哈工大金属工艺学论文
激光加工技术及应用
李梦奇
航天学院～1118202,1111820224 摘要:激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。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。本文主要介绍激光加工的特点和应用。
关键词:激光加工技术;应用;机械加工
激光束具有单色性好、能量密度高、空间PCB板的微通道打孔;C02激光波长在远红控制性和时间控制性良好等一系列优点目外区域打孔直径〉100微米。W激光波长在前它已广泛应用于材料加工等领域。激光加紫外区域广泛用打孔的直径〈100微米甚至工的行业包括汽车制造、航天航空、电子、孔径缩小到〈50微米的情况。在紫外激光技化工、包装、医疗设备等。与计算机数控技术中半导体泵浦UV激光器已经成为工业用术相结合激光加工技术已成为工业生产自标准激光器它可提高传输到工件表面的单动化的关键技术拥有普通加工技术所不能脉冲能量。
比拟的优势。例如激光加工为激光束具有单二、激光焊接塑料色性好、能量密度高、空间控制性和时间控
制性良好等一系列优点目前它已广泛应用 1.激光焊接塑料的优点随着塑料在汽于材料加工等领域。激光加工的行业包括汽车、医疗设备及电子等行业的零部件设计、车制造、航天航空、电子、化工、包装、医制造上日趋广泛的使用大功率光纤激光塑疗设备等。与计算机数控技术相结合激光加料焊接系统可完全满足塑料制品的加工过工技术已成为工业生产自动化的关键技术程中快速有效干净的塑料的使用大功率光拥有普通加工技术所不能比拟的优势。例如纤激光塑料焊接系统可完全
满足塑料制品激光加工为非接触式加工、速度快、无噪声、的加工过程中快速、有效、干净的塑料焊接可实现各种复杂形状的高精度加工目的且方式。
无通常意义上的"刀具"磨损无需更换"刀头目前国内市场上普遍使用的塑料焊接"。我国激光加工市场前景广阔预计平均每技术主要有振动摩擦焊接、热板式塑料焊接年以20-30%的速率递增。及超声波焊接等。主要用于连接敏感性塑料制品(含有线路板)、具有复杂几何形状的塑一、PCB激光微通道打孔技术料件以及有严格洁净要求的塑料制品(医药
近年来激光技术已经广泛应用于高密设备)等等。光纤激光焊接塑料技术主要有度印刷线路板微通道打孔及芯片封装设备以下几方面的优点:
中最新的世界微通道打孔信息显示每年有 (1)能生成精密、牢固和密封(不透气和超过300000万平方米的高密度多层印刷线不漏水)的焊接树脂降解少、产生的碎屑少。路板是用激光来打孔的。用于PCB微通道打 (2)易于控制具有良好的适应性可焊接孔的早期激光打孔设备是单头的UV YAG激尺寸小或外形结构复杂的工件。光器或单头的C02激光器随着微通道打孔产 (3)极大地减小了制品的振动应力和热量的要求不断提高许多生产厂家开始研制应力。
双头激光打孔设备。目前市场上主要的三种 (4)能够将许多种类不同的材料焊接在双头激光打孔设备:双头C02激光系统、双一起。激光塑料焊接技术在欧美等发达国家头UV激光系统、混合激光系统(UV和C02)。已经得到了一定的应用我国在这方面尚是
有两种比较经济实用的激光技术用于空白。
2.塑料激光焊接用的焊接方法普遍认为大功率光纤激光器将是第三代最
激光焊接塑料的基本原理是两种塑料先进的工业加工激光器。
在低压力下被夹紧在一起激光穿过一个制光纤激光器具有许多独特的优点光束品然后被另外一个制品吸收吸收激光能量质量好;体积小重量轻免维护;风冷却简
单的制品将光能转化为热能在塑料的接触面易操件;运行成本低可在工业环境下使用;熔化形成一个焊接区。寿命长加工精度高、速度快;电能转化效率常用的焊接方法主要有: 高可以实现智能化、自动化、柔性化操作等。
a.激光束沿着焊缝处快速扫描达到焊基于上述的优点其应用领域已经扩展到汽接的目的。车制造、船舶制造和航空制造业等的金属和
b.通过光学元件将激光束整形同时在非金属材料的激光切割、激光焊接等方面。焊缝处产生热量。四、激光加工技术在机械加工中
c.照射掩膜焊接激光束仅加热制品上
没有被掩膜遮住的部分可以快速焊接复杂的应用的焊缝。
d.激光束固定塑料工件置于受程序控激光在铣削、弯扳以及表面处理加工中正制的多维可移动的工作台上。发挥新的作用。制造业中的工程师们在利用激光来加工更多种类的材料，并在生产中的三、大功率光纤激光器在船舶制更多我方面应用它。应用范围从样件与工具
