现代制造理论及技术

《现代制造理论及技术》论文
——激光加工技术研究
机械工程学院
机械茅以升082
崔迪
0804010616
激光加工技术研究
机械工程学院机械茅082 崔迪0804010616
摘要：激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。

用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。

激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。

关键词：加工原理、发展前景、强化处理、微细加工、发展前景。

Abstract: Laser processing refers to the use of a laser beam projected onto the surface of the material produced by thermal effect to complete the process, including laser welding, laser cutting, surface modification, laser marking, laser drilling and micro-processing. Using a laser beam on a variety of materials processing, such as drilling, cutting, dicing, welding, heat treatment and so on. Laser can adapt to any material manufacturing, especially in some of the special requirements of precision and, in particular, special occasions and material manufacturing plays an irreplaceable role
Key words:processing principle, the prospects for the development and strengthening treatment, micro-machining
序言
激光英文全名為Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)。

于1960年面世，是一種因刺激產生輻射而強化的光。

科學家在電管中以光或電流的能量來撞擊某些晶體或原子易受
激發的物質，使其原子的電子達到受激發的高能量狀態，當這些電子要回復到平靜的低能量狀態時，原子就會射出光子，以放出多余的能量；而接著，這些被放出的光子又會撞擊其它原子，激發更多的原子產生光子，引發一連串的「連鎖反應」，并且都朝同一個方前進，形成強烈而且集中朝向某個方向的光；因此強的激光甚至可用作切割鋼板！激光幾乎是一種單色光波，頻率范圍極窄，又可在一個狹小的方向內集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進行
打孔。

以紅寶石激光器為例，它輸出脈沖的總能量不夠煮熟一個雞蛋，但卻能在3毫米的鋼板上鉆出一個小孔。

激光擁有上述特性，并不是因為它有與別不同的光能，而是它的功率密度十分高，這就是激光被廣泛應用的原因。

回顾20世纪对人类社会产生重大影响的科技发明，激光器的诞生无疑是一个极为耀眼的亮点，激光以其无与伦比的技术优势正继微电子技术之后，推动人类科学技术进入新的发展阶段。

发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信息技术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，如美国的“激光核聚变计划”，德国的“激光2001行动计划”，英国实施“阿维尔计划”，日本启动“激光研究五年计划”等。

这些项目的实施，有效推动了全球激光产业进入高速发展阶段。

而在我国，自1961年中科院长春光学精密机械研究所研制出我国第一台红宝石激光器至今，我国激光技术的发展已有四十余年的历史。

经过四十年的艰苦发展，激光产品已在国内占据了较大的市场份额，在产品质量、性能等方面初步具备了与国外大公司竞争的实力。

尤为可喜的是，在现代经济向全球化发展的大趋势下，国内一部分激光厂商充分认识到，在全球化的大风暴之下，特别是在中国加入WTO后，中国激光产业不能只固守自己的市场，而应该放眼全球，参与全球的竞争，向经济全球化与贸易自由化主流迈出关键一步。

1998年，武汉楚天激光集团成功地与全球最大医疗激光仪器制造商——以色列ESC/SharPlan公司合作，成立了夏普兰楚天医疗激光制造有限公司，现已发展成为国内最大的激光医疗和美容设备制造商；华工激光走出国门，成功收购了澳大利亚切割系统公司，直接进入国际市场，具备雄厚实力的中国激光企业已经迈出了自己全球化的步伐。

所以，无论从国际形势还是从国内形势我们都可以看到：激光的发展很有可能会引发新的一场技术革命，特别是在材料加工行业，它将掀起一次很大的风暴，值得我们期待！
（一）激光加工技术产生的背景
在材料加工业中，切削加工是基本而又常用的精密加工手段，在机械、电机、电子等各种产业部分中都起着重要的作用，决定切削加工效率的因素很多如机床、刀具、工件等，其中刀具是最活跃的因素。

而刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面质量的优劣等等，在很大程度上取决于刀具材料的机械性能和加工性能，因此人们不断地研究开发新的刀具材料。

但新材料的开发速度常常与现代切削加工生产要求存在一定的差距，如在高速切削300～1000m/min切削钢、90～200m/min切削钛合金等要达到这样高的切削速度，就要发展具有更加优异的高温力学性能、高化学稳定性和热稳定性及高温热抗振性的刀具
材料，加速刀具材料的研究与开发，合理选用刀具材料是推动高速切削技术广泛应用
的重要前提。

