【精品】激光技术在制造业中的应用

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1 / 16 激光技术在制造业中的应用

一、激光简介

激光英文全名为LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(LASER)。于1960年面世，是一种因刺激产生辐射而强化的光.

1。激光的产生

科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质，使其原子的电子达到受激发的高能量状态，当这些电子要回复到平静的低能量状态时，原子就会射出光子,以放出多余的能量;而接著，这些被放出的光子又会撞击其它原子，激发更多的原子产生光子，引发一连串的“连锁反应”，并且都朝同一个方前进,形成强烈而且集中朝向某个方向的光，因此强的激光甚至可用作切割钢板。

2.激光的应用

激光被广泛应用是因为它的特性。激光几乎是一种单色光波,频率范围极窄,又可在一个狭小的方向内集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以对各种材料进行打孔.以红宝石激光器为例，它输出脉冲的总能量不够煮熟一个鸡蛋，但却能在3毫米的钢板上鉆出一个小孔。激光拥有上述特性，并不是因为它有与别不同的光能,而是它的功率密度十分高，这就是激光被广泛应用的原因。 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

2 / 16 激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点.现已发现的激光工作物质有几千种，波长范围从软X射线到远红外.激光技术是指依据一定的原理，改变激光振荡或激光辐射的参数，使之适合于某一目的的技术.激光技术的核心是激光器，激光器的种类很多，可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类.根据不同的使用要求，采取一些专门的技术提高输出激光的光束质量和单项技术指标，比较广泛应用的单元技术有共振腔设计与选模、倍频、调谐、Q开关、锁模、稳频和放大技术等。

作为20世纪60年代的新光源，激光被广泛应用于测量、通讯、医学、军事、科研、新闻出版、商业、家庭娱乐、工业制造等领域，由于篇幅有限，本报告主要介绍激光技术在制造业中的应用。激光在制造制造业中的应用主要体现为激光焊接、激光打孔、激光切割、激光雕刻、激光快速成型、激光表面淬火、激光表面强化等等一系列的激光加工技术。

二、激光加工技术简介资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

2 / 16 激光加工技术实现了光、机、电技术相结合，是一种先进制造技术。目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。由于它具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、方便实行数控和可以用来进行特殊加工,目前已经广泛应用于汽车、冶金、航空航天、机械、纺织、化工、建筑、造船、仪器仪表、微电子工业、艺术品制作、日常生活用品和工业用品制造等众多领域.用来进行打孔、切割、铣削、焊接、刻蚀、大型零件的强化和修复、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造,工艺美术品制作和清洗、产品标刻和防伪等。

1.激光加工技术的原理

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.激光加工技术的原理图如图1所示。

图1激光加工原理图

激光加工可大体分为以下三个过程:

（1）激光束照射材料，材料吸收光能; 激光器

工件

工作台

光阑 反射镜

聚焦镜 电源 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

3 / 16 (2）光能转变为热能使材料加热；

（3）通过气化或熔融溅出使材料去除或破坏。

2。激光加工的特点

激光加工技术主要具有一下特点：

（1)加工材料范围广

聚焦后，激光加工的功率密度可高达108～1010W/cm2,光能转化为热能，几乎可以熔化、气化任何材料。

（2）可用于精密微细加工

激光光斑大小可聚焦到微米级。

（3）使用激光束作为工具

非接触加工，无明显的机械力，没有工具损耗问题;

加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化;

能通过透明体进行加工，如对真空管内进行焊接加工等。

（4）加工装置相对简单

和电子束加工等比较起来,不要求复杂的抽真空装置。资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

3 / 16 （5）影响因素多，控制难度较大

激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，其影响因素很多,因此，精微加工时，精度和表面粗糙度不易保证.

表面光泽或透明材料的加工,必须预先进行色化或打毛处理。

（6)加工过程会产生气体及火星等飞溅物

要注意通风抽走，操作者应戴防护眼镜.

3。激光加工的分类

激光加工大体可分为激光热加工和光化学加工:

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。包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标等等；

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。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等等。

4。激光加工机的组成

激光加工的基本设备包括四大部分：

（1）激光器——是激光加工的重要设备，它把电能转变成光能，产生激光束。

（2）激光器电源——为激光器提供能量及控制功能。

（3）光学系统——包括激光聚焦系统和观察瞄准系统，后者能观察和调整激光束的焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上.

（4）机械系统--主要包括床身、能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统等。

5。激光加工技术的发展现状

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。

目前激光技术发展比较迅速的主要有日本及欧美等国家.德国为了推广激光加工技术，除了建立9个国家级激光中心外,还大量建立激光加工站；同时在大、中、小型企业积极建立激光加工生产线，例如:大众汽车厂的齿轮激光加工生产线；奔驰汽车厂共有18个厂房，其中有8个厂房安装了激光加工生产线。

美国是世界上最早建立激光加工站的国家，1996年的统计结果表明，美国激光加工站的年收入已逾60~80亿美元，在美国激光加工站已超过1765家,这对于在美国推广激光加工技术起着重要的作用。

激光切割和焊接等在日本电子、电机、汽车、车辆零部件,OA机器等小件、大批量生产中得到迅速发展。总之，日本产业界应用激光加工技术是最为普及资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

4 / 16 的.

