基于理論與實(shí)踐相結(jié)合的激光加工實(shí)訓(xùn)課程探索與實(shí)踐

焦 輝 呂汝金 王喜社

（桂林電子科技大學(xué) 教學(xué)實(shí)踐部，桂林 541004）

2015年5月19 日，國務(wù)院正式發(fā)布《中國制造2025》，整體部署我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和跨越發(fā)展，提出了基于我國國情的“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)，明確指出建設(shè)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)我國制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱領(lǐng)。如今，我國已成為全球制造業(yè)的加工中心，新技術(shù)、新裝備、新方法等不斷涌現(xiàn)，對人才需求的標(biāo)準(zhǔn)也越來越高。推進(jìn)素質(zhì)教育、培養(yǎng)工程意識、提升專業(yè)水平以及加強(qiáng)科技創(chuàng)新，是21世紀(jì)高校工程教育的要求。因此，深化工程教育改革、加強(qiáng)學(xué)生工程意識、培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，是新時代工科背景下高校工程教育的新使命。工程訓(xùn)練中心作為現(xiàn)代高校工程教育實(shí)施的重要載體，憑借在高校實(shí)踐教學(xué)中的地位和資源優(yōu)勢，率先突破學(xué)科專業(yè)的限制，整合集中規(guī)劃學(xué)校的內(nèi)部資源，使其成為高校工科專業(yè)學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)踐的新天地[1-2]，促使現(xiàn)代工程教育逐漸由傳統(tǒng)金工實(shí)習(xí)向現(xiàn)代工程訓(xùn)練轉(zhuǎn)變。工程教育的深度和廣度逐漸擴(kuò)大，對提高學(xué)生實(shí)踐能力和綜合能力、培養(yǎng)創(chuàng)新意識具有重要作用。工程實(shí)訓(xùn)作為工程實(shí)踐教學(xué)的主要載體和平臺，是高校重要的實(shí)踐教學(xué)，是創(chuàng)新教育和素質(zhì)教育的重要手段，是大學(xué)生實(shí)踐與理論相聯(lián)系的橋梁。

1 激光加工技術(shù)概述

激光加工實(shí)訓(xùn)是工程實(shí)訓(xùn)的重要組成部分，是先進(jìn)制造技術(shù)的典型代表，也是高校學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用激光加工技術(shù)的重要載體[3]。激光加工技術(shù)不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)。比如，車銑刨磨鉆等均為接觸式加工，所用的刀具硬度須強(qiáng)于所加工的材料，且加工存在刀具磨損等問題，而激光加工是一種非接觸式加工，對材料選擇限制較低，不存在刀具磨損等問題[4]。此外，激光加工技術(shù)具有快速、高效、靈活及高精度等優(yōu)勢。目前，具有代表性的激光加工技術(shù)約20多種，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、半導(dǎo)體以及汽車等行業(yè)，用于完成切割、焊接、打標(biāo)、打孔、雕刻、快速成形、清洗以及表面強(qiáng)化等任務(wù)[5]。在“中國制造2025”的背景下，文章旨在激光加工實(shí)訓(xùn)中為學(xué)生傳授激光加工技術(shù)理論知識，提升工程綜合素質(zhì)，訓(xùn)練創(chuàng)新思維，培養(yǎng)科研能力。

2 激光加工實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

激光實(shí)訓(xùn)課程主要圍繞激光產(chǎn)生原理、激光加工機(jī)理、激光去除材料過程的數(shù)值模擬、激光設(shè)備及其系統(tǒng)和激光加工模型設(shè)計(jì)及其繪圖等展開，使學(xué)生“知其然且知其所以然”，幫助學(xué)生構(gòu)建較完整的激光加工理論體系，同時提升工程綜合素質(zhì)、訓(xùn)練創(chuàng)新思維和培養(yǎng)科研能力。