的快速成型，直至激光硬化处理模具以及接造业中的应用合和雕刻金属零件等。
1.激光加工技术在造船工业中应用的采用激光技术替代传统的表面处理方优势造船工业中激光加工主要优点: 法，可以延长刀具寿命并提高刀具和零件性
(1)船舰载重量日益坛加要求使用非常能。
薄的平板激光焊接避免了加工时的热影响; 用激光光束往表面层掺入合金材料可
(2)激光可以采用光纤等灵活的输出方以改变表面的化学成份及其特性。当前，激式因此甲板、船体等大表面尺寸的工件加工光表面处理主要应用于制造工具，特别是制可以不受工作台尺寸的影响。造用于锻造和压力铸造的模具。借助理论上
(3)力日工非接触速度快边缘光滑高度的热化学模型，工程师们已经开发了用于工自动化大大降低造船成本及时间。具和零件的新的表面层。
2.国内外的发展现状例如挤压模具在高温条件下，由于时间
欧美及日本主要的大型船厂已大量采接触长，它们会产生较大的应变。而给某个用激光加工技术。目前美国、欧洲等地区正工具掺入相和钒的碳化物后，使工具的表面在进行大功率光纤激光工业加工设备的开改性，提高了它的硬度保持能力，提高了高发正在开发的有2KW、6KW输出的工业级光温下的硬度和改善了耐磨损的能力。其它合纤激光器的加工设备的二次开发。我国已开金，包括那些含钨和钻的合金，也非常有用。发出了中小功率系列工业光纤激光设备但一般来说，利用激光光束掺入合金的方法，大功率光纤激光器工业加工应用尚是空白可以使工具寿命比采用传统方法提高100,在我国造船工业中几乎还没有使用激光加-500,，由于降低了占用工具及更换工具有工技术。关的成本，从而节省了费用。
3.大功率光纤激光器在船舶制造业中激光表面处理技术还可以增强产品零的优势及展望件的性能。Fraunhofer研究所的研究者们利
光纤激光器是近几年激光领域里极其用激光来硬化密封表面和滑动导轨，凸轮轴关注的热点，在加工领域光纤激光器有迅速的激光表面重熔以及包覆内燃机的阀门和替代传统的YAG、C02激光器的趋势。人们阀座。激光可以用于硬化、重熔化、掺杂合
金和涂覆金属，为表面外层进行热化学的改五、结束语性处理创造了很多机会。通过这种改性处理生产的工件，具备更高的承受各种应力的能激光加工技术有很多优点，目前正在迅猛
力。激光光束可以聚焦、并精确定位，这一发展当中，我们要把握住这个发展机会，发
特点使激光技术适于局部化的表面处理加扬创新精神，争取在这个领域中达到国际领
工。使用者可以有选择地处理易磨损的区先水平。
域，同时还具有较高的复现性。参考文献: 利用激光技术，工程师们可以加工出最
[1] 孙会来，林树忠(激光加工技术应用及发展趋佳的表面外形结构(toPograhy)，尤其是用
势[A](第十届全国机床学术会议[C](2002，12:于轴承和密封行业中的产品上。在这种相对
87( 较新的应用中，脉冲激光光束可以在经受摩
[2] 江海河(激光加工技术应用的发展及展望擦应力的作用表面，产生规定的微型润滑孔
[J](光电子技术与信息，2001，14(4):1-12( 隙。用这种方式产生的弹坑状结构主要是受
[3] 刘文学，王涛，姚建铨(激光电视高速扫描系激光光束达到工件表面上的几何形状以及
统的设计与研究[J](激光杂志，2003，24 (5):强度分配的影响。
75-77( 大体上，任何带有接触表面的系统都会发生摩擦应变，例如浮动圈等，可以采用诸如高级陶瓷或金属等材料制成激光构成件。激光改性的功能表面主要是微细台阶组成的区域，带有重现性的、有规则的均匀微型润滑子L隙。用户可以让这些孔的直径、深度以及分布与加在零件上的负载相适应。例如对于陶瓷滑动环密封，尺寸恰当并分布恰当的凹凸点可大大降低摩擦及磨损。在此过程中的加工速度取决于激光的种类，一般为每秒1000个孔。
工业上已经采用CO。以及NdzYAG大功率激光作为加工手段。但由于激光和激光系统很复杂、成本高，还涉及尺寸方面的问题，小型公司难以采用激光加工。也许这种情形不久会发生改观。
最初，二极管激光器提供小于50W的输出功率。材料处理(钎焊、雕刻、表面硬化以及塑性或导热焊接)所需要的功率，显然远远高出该数值。大功率二极管激光器(HPDL)，将高性能与紧凑的结构结合为一体。它们由大量的单个二极管组成，这些二极管层迭在一个鞋盒般大小的外壳里。功率累积值(最大为2(5kW)以及光束质量足以进行材料处理。Fraunhofer研究所用HPDL进行的测试表明，它可以硬化经回火的钢以及焊接钢板和铜板。