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激光加工技术的原理及应用


激光加工技术的原理及应用
班级:09 数控 2 姓名:张兆翔 学号:095305240





激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料 (包括金属与非金 属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术,涉及到光、 机、电、材料及检测等多门学科。由于激光加工热影响区域小,光束方向性

好, 几乎可以加工任何材料。常用来进行选择性加工,精密加工。由于激光加工的特 殊特点,其发展前景广阔,目前已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、 激光打标、切削加工,快速成形,激光钻孔和基板划片,半导体处理等。 关键词:原理 、应用﹑ 新技术 、精密加工 、

Abstract
laser processing technology is using laser beams of interaction with the material properties on materials (including metal and non-metallic) of the principle of cutting, welding, surface treatment, punch and micro processing of a kind of processing new technology, involving light, machine, electricity, materials and multi-discipline detection, etc. Due to the laser processing heat affected zone is small, beam direction, its can almost processing of any material. Commonly used to selectively processing, and precision machining. Because of the special characteristics of laser processing, its developing prospects, has been widely applied in the laser welding, laser cutting, surface modification, laser marking, machining, rapid prototyping, laser drilling and substrate HuaPian, semiconductor processing, etc 。 Keywords: Principle application processing new technology precision processing

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引言
激光是本世纪的重大发明之一,具有巨大的技术潜力。专家们认为,现在是 电子技术的全胜时期, 其主角是计算机, 下一代将是光技术时代, 其主角是激光。 激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点,特别适用于材料加工。激光加工 是激光应用最有发展前途的领域,国外已开发出 20 多种激光加工技术。激光的 空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自 由度都很大, 特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可 构成高效自动化加工设备,已成为企业实行适时生产的关键技术,为优质、高效 和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

正文
1﹑激光加工技术的原理及其特点
1.1 激光加工的起源 早期的激光加工由于功率较小,大多用于打小孔和微型焊接。到 20 世纪 70 年代,随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现,以及 对激光加工机理和工艺的深入研究,激光加工技术有了很大进展,使用范围随之 扩大。 数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理 等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现,并与光电跟踪、计算机数字控制、 工业机器人等技术相结合,大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。 1.2 激光加工的原理 激光加工是以激光为热源对工件进行热加工。 从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上, 其焦点处的功率密度高 达 107~1012 瓦/厘米 2,温度高达 1 万摄氏度以上,任何材料都会瞬时熔化、 气化。 激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工 的。通常用于加工的激光器主要是固体激光器(图 1)和气体激光器(图 2) 。使 用二氧化碳气体激光器切割时,一般在光束出口处装有喷嘴,用于喷吹氧、氮等 辅助气体,以提高切割速度和切口质量。由于激光加工是无接触式加工,工具不 会与工件的表面直接磨察产生阻力,所以激光加工的速度极快、加工对象受热影 响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调
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节,因此激光加工可应用到不同层面和范围上。

加工过程大体上可分为如下几个阶段: 1.激光束照射工件材料 (光的辐射能部分被反射, 部分被吸收并对材料加热, 部分因热传导而损失) ; 2.工件材料吸收光能; 3.光能转变成热能是工件材料无损加热(激光进入工件材料的深度极浅,所 以在焦点中央,表面温度迅速升高) ; 4.工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏; 5.作用结束与加工区冷凝。

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1.3 激光加工的特点 激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势: 1.由于它是无接触加工, 并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调,因 此可以实现多种加工的目的。 2.它可以对多种金属、非金属加工,特别是可以加工高硬度、高脆性、及高 熔点的材料。 3.激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于工件。 4.激光加工过程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,对 非激光照射部位没有影响或影响极小。因此,其热影响区小,工件热变形小,后 续加工量小。 5.它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 6.由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换,极易与数控系统配合,对 复杂工件进行加工,因此是一种极为灵活的加工方法。 7.使用激光加工,生产效率高,质量可靠,经济效益好。例如:1 美国通用 电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽, 不到 4H 即可高质量完成, 而原来采用电火花加工则需要 9H 以上。仅此一项,每台发动机的造价可省 5 万 美元。2 激光切割钢件工效可提高 8-20 倍,材料可节省 15-30%,大幅度降低了 生产成本,并且加工精度高,产品质量稳定可靠。

2 激光加工技术的应用
由于激光加工技术具有许多其他加工技术所无法比拟的优点,所以应用较 广。目前已成熟的激光加工技术包括:激光快速成形技术、激光焊接技术、激光 打孔技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、 激光划线技术、激光切割技术、激光热处理和表面处理技术等。 2.1 激光快速成形技术 激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM 技术和材料技术的最新成果, 根据零件的 CAD 模型,用激光束将光敏聚合材料逐层固化,精确堆积成样件,不 需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件,该技术已在航空航天、电 子、汽车等工业领域得到广泛应用。

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2.2 激光焊接技术 激光焊接强度高、热变形小、密封性好,可以焊接尺寸和性质悬殊,以及熔 点很高(如陶瓷)和易氧化的材料。 激光焊接的心脏起搏器, 其密封性好、 寿命长, 而且体积小。激光热处理用激光照射材料,选择适当的波长和控制照射时间、功 率密度,可使材料表面熔化和再结晶,达到淬火或退火的目的。激光热处理的优 点是可以控制热处理的深度,可以选择和控制热处理部位,工件变形小,可处理 形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如,气缸活塞经激 光热处理后可延长寿命;用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。

