激光加工技术及其应用.doc

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1、激光加工技术及其应用名目激光加工技术及其应用11、激光加工技术21.1 激光加工技术的分类21.2 激光加工技术的进展31.2.1 激光加工技术的标志性成果31.2.2 激光加工产业的进展状况52、激光加工技术之激光切割62.1 激光切割的机理与分类62.2 影响激光切割质量的因素72.2.1 光束质量对激光切割质量的影响72.2.2 切割工艺对激光切割质量的影响82.3 激光切割外表质量的评判依据81 / 8激光作为二十世纪最宏大的科学制造之一，经过五十年的进展已被人们广泛地争辩和生疏，并为现代科学技术的进步起到了巨大的推动作用。时至今日，激光应用技术已成为从多领域中不行替代的关键技术，其中

2、激光加工技术是最具代表性、用途最广的激光应用技术，激光加工设备也被誉为材料加工领域的万能工具。随着激光技术的不断进展，如今已有几十种激光器在工业加工、科学争辩、军事、医疗、通讯、环境探测及其航空航天等领域得到应用，激光也成为应用最广泛的现代高技术之一。1、激光加工技术1.1 激光加工技术的分类已较为成熟的激光加工技术主要有激光切割技术、激光打标技术、激光打孔技术、激光雕刻技术、激光焊接技术、激光外表强化技术、激光调阻技术、激光刻线技术、激光直写技术、激光快速成型技术、激光清洗技术、激光去重平衡技术、激光微细加工技术以及激光修复技术等。下面对以上激光加工技术特点做一简洁的介绍。1、 激光切割激光

3、切割是应用激光聚焦后所产生的高功率密度能量实现的，与传统的材料加工方法相比，激光切割具有更高的切割质量、更高的切割速度、更好的柔性和广泛的材料适应性等优点。例如，可以利用激光对高硬度、高脆性、高熔点的金属材料进展外形简单的三维立体零件切割，这也正是激光切割的优势所在。2、 激光打标激光打标是指利用高能量密度激光对工件进展局部照耀，使材料表层发生气化或变色的化学反响，从而留下永久性标记的一种方法。例如，利用紫外的短波段激光束，可以实现更为精细的亚微米级尺度的打标，并广泛用于微电子行业和生物工程。3、 激光打孔激光打孔是得到实际应用最早的一项激光加工技术，它具有精度高、适应性强、效率高、本钱低和经

4、济效益显著等优点，现已成为诸多制造领域的关键技术。4、 激光焊接激光焊接技术是激光加工技术的重要领域，已成为金属焊接的重要手段并得到广泛的应用。其优点是焊接速度快、变形小、深度大，可以在温室或特别的条件下进展焊接，设备操控性好，无污染。5、 激光外表强化激光外表强化又被细分为激光淬火技术、激光熔覆技术、激光外表重熔技术以及激光外表冲击强化技术，这些技术已成为改善和提高金属材料外表性能的重要技术途径。6、 激光调阻技术激光调阻技术利用激光对特定电阻的阻值进展自动的周密微调，其加工精度达 0.01%0.002%，与传统的加工方法相比，加工精度与效率均有大幅的提高， 使电阻器件生产的本钱明显降低。1

5、.2 激光加工技术的进展1.2.1 激光加工技术的标志性成果依据准则：其应用为工业激光加工带来了的突破，并形成了有影响的产业和市场，同时由于相关激光设备的开发衍生了产品的制造技术。总结了近五十年来激光加工技术进展中最具代表性和具有重要意义的成果，如下。1 钣金切割如图 1.1 所示，钣金切割系统初次安装之后，全球范围安装了超过 75000 台， 估量总价值超过 450 亿美元。激光钣金切割是目前为止应用最广的高功率工业激光加工技术。图 1.1一家加工车间用激光切割不锈钢（2） 涡轮叶片钻孔如图 1.2 所示，红宝石激光顶峰值功率输出，是一种完善的微孔加工方法， 它唯一的缺点是脉冲重复频率较低，

6、因而加工效率低。图 1.2红宝石激光为涡轮叶片打孔（3） 拼焊板的激光焊接如图 1.3 所示，激光拼焊用来设计和生产更轻、更节能的交通工具，奉献巨大。其将不同种类、厚度的钢材接合起来力量使得设计师能够极大地提升车身设计；在最大限度削减标准件数量的状况下，仍能满足严格的安全标准。图 1.3激光焊接镀锌汽车底盘（4） 心血管支架切割如图 1.4 所示，Lumonics 公司生产的低束散角 Nd:YAG 激光器成功地应用与支架的切割。图 1.4激光切割不锈钢管状支架的放大图1.2.2 激光加工产业的进展状况（1） 国外工业激光现状国外以美、德、日为代表的几个兴旺国家在激光加工产业领域的进展速度惊人，

7、它们在主要的大型制造产业，如汽车、电子、机械、航空与钢铁等行业中根本完成了用激光加工工艺对传统工艺的更换代，进入光制造时代。国外工业激光的进展趋势表达在以下几个方面。1、 鲜亮的产品差异化特色，核心竞争力明显。2、 的应用领域不断拓展延长。3、 产业链专业分工越来越来细。4、 传统激光器向高功率进展，型激光器不断涌现。（2） 国内工业激光现状。我国激光技术争辩几乎和国外同时起步，形成了以中科院四大光机所和华中科技大学为典型代表的争辩机构，在激光器的从多核心技术研发上已取得较全面的技术成果。国内工业激光的进展趋势表达在以下几个方面。1、 通过上市融资，龙头企业正在形成。2、 走国际合作道路和引进

