激光束加工技术

激光束加工技术摘要：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。

一．激光加工的原理及其特点1.激光加工的原理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）的原理进行切割、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，其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，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。

激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。

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节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。

目前，公认的激光加工原理是两种：分别为激光热加工和光化学加工(又称冷加工)。

激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把物料熔解蒸发。

热加工具有较高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象光化学加工指当激光束加于物体时，高密度能量光子引发或控制光化学反应的加工过程.冷加工具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。

这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生“热损伤”副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用2.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。

虽然激光加工拥有许多优点，但不足之处也是很明显的。

二．激光技术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。

激光加工有许多优点：①激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光加工；②激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；③工件不受应力，不易污染；④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；⑤激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工；⑥激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度；⑦在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。

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。

激光切割、划片与刻字在造船、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。

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。

激光微调采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数（如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。

激光微调精度高、速度快，适于大规模生产。

利用类似原理可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节。

激光焊接激光焊接强度高、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。

强化处理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。

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。

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。

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（l）微细机械加工工艺凸形（外）表面的微细切削大多采用单晶金刚石车刀或铣刀。

刀尖半径约为100μm。

单晶金刚石立铣刀的刀头形状，当刀具回转时，金刚石刀片形成一个45°圆锥的切削面。

凹形（内）表面的微细切削时，最小的可加工尺寸受刀具尺寸的限制，如钻孔用麻花钻可加工小至50μm的孔，更小的孔则无麻花钻商品，可采用扁钻。

微细加工中俯—个关键问题是刀具安装后的姿态及其与主轴轴线的同轴度是否与坐标系一致，否则很难保证微小的切除量。

为此可在同一台机床上制作刀具后进行加工，使刀具的制作和微细加工采用同一工作条件，避免装夹的误差。

如果在机床上采用线放电磨削制作铣刀，可以用它铣出50μm宽的槽。

（2）微细电加工工艺微型轴和异形截面杆的加工可采用线放电磨削法（WEDG）加工。

它的独特的放电回路使放能仅为一般电火花加工的1/100。

如需获得更为光滑的表面，则可以在WEDG 加工后，再采用线电化磨削法（WECG），它是用去离子水在低电流下去除极薄的表面层。

微细电火花加工（MEDM）所用的机床如日本松下电气产业公司的MG-ED71，它的定位控制的分辩率为0.1μm，最小加工孔径达5μm，表面粗糙度达0.1μm。

加工节径300μm、厚100μm的9齿不锈钢齿轮时，先用φ24μm的电极连续打孔加工出粗轮廓，再用φ31mm电极按齿形曲线扫描出轮廓，精度达±3μm。

也可用它加工微型阶梯轴，最小直径为30μm，加工的键槽截面为10μm×10μm。

加工微小零件的电极应在同一台电加工机床上制作，否则由于电极的连接和安装误差很难加工出小于直径100μm微型孔。

如在微细电火花机床上加工电极或超声加工工具，就可加工出5～10μm微型孔。

微细电加工与微细机械加工相比虽材料切除率较低，但加工尺寸能更细小，孔的长径比更大可达5～10，尤其对于微细的复杂凹形内腔加工更有其优越性。

三．激光加工的发展、现状及前景1.激光加工的发展激光加工是一门发展极快的新技术，已成为发展新兴产业，改造传统制造业的关键技术设备之一。

各种激光（标记、焊接、微调、打孔、切割、划线、热处理等）系统、设备，已经或正在进入各工业领域，诸如电子、轻工、包装、礼品、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等，为传统工业的技术改造和制造业的现代化提供先进的技术装备。

中国国内存在着巨大的激光加工应用市场，而这个市场因中国加入WTO以来国内正在迅速形成的“全球制造基地”而获得快速增长。