激光加工的应用和发展趋势

课程：特种加工基础实训教程

题目：激光加工技术应用和发展趋势院系：工学院机械系

专业：机械设计制造及其自动化

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摘要 (2)

１引言 (2)

２激光的特点 (2)

2.1 定向发光 (2)

2.2 亮度极高 (2)

2.3 颜色极纯 (3)

3 激光加工技术的主要应用 (3)

3.1激光打孔 (4)

3.2激光快速成型 (4)

3.3激光打标 (4)

3.4激光切割 (5)

3.5激光焊接 (5)

3.6激光热处理 (6)

4 激光加工的发展趋势 (6)

4.1数控化和多功能化 (6)

4.2高频度和高可靠性 (7)

4.3小型化和集成化 (7)

5 结语 (7)

参考文献 (7)

激光加工的应用和发展趋势

摘要：激光加工在现代产业中展示了强大的优势和发展潜力，成为21世纪的主导技术。本文主要介绍激光加工技术的应用现状和未来的发展趋势。

关键词：激光激光技术激光加工应用与发展趋势

1. 引言

激光是20世纪人类最伟大的发明之一，现在已广泛应用于工业、军事、科学研究与日常生活中。激光具有四大特性:高的单色性、方向性、相干性和亮度性。应用激光固有的四大特性，将具有高能量密度的，能被聚焦到微小空间的激光用于加工的方法叫激光加工。激光加工技术是一项集光、机电、材料及检测于一体的先进技术。激光加工主要涉及：激光焊接、激光切割、激光打标、激光雕刻等．现在一般的激光加工都采用了多项先进技术,多功能集成度高、实用性强、自动化程度高、操作简单、结果直观，而且加工过程中可实现动态同步跟踪显示，具有程序错误自动诊断、限位保护等功能。

2. 激光的特点

2.1 定向发光

普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。

2.2 亮度极高

在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。

2.3 颜色极纯

光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氪灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。

3. 激光加工技术的主要应用

激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出多种激光加工技术。激光加工有以下特点：1）激光加工属无接触加工，激光加工是通过激光光束进行加工，与被加工工件不直接接触，降低了机械加工惯性和机械变形，方便了加工。同时，还可加工常规机械加工不能或很难实现的加工工艺，如内雕、集成电路打微孔、硅片的刻划等。2）加工质量好，加工精度高,加工效率高，由于激光能量密度高可瞬时完成加工，与传统机械加工相比，工件热变形小、无机械变形，使得加工质量显著提高；激光可通过光学聚焦镜聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，加工效率高，激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍；激光打孔特别是微孔可比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍；激光焊接比常规焊接提高效率几十倍；激光调阻可提高效率上千倍，且精度亦显著提高。3）材料利用率高、经济效益高，激光加工与其他加工技术相比可节省材料10～30‰可直接节省材料成本费，且激光加工设备操作维护成本低，对加工费用降低提供了先决条件。激光加工具有优越的加工性能，使得激光加工技术得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。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，已经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。目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术等。本文简单介绍几种常见激光加工技术。

3.1 激光打孔

激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成木低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一,激光打孔在微细孔加工中的应用，解决了一些传统机械加工不能解决的难题，为微孔加工提供了先进的加工手段[8]。目前，工业发达国家已将激光深微孔技术大规模地应用到航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉扮模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、吃机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中激光打孔的有点：1）激光打孔速度快，效率高，经济效益好；2)激光打孔可获得大的深径比；3)激光打孔可在硬、脆，软等各类材料上进行； 4)激光打孔无工具损耗；5)激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔；6)激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。另外，由于激光打孔过程与工件不接触，因此加工出来的工件清洁，没污染。因为这种打孔是一种蒸发型的、非接触的加工过程，它消除了常规热丝穿孔和机械穿孔带来的残渣，因而十分卫生。而且激光加工时间短，对被加工的材料氧化、变形、热影响区域均较小，不需要特殊保护。激光不仅能对置于空气中的工件打孔，而且也能对置于真空中或其它条件下的工件进行打孔。目前，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展。

3.2 激光快速成型

传统的工业成型技术大部分是遵循“去除法”的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。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，根据计算机设计出的零件的模型立体图，直接制造出模型，它制造模型的办法是在一层接一层的基础上不断添加材料。激光快速成型法有，液态光敏聚合物选择性固化、薄型材料选择性切割、扮状材料选择性熔复、粉末材料选择性烧结。激光快速成型技术在模具制造中的应用最为广泛，可以用快速成型件直接用作模具；用快速成型件作母模，翻制软模具；用快速成件翻制硬模具。用快速成技术制作模具，既避开了复杂的机械切削加工，又可以保证模具的精度，还可以大大缩知制模时间、节省制模费用，对于形状复杂的精度模具，其优点尤为突出。该技术已在航空航天、电子、汽车、家电等工业领域得到广泛应用。但是，目前还存在着模具寿命相对较知的缺点，即使是金属面、硬背衬模具，其使用寿命也不及真止的金属模，所以快速成模具较适合于单件小批量生产。

3.3 激光打标

激光标记机的市场是近几年发展最快的一项应用技术。激光标记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应，从而留下永久