8、高层次人才，核心竞争力正在形成。3、 国民经济支柱行业正在加大使用激光制造设备的力度。4、 中国激光产业链正在形成。5、 一代工业激光器正在受到激光企业的重视。（3） 激光加工技术的争辩热点将第六界 ICALEO 激光宏观材料加工会议的 860 篇报告论文按 15 大领域分类，得到历年国际激光宏观加工争辩分布如图 1.5 所示。图 1.4ICALEO20222022 六届国际会议激光材料加工报告论文分布（4） 激光加工技术的进展趋势激光加工技术包括激光加工设备和加工工艺。从近几年的进展趋势来看，主要表达在以下几个方面。1、 光纤激光异军突起引领将来。2、 超短脉冲激光催生微细加工技术蓬勃进展。

9、3、 长寿命、全固态激光前景宽阔。4、 激光设备的自动化，小型化和多功能。5、 复合激光加工技术。2、激光加工技术之激光切割2.1 激光切割的机理与分类激光切割属于非接触加工。在激光切割过程中，激光器以连续或脉冲的方式工作，激光束通过导光系统进入切割头，经位于切割头中的透镜聚焦于工件外表四周，焦斑处到达很高的功率密度，被辐射处的工件材料快速熔化、气化或到达燃点，形成孔洞，随着切割头与工件的相对运动，形成切口，同时借助于激光束同轴的关心气流将熔化或气化的材料吹除，如图 2.1 所示。图 4.1激光切割过程示意图按切割材料和切割参数的不同，激光切割主要分为四种方式。（1） 气化切割：在高功率密度激

10、光束照耀下，材料被加热快速上升至气化温度而无明显熔化，使得局部材料以蒸汽的形式和接近音速的速度从工件外表逸出， 在工件外表形成小孔，另一局部材料则借助高压关心气体以喷射的方式从切口底 部吹走。气化切割主要承受脉冲激光。（2） 熔化切割：当激光的功率密度较低时，被激光照耀处的材料首先熔化， 在高纯氮气或其他惰性气体流的作用下，熔融的材料由切口底部排出。其主要用于不能与氧气发生热反响的材料，如铝等。（3） 氧化助熔切割：其实质就是承受氧气或其他活性气体作为关心气体的熔化切割。（4） 把握断裂切割：对于某些易受热破坏的脆性材料，当被激光照耀时，其激光辐照区域会由于产生较大的热梯度和严峻的机械变形，而

11、至使材料形成裂纹， 如能够在把握下保持均衡的加热梯度，就可利用激光束引导裂纹在任何需要的方 向产生和进展。此方法的特点是切割速度快，且不需要太高的激光功率。2.2 影响激光切割质量的因素影响激光切割质量主要包括三方面：切割工件的材料特性、激光光束质量和切割工艺。2.2.1 光束质量对激光切割质量的影响（1） 光束模式的影响光束模式相当于机械切割刀具的锋利度，直接与光束的聚焦力量有关，它打算了聚焦光斑的能量分布状态。光束模式阶次越低， 聚光后的光板尺寸越小，功率密度越大，得到的切口越精细，切割效率和切割质量也越高。（2） 束散角的影响束散角过小，难以聚焦到更小的光斑，激光功率密度也更小，难以实现

12、高周密的加工。必需对其进展变换，以降低其束散角。（3） 光束偏振性在激光切割中，切割方向随时可能发生变化，假设承受的激光为线偏振光，那么切割方向相对于激光束偏振方向的转变就会导致切割前沿对激光的吸取率发生变化，从而影响激光切割的质量。2.2.2 切割工艺对激光切割质量的影响切割工艺自激光切割技术进入应用阶段以来，始终是人们关注和争辩的技术内容，也是激光加工技术中最重要的局部，随着激光器件和设备的不断更，工艺技术也在不断进步。现对激光切割中承受的通用工艺进展简要的介绍。（1） 切割头包括聚焦透镜和喷嘴1、激光束经透镜聚焦后的焦点光斑直径与透镜焦距成正比，因此经短焦距切割头会聚后的激光光斑尺寸小，

13、 焦点处功率密度高，有利于降低切口宽度和减小热影响区，得到的切口质量比较好。2、合理的喷嘴直径有利于激光束准直，且在最正确的喷嘴直径范围内， 可以获得较快的切割速度。（2） 焦点位置激光切割的速度在很大的程度上依靠作用于材料外表的激光功率密度，所以确定和保持焦点和工件的相对位置恒定对保证切割质量至关重要。另外，影响激光切割质量的工艺因素还有喷嘴高度、激光的脉冲模式、激光功率、切割速度、关心气体、切割路径的程序设计等，此处不一一详叙。2.3 激光切割外表质量的评判依据尽管激光切割已成为激光加工技术中应用最为广泛的技术，但激光切割外表质量的评价还没形成统一的国家标准和行业标准。对于激光切割外表质量的评判常通过以下指标：1 挂渣；2 过烧；3 脆性断裂；碳化；5 热影响区厚度；6 切口宽度和锥度；7 切割面粗糙度。