激光器技术的应用现状及发展趋势讲解

激光器技术的应用现状及发

展趋势讲解

-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

激光器技术的应用现状及发展趋势

摘要:简述了激光精密加工技术及其特点;综述了激光精密加工的应用现状; 探讨了激光精

密加工技术的发展趋势。激光加工技术在机械工业中的广泛应用，促进了激光加工技术向工业化发展。为此，介绍了几种应用较广泛的激光加工技术；重点讨论了激光硬化和激光珩磨技术的应用和发展趋势。摘要由于在光通信光数据存储传感技术医学等领域的广泛应用近几年来光纤激光器发展十分迅速本文简要介绍了光纤激光器的工作原理及特性,并对目前多种光纤激光器作了较为详细的分类;同时介绍了近几年国内外对于光纤激光器的研究方向及其目前的热点是高功率光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器和超短脉冲光纤激光器;最后指出光纤激光器向高功率、多波长、窄线宽发展的趋势. ：结合河北工业大学光机电一体化研究室近几年对激光加工技术研究的初步成果，对激光加工技术的特点，激光加工技术在国内外的应用发展状况，以及激光加工技术的发展趋势进行了简要介绍，同时分析了我国激光加工产业面临的机遇与挑战，并提出了应采取的对策

前言

1 概述

激光加工是 20 世纪 60 年代初期兴起的一项新技术，此后逐步应用于机械、汽车、航空、电子等行业，尤以机械行业的应用发展速度最快。在机械制造业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化。 20 世纪 70 年代，美国进行了两大研究:一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接;二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了以后的机械制造业中的激光加工技术的发展。到了 20 世纪 80 年代后期，激光加工的应用实例有所增加,其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这 3 项技术目前已经发展成熟，应用也很广泛。进入 20 世纪 90 年代后期，激光珩磨技术的出现又将激光微细加工技术在机械加工中的应用翻开了崭新的一页。激光加工技术之所以得到如此广泛的应用，是因为它与传统加工技术相比具有很多优点：一、是非接触加工，没有机械力；二、是可以加工高硬度、高熔点、极脆的难加工材料；三、是加工区小，热变形很小，加工质量高；四是与现代数控机床相结合，使激光加工具有加工精度高、可控性好、程序简单、省料及污染少等特点。下面综合介绍应用比较广泛的几种激光加工技术。目前，激光加工技术得到了越来越广泛的应用，具有非常广阔的市场前景，在国民经济和工业发展中发挥着日益重要的作用 [1]

．

激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，从而达到加工的目的．按照激光与被加工工件之间作用机理的不同，可将激光加工分为两类：一类是激光热加工，一类是激光冷加工．激光热加工是指激光作用于加工工件表面所引起的快速热效应的各种加工过程，如激光焊接、激光打孔、激光切割等；激光冷加工是指激光借助高能量高密度光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，亦称为激光光化学反应加工，如激光刻

蚀、激光掺杂、表面氧化等．激光加工技术应用的领域非常广泛，如机械制造、纺织、医疗器械、汽车、航天航空、电子电器、电站电机、量具刃具、冶金、化工、包装、测量、建筑以及工艺装饰等行业 [3]．在发达国家的加工行业中，已经逐步进入了激光加工的时代．日本的激光加工已经占到整个加工业的10%以上；在激光医疗及激光检测技术方面美国处于领先地位，美国也是最早将高功率激光器引入汽车工业的国家；在激光材料加工设备方面，德国走在了世界前列．据统计，全球现在有激光加工站 5 000 多家，主要分布在美国、日本和欧洲．我国的激光加工技术研究虽然与世界先进水平有一定差距，但起步也并不晚，1961年就研制成功第一台红宝石激光器．但激光加工技术真正得到长足发展，还是在改革开放以后．发展较快的地区是湖北、北京、上海等省市．以激光为特色的光电子信息产业，作为一支产业新军迅速崛起．不论从科技、经济、以及社会效益上，都取得了重要成就和巨大进步．激光加工技术特点激光具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好、空间控制和时间控制性好等优越性能，容易获得超短脉冲和小尺寸光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，几乎能加工所有的材料，例如，塑料，陶瓷，玻璃，金属，半导体材料，复合材料等等, 以及生物 / 医用材料，特别适用于加工自动化，而且对被加工材料的形状、尺寸和加工环境要求很低．激光加工具有很多优点，如下所述．激光加工属无接触加工[1]：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．加工质量好，加工精度高：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，如PC 机硬盘高速转子采用激光平衡技术，其转子平衡精度可达微米或亚微米级 [5]

．

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；

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．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、激光切割技术、激光打标技术、激光刻蚀技术、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．下面以几种常用的加工工艺为例进行简单的介绍．

激光快速成型技术

激光快速成型技术是上世纪80年代发展起来的一门高新技术，它是利用激光技术、CAX 技术、自动控制技术和新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一门多学科综合技术．激光快速成型技术一改传统加工“去除”成型加工工