而激光对物体材料表面的强化处理就可以解决刀具材料选择这一问题，下面我就将对这种技术从各方面做一简要的
介绍。

（二）激光表面强化技术
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。

激光表面强化包括金属表面淬火、表面合金化、表面涂复三个方面，激光表面强化是利用大功率CO2激光器产生的激光束作热源，用激光来辐射待强化的金属表面。

通过激光淬火、激光熔融改变合金表面成分，激光熔敷难熔金属或陶瓷，以大幅度改变金属表面的机械性能、化学性能、耐热抗氧化性能，该技术效率高、适应性强、淬火硬度比一般热处理高5—10HRC，同时节材、节电，不变形，无公害。

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。

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。

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。

5.光束可以通过光路导向，因而可以处理零件特殊位置和形状复杂的表面。

激光堆焊是继激光熔覆技术上发展起来的一项新的激光加工技术，借鉴传统的堆焊技术优点，用大功率激光为加热源，对同步送入的合金焊丝与基体表层同时快速熔化，得到和基体完全冶金结合的并具有特殊性能（耐磨、耐蚀、耐热等）的表层，形成复合层，用于制造双金属刀具。

而激光合金化则是在基体的表面熔融层内加入合金元素，从而形成以基材为基础的新的合金层，达到表面改性，刃口强韧化的目的。

民用刀具使用量大面广，有：厨刀、剪刀、剃须刀、粉碎刀等，目前刀具失效原因主要在刀刃，如刃口磨损、崩刃、腐蚀等，为了达到经久耐用的目的，一般制造工艺方法是：1、采用整体高性能合金材料，如高速钢等；2、采用复合钢，如复合钢板刀剪等；3、刃口镶焊硬质合金材料，如硬质合金、陶瓷、高速钢等。

前两种方法原材料要求较高，制造成本较高；而后者由于镶焊往往为材料硬脆性材料，给制造工艺带来困难，如硬质合金与基体的镶焊强度、硬质合金镶焊长度有限等，使用寿命受到影响。

综合激光技术的优点及以被广泛应用的技术的缺点，把激光技术应用于刀具材料表面强化处理，将是提高刀具耐磨性及其使用寿命的重要途径之一，尤其对于陶瓷、硬质合金刀具这种高硬度、耐热性好等优点，有利于提高加工效率和加工精度，并能对难加工材料如淬火钢在不利的加工条件下进行切削加工。

由于它们强度相对较低，韧性较差，严重地限制了它们的应用范围，因此把激光表面强化技术应用于陶瓷、硬质合金刀具具有深刻的研究意义和广阔的应用前景。

目前，国内外提高刀具抗磨损的方法主要分为两类：一种是常规的表面处理法，如采用非常规的表面淬火方法、激光熔覆的方法（覆层的合金粉多为Ni、Co基自熔合金或添加粗颗粒的碳化钨或者采用激光厚层
熔覆，这类方法比较适用于磨粒磨损很高的工况，例如，矿山、石油、农机等采掘工具）等，其存在的缺点就是易产生裂纹等缺陷。

另一种是最近发展起来的涂层刀具，此类方法的缺点就是沉积涂层较薄。

这两种方法都有其不同程度的缺点。

前者是通过材料本身发生的显微组织转变来提高硬度及耐磨性，因而只对碳钢有效，而对硬质合金、高速钢材料的刀具材料而言则效果不明显，采用后者不仅涂层较薄，涂层沉积时间较长，而且实际使用中常常发生剥落现象。

可见激光强化处理技术它的优势是无法估量的，它会给加工业注入新的活力。

以下为激光表面强化技术在刀具材料
改性中的应用实例。

1、家用厨刀激光熔覆表面改性
采用激光涂层在常用的不锈钢厨刀刃
口进行薄层快速熔覆，得到涂覆层均匀、高耐磨的刀具刃口，代替传统的刀具生产工艺，改造其产业提高刀具（厨刀）产品的内在质量和附加值。

通过对涂层材料的配比、激光涂层性能等方面的分析研究，开发出与“懒汉刀”同等水平的厨刀并将其实用化。

通过优化工艺采用预置式合金粉末得到了
无裂纹、一定硬度涂层的厚度、变形小、回火带窄的刃口。

可以看出，熔覆层均匀覆盖在刀刃上。

2、激光熔渗纳米改性强化刀具
激光熔渗是一种结合激光熔覆工艺和
激光合金化工艺的表面改性的方法。

将其运用到园林刀具生产过程中，可以对不同类型的刀具进行激光表面改性强化。

纳米材料较之微米级材料具有更好的力学性能，涂覆于基体表面的纳米合金粉在高密度的激光束
作用下快速熔凝，以部分纳米硬质合金颗粒渗入到基体材料中，起到了微合金化作用，而刀具表面又可以获得纳米晶的覆层，因而
不仅提高了强韧性及耐磨而且还加深了刀具刃口的硬度层深，延长了刀具的使用寿命。