2.1 激光和激光加工理論

激光產(chǎn)生原理和激光加工去除材料機(jī)理是了解和操作激光設(shè)備的前提。激光不同于普通光源，激光產(chǎn)生的必要條件是粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)和光學(xué)諧振器。當(dāng)輻射波作用于原子時，在原子內(nèi)部，光的受激吸收和受激輻射是同時存在的相反過程，哪個過程占據(jù)主體地位，將決定入射光是被放大還是被衰減。若受激輻射超過受激吸收，說明光的增益大于衰減，最終效果表現(xiàn)為光被放大。如果受激吸收占主體地位，將導(dǎo)致光被衰減。一般而言，物質(zhì)與外界處于能量平衡狀態(tài)即熱平衡狀態(tài)，粒子數(shù)不會發(fā)生反轉(zhuǎn)。僅當(dāng)外界給予物質(zhì)能量時，物質(zhì)將處于非平衡狀態(tài)，此時才有可能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激活介質(zhì)可使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即激光器的工作介質(zhì)。受激輻射的光在諧振腔產(chǎn)生振蕩且不斷發(fā)生雪崩式放大，能在極短時間內(nèi)從部分反射鏡中輸出強(qiáng)激光[6]。

激光加工是指激光與材料的相互作用，包含復(fù)雜的微觀量子過程，也包含激光作用于不同材料時所展現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象。激光輻射到材料表面會出現(xiàn)反射、折射、吸收、干涉、偏振、光電效應(yīng)以及氣體擊穿等現(xiàn)象，其中以反射、吸收和折射為主要特征。激光與材料作用的常見現(xiàn)象，如圖1所示。激光通過加熱、熔化和蒸發(fā)來去除材料，通常會伴隨劇烈的發(fā)光、發(fā)熱現(xiàn)象。

2.2 激光加工數(shù)值模擬

激光加工過程的數(shù)值模擬是詳細(xì)表征去除過程、分析去除機(jī)理、指導(dǎo)實(shí)際加工的有效方法。激光去除材料過程實(shí)質(zhì)是熱量轉(zhuǎn)移的過程。材料升溫相變，通常伴隨物理變化或化學(xué)變化，如熔化、蒸發(fā)以及燃燒等。通過數(shù)值模擬方式可以較好地理解激光加工材料的去除過程，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的解釋作用，同時可以為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。材料在激光作用下會發(fā)生固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的相互轉(zhuǎn)變，即整個加工過程是氣體、液體和固體的流體傳熱過程。激光加工的數(shù)值模擬需要考慮表面張力、反沖壓力、固液相間摩擦力、潛熱以及馬蘭戈尼力等因素，建立質(zhì)量、動量和能量守恒方程，并計(jì)算求解控制方程組[7]。采用COMSOL軟件中的水平集兩相流模塊和流體傳熱模塊進(jìn)行求解，合理設(shè)置邊界條件，由計(jì)算可得激光去除材料過程中的體積分?jǐn)?shù)相圖、溫度分布以及速度分布等。

高斯面熱源隨著入射深度增大，光強(qiáng)呈指數(shù)衰減。同時，考慮沿深度方向變化的光束半徑，則入射深度z處的光強(qiáng)q(r,z)可表示為[8]：

式中：P為連續(xù)脈沖激光的有效激光功率；α為材料對應(yīng)波長的吸收系數(shù)；k為熱集中系數(shù)，常取2和3；r為徑向位置；r0為基材表面聚焦光斑半徑；r(z)為聚焦高斯光束在近聚焦范圍內(nèi)的光束半徑；λ為激光波長；z為軸向位置；M為光束質(zhì)量因子，常取1。

此外，激光加工過程中往往需要同軸氣體射流輔助，且設(shè)置氣體射流對激光加工結(jié)果和質(zhì)量具有重要影響，如氣體類型、氣體壓力以及噴嘴直徑等。通過計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真分析氣體沖擊材料的過程，便于進(jìn)一步指導(dǎo)激光加工過程。

2.3 激光加工設(shè)備

根據(jù)激光行業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀，文章主要圍繞激光設(shè)備分類、工作原理、操作流程、維護(hù)、保養(yǎng)和故障處理等展開。激光加工設(shè)備屬于技術(shù)綜合度較高的產(chǎn)品，已廣泛用于各種新興產(chǎn)業(yè)、傳統(tǒng)制造業(yè)以及微電子行業(yè)等。目前，市場主要根據(jù)激光器工作的物理性質(zhì)和用途分類激光設(shè)備。按物理性質(zhì)的不同，激光設(shè)備通?？煞譃楣腆w激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、自由電子激光器、液體激光器以及化學(xué)激光器等。其中，用途最廣的激光設(shè)備主要是氣體激光器和固體激光器。氣體激光器以氣體或蒸汽作為工作介質(zhì)，常用的有CO2、氦、氖等氣體。固體激光器以晶體和玻璃作為工作介質(zhì)，常用的有摻釹釔鋁石榴石激光器、紅寶石晶體以及釹玻璃等。按功能用途，激光設(shè)備可分為激光切割機(jī)、激光焊接機(jī)、激光雕刻機(jī)、激光打標(biāo)機(jī)以及激光3D打印機(jī)等[9-10]。

