄膜沉積技術(shù)。若用普通的化學(xué)氣相沉積法加工，可以看到明顯的膜-基界面，鍍層也存在鼓泡、剝落等問題。從相關(guān)研究可以看出，在不改變?cè)泄に?、主要設(shè)備的情況下，利用激光的表面加熱功能使薄膜與基底實(shí)現(xiàn)合金化可以消除膜-基界面，而且激光加熱可以對(duì)薄膜進(jìn)行重融實(shí)現(xiàn)致密化，能消除針孔、微孔。

4.3 激光沖擊強(qiáng)化處理

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，也稱激光噴丸技術(shù)，通過高功率密度、短脈沖的激光輻照金屬材料表面，利用受激光激發(fā)的等離子體產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊波，在目標(biāo)工件的表層形成殘余壓應(yīng)力，以提高目標(biāo)工件的疲勞強(qiáng)度。

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作者簡介

張臣（1996-），鄭州大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，2014級(jí)本科生。

吳恒鑫（1995-），鄭州大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，2014級(jí)本科生。