2.3 激光打标技术 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。 激光打标是利用高能量密度 的激光对工件进行局部照射, 使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应,从而 留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等, 字符大小可以从毫米量到微米量级,这对产品的防伪有特殊的意义。准分子激光 打标是近年来发展起来的一项新技术, 特别适用于金属打标, 可实现亚微米打标, 已广泛用于微电子工业和生物工程。 2.4 激光打孔技术 激光打孔采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为 0.1~1 毫秒,特别适于打 微孔和异形孔,孔径约为 0.005~1 毫米。 激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石 轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。

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2.5 激光去重平衡技术 激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分, 使惯性 轴与旋转轴重合, 以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大 功能,可同时进行不平衡的测量和校正,效率大大提高,在陀螺制造领域有广阔 的应用前景。对于高精度转子,激光去动平衡可成倍提高平衡精度,其质量偏心 值的平衡精度可达 1%或千分之几微米。 2.6 激光蚀刻技术 激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本,可 加工 0.125~1 微米宽的线,非常适合于超大规模集成电路的制造。用激光可对 流水线上的工件刻字或打标记, 并不影响流水线的速度,刻划出的字符可永久保 持。

2.7 激光微调技术 激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调,精度可达 0.01%~0.002%, 比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻(0.01~0.6
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微米厚)与厚膜电阻(20~50 微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微 调。 2.8 激光划线技术 激光划线技术是生产集成电路的关键技术,其划线细、精度高(线宽为 15~ 25 微米, 槽深为 5~200 微米), 加工速度快(可达 200 毫米/秒), 成品率可达 99.5% 以上。 2.9 激光切割技术 在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续 CO2 激光器对大工 件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。 对小工件的切 割,常用中、小功率固体激光器或 CO2 激光器。在微电子学中,常用激光切划硅 片或切窄缝,速度快、热影响区小。

2.10 激光热、表处理技术(激光相变硬化、激光淬火) 激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法, 它可以对金属实现相变硬化(或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹 火)、表面合金化等表面改性处理,产生用其大表面淬火达不到的表面成 分、组织、性能的改变。经激光处理后,铸铁表面硬度可以达到 HRC60 度 以上, 中碳及高碳的碳钢, 表面硬度可达 HRC70 度以上,从而提高起抗磨性, 抗疲劳,耐腐蚀,抗氧化等性能,延长其使用寿命。

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激光热处理技术与其它热处理如高频淬火 ,渗碳,渗氮等传统工艺相比, 具有以下特点: 1.无需使用外加材料,仅改变被处理材料表面的组织结构.处理后的改 性层具有足够的厚度,可根据需要调整深浅一般可达 0.1-0.8mm。 2.处理层和基体结合强度高.激光表面处理的改性层和基体材料之间 是致密的冶金结合,而且处理层表面是致密的冶金组织,具有较高的硬度和 耐磨性。 3.被处理件变形极小,由于激光功率密度高,与零件的作用时间很短 (10-2-10 秒),故零件的热变形区和整体变化都很小。故适合于高精度零 件处理,作为材料和零件的最后处理工序。 4.加工柔性好,适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处 理部分,从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等,可进行选择性的 局部处理。 2.11 激光强化处理技术 激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过 程, 在金属材料激光表面强化中,当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料 的表面相变强化, 当激光束能连密度处于高端时,工件表面光斑出相当与一个移 动的坩埚,可完成一系列的 冶金过程,包括表面重熔、表层增碳、表层合金化 和表层熔覆。 这些功能在实际应用中引发的材料替代技术,将给制造业带来巨大 的经济效益。 而在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理, 熔化处理是金属材料表面在激 光束照射下成为溶化状态,同时迅速凝固,产生新的表面层。根据材料表面组织 变化情况,可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。 2.12 激光熔凝技术 激光熔凝是用适当的参数的激光辐照材料表面,使其表面快速熔融、快速冷 凝,获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。它具有以下优点:
1.表面熔化时一般不添加任何金属元素,熔凝层与材料基体形成冶金结合。 2.在激光熔凝过程中,可以排除杂质和气体,同时急冷重结晶获得的杂志有

较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

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3.其熔层薄、热作用区小,对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。有时可不再

进行后续磨光而直接使用。
4.提高溶质原子在基体中固溶度极限,晶粒及第二相质点超细化,形成亚稳

相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态, 从而使生成的新型合金获得传统方 法得不到的优良性能。 2.13 激光微细加工技术 微细加工选择适当波长的激光, 通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系 统,获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的“光 刀”特性,进行高密微痕的刻制、高密信息的直写;也可利用其光阱的“力”效 应,进行微小透明球状物的夹持操作。 例如:高精密光栅的刻制;通过 CAD/CAM 软件进行仿真图案(或文字)和控 制,实现高保真打标;利用光阱的“束缚力” ,对生物细胞执行移动操作(生物 光镊) 。

结论
激光加工虽属于较为前沿的技术,但经过几十年的发展,已广泛应用于很多 领域。由于激光加工基本可实现零误差,在精密加工上有着无可替代的地位。在 将来的某一天,激光加工定会融入到生活应用的方方面面。

参考文献:
[1]·张永康,激光加工技术。化学工业出版社,2004 年 9 月 [2]·李海燕﹑刘世平,特种加工实训。科学出版社,2009 年 8 月 [3]·王爱玲,数控机床结构及应用。机械工业出版社,2011 年 1 月 [4]·刘晋春﹑白基成、郭永丰,特种加工。机械工业出版社,2008 年 5 月

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