激光器發(fā)射的激光經(jīng)光路系統(tǒng)最終聚焦到材料表面，并利用數(shù)控系統(tǒng)完成特定圖形的加工。激光雖然可以高效率加工材料，但存在一定的危險(xiǎn)性，如對人的眼睛、皮膚以及呼吸道容易造成損傷，因此需要按照操作安全規(guī)范實(shí)施個人防護(hù)。此外，相關(guān)人員需要了解設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)的基本流程和操作方法，并掌握常見故障的處理方法。

2.4 激光加工圖形繪制

學(xué)生通常利用軟件繪制設(shè)計(jì)的作品，常用軟件包括AutoCAD、CorelDRAW、LaserMaker和Adobe Photoshop等。通過加工作品方式講解常用軟件的基本操作和多軟件的協(xié)同運(yùn)用，完成整個作品的全部加工和裝配工作。學(xué)校實(shí)施構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作（Conceive Design Implement Operate，CDIO ）工程教育模式，通過作品設(shè)計(jì)過程提升學(xué)生的工程綜合素質(zhì)和訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維。

3 激光加工實(shí)訓(xùn)課程實(shí)踐與分析

學(xué)校根據(jù)激光加工實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)的激光和激光加工理論、激光加工數(shù)值模擬、激光加工設(shè)備和激光加工圖形繪制等內(nèi)容，可以幫助學(xué)生構(gòu)建較完整的激光加工理論體系，從而高質(zhì)量地完成激光加工實(shí)訓(xùn)課程。

圖2為激光加工碳纖維復(fù)合材料形貌圖。通過激光加工碳纖維復(fù)合材料現(xiàn)象和結(jié)果展示的方式，講解激光加工材料機(jī)理、激光熱作用、激光加工產(chǎn)生的熱損傷、激光的危險(xiǎn)性及個人防護(hù)等。圖2（a）為激光劃切碳纖維復(fù)合材料獲得的切槽，因激光能量的高斯分布而產(chǎn)生較大面積黑色區(qū)域即熱影響區(qū)；圖2（b）為切槽截面形貌，因復(fù)合材料每層導(dǎo)熱系數(shù)差異分布產(chǎn)生非“V”形的黑色熱影響區(qū)。圖3為數(shù)值模擬獲得的激光燒蝕等溫線和燒蝕形貌。圖3（a）等溫線能合理解釋圖2（b）中熱影響區(qū)非“V”形分布。圖3（b）則為仿真得到的燒蝕形貌。

圖4為利用軟件繪制的加工圖形。根據(jù)不同材料，設(shè)計(jì)人員在軟件中設(shè)置與之相對應(yīng)的激光參數(shù)。根據(jù)圖形顏色分別設(shè)置切割參數(shù)和雕刻參數(shù)，之后正確操作激光設(shè)備完成作品加工，其中由零部件構(gòu)成的作品需要進(jìn)行后期裝配。圖5和圖6分別為激光加工得到的作品。圖5是先設(shè)置激光功率等參數(shù)再通過雕刻功能和切割功能直接獲得的作品。圖6是在軟件中先合理設(shè)置所選材料的厚度再經(jīng)由裝配獲得的作品。

4 結(jié)語

文章探索并實(shí)踐了基于理論與實(shí)踐相結(jié)合的激光加工實(shí)訓(xùn)課程。學(xué)生學(xué)習(xí)激光和激光加工理論、激光加工數(shù)值模擬、激光加工設(shè)備以及激光加工圖形繪制等，同時了解激光行業(yè)情況、激光加工設(shè)備構(gòu)造及工作原理，掌握激光加工原理、激光加工流程和圖形繪制，有利于幫助學(xué)生構(gòu)建較完整的激光加工理論體系，對提升學(xué)生工程綜合素質(zhì)、訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維和培養(yǎng)學(xué)生科研能力具有重要作用。此外，激光加工實(shí)訓(xùn)課程的實(shí)踐有利于提高學(xué)生專業(yè)水平和實(shí)踐能力，從而更好地適應(yīng)新時代社會發(fā)展需求。