所以，激光强化技术在刀具材料改性应用潜力将是巨大的。

目前国内外对工程陶瓷与硬质合金材料的研究有一定的进展，另一方面激光对刀具进行表面强化处理属当前机械加工领域的前沿，用强激光束对代替某些热处理是一种有效的方法，结合当前纳米技术的发展，在这三个方向的基础上找到它们的结合点，参照同类近似的研究方法，对陶瓷、硬质合金的激光强化机理及技术进行研究，提出了在以后研究工作中将通过对高耐磨/耐蚀/耐热纳米硬质粉材（陶瓷、复合材料等）的研制及配比、激光纳米强化层性能、激光厚层堆焊工艺与硬质合金材料等方面的分析研究，针对不同刀具采用相应的工艺，利用普通的刀具材料开发出提高刀具刃口强韧性、耐磨性及使用寿命的新产品，获得对各种刀具类材料激光堆焊复合、纳米合金熔渗及产品化实用化的总体工艺技术，使其能满足实际生产的复杂要求，尤其是克服陶瓷刀具材料脆性大、可靠性低等缺点，为改进硬质合金和陶瓷材料增添了一条有效的途径。

相信激光合金化表面强化技术在刀具材料改性中具有广泛的应用范围和广阔的应用前景。

（三）激光细微加工技术
而激光微细加工技术作为一种刚发展起来的先进技术，它在将来的材料加工业中的作用难以估量。

这一点可以从这里看到：激光微细加工的一个主要优点是其固有的加工灵活性，这为各种微细结构的加工生产提供了极大的可能性。

例如，在显示器件加工应用中，可用准分子激光器微细加工系统执行如下加工：
.加工透明导电氧化物（例如铟锡氧化物（ＩＴＯ））电极图案或其他图案；
.在聚合物中加工薄层结构和加工制造发光二极管（ＬＥＤ）器件；
.钻通互连器件，为多层结构系统钻通孔；
.加工诸如光学组件使用的微透镜之类的微细结构。

而这是精密机械加工方法所不能实现的。

同时，激光微细加工在微电子产业中的应用也给微电子产业带来了很大的变革，如其在一些复杂电路的铺设上就优于现在以有的技术。

而它还在光学材料的制造等很多方面起到了重要作用。

作为新生事物它潜在的应用市场是现在很难预计的，不过我们应该相信它会和现在已经得到广泛应用的激光技术一样在不久的将来得到广泛应用，会在未来的材料加工业中占有一席之地。

但是，不止是这两种技术，其他的激光加工技术也给材料加工业带来了巨大的变革。

总之，激光在材料加工领域的应用将会带来一场加工业的革命。

然而，我们看到激光加工技术的应用的同时也要看到其未来的发展趋势。

（四）激光加工技术的发展前景
由于激光其性能特征，其未来的有激光手术、激光武器、和激光能源等。

取其一而说之：
激光能源：
激光可應用于核能發電上。

世界上現在建成的核發電站使用的核燃料是鈾，使用氚核燃料的研究尚未成功。

從研究所得，氚核燃料比鈾核燃料更加耐燒， 1公斤氚核燃料燃燒產生的能量比鈾核燃料高3倍多。

更有吸引力的是氚核燃料在地球上的貯量大。

1公斤海水中含有0.03克氚，地球上的海洋中就裝有1021 公斤海水;或者說，地球的海洋中就貯藏有1017 公斤氚，把它開發出來做燃料，就相當于給我們提供了10萬億億(1017) 噸煤，足夠人類用上幾億年，既然氚核燃料這么好.為甚么現在還不用? 問題就在于把它點火燃燒不是一件容易做到的事。

劃一根火柴燃燒的溫度就可以把紙片，汽油點著火，要讓這種核燃料著
火，則需要億度的高溫。

激光是目前較有可能達到這個點火溫度的技術。

环顾激光加工技术的应用及其发展趋势而言，激光加工技术无疑是现代加工技术的前沿技术，在工业生产加工方面将引入一个超精密的阶段。