我国在20世纪90资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

4 / 16 年代初，在武汉建立了国家级的激光加工工程研究中心,以期达到在全国起到示范和推广的目的。北京、上海等地方和部委联合建立激光加工工程研究中心，另外,很多地方政府以及众多科研机构和高校也建立了激光加工研究中心来进行激光加工技术研究和推广，已经取得了比较满意的效果.例如。天津冷轧薄板厂由于采用了激光毛化技术,将面临倒闭的企业起死回生。仅1995年生产了6亿元的激光毛化钢板,出口创汇数千万美元;又如西安内燃机配件厂建立了12条缸套激光热处理生产线。将缸套寿命提高了1～3倍。现已在全国范围推广。因此，发展激光产业将带动传统工业的改造和发展。然而作为未来世界加工工厂的中国,目前只有一百三、四十家类似国外的激光加工站，因此,很必要加大力度进行推广[1］。

三、常用激光加工技术简介

目前常用的激光技术主要有激光打孔、激光切割、激光焊接、激光表面改性、激光快速成型等等。下面面对其主要工作原理及特点进行详细介绍。

1。激光打孔

激光打孔的成形过程是材料在激光热源照射下产生的一系列热物理现象综合的结果.它与激光束的特性和材料的热物理性质有关.

一般用光学系统将光斑尺寸聚到几微米到几十微米.由于光斑可以聚得很细,所以能加工极微细和特别深的孔。从深径比来看，用激光打出的孔,其深度与孔径的比值可高达50以上，这是用其他方法难以达到的。例如用一般方法在极硬的氧化铝陶瓷上加工小孔所得到的深径比为2，超声波法只有4，而用激光打孔则可达25.

激光打孔的主要影响因素有：

（1）输出功率与照射时间

激光的照射时间一般为几分之一到几毫秒，当激光能量一定时,时间太长会使热量传散到非加工区，时间太短则因功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，都会使能量的使用效率降低。

（2）焦距与发散角

发散角小的激光束，打出的孔深，且锥度小。通常焦距选20~39mm。

（3)焦点位置

激光束的焦点不同，所得到的孔的形状也就不同，不同焦点位置对应的孔的界面形状如图2所示。资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

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图2焦点位置与孔的截面形状

（4）光斑内的能量分布

激光能量分布对打孔质量有着很大的影响，如图3所示。

图3激光能量分布对打孔质量的影响

（5）激光的照射次数

激光照射次数对孔深有一定的影响,如图4所示。可以看到，在激光照射次数较少时，孔深随着照射次数的增加而增加，当激光照射达到一定的次数后，孔深不再发生变化.

图4照射次数与孔深关系图

(6)工件表面粗糙度资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

6 / 16 工件表面粗糙度对激光打孔的孔深也有一定的影响，如图5所示.可以看到当表面粗糙度值较小时孔深为零,随着粗糙度的增加，孔深逐渐增加，当表面粗糙度达到10μm后，孔深随表面粗糙度变化较小.

图5加工面表面粗糙度对加工深度的影响

2.激光切割激光切割的原理图如图6所示。激光束照射工件，光束能量以及活性气体辅助切割过程附加的化学反应热能全部被材料吸收，引起照射处的材料温度急剧上升,到达沸点后，材料开始汽化，并形成孔洞。随着光束与材料的相对移动，最终使材料形成切缝.切缝处熔渣被具有一定压力的辅助气体吹掉.

图6激光切割原理图

激光切割主要有以下特点:

（1)割缝窄，节省切割材料；

（2)切割速度快,热影响区域小，因而热变形程度低;

（3）剖缝边缘垂直度好，切边光滑，可直接进行焊接；

（4）切边无机械应力，无剪切毛刺，也无切屑；

（5)无刀具磨损,也不需要更换刀具，只需调整工艺参量;

（6）可同样方便地切割易碎、脆、软、硬材料和合成材料； 资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除

9 / 16 （7）光束无惯性,可实现高速切割，且任何方向都可同样切割，并可在任何处开始和停止切割；

（8）能实现多工位操作,容易实现数控自动化；

（9）切割噪音低.

3.激光焊接

激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属溶化形成焊接。

在激光与金属的相互作用过程中，金属溶化仅为其中一种物理现象，光能以其它多种形式表现出来,如气化、等离子体形成等.为此须控制引起各种物理现象的激光参数，使激光能量绝大部分转换成金属溶化的能量，达到焊接目的.

不同激光功率大小与金属作用的现象不同，激光焊接可分为热传导焊接和深熔焊接，其工作原理图如图7所示。

（a)激光热传导焊接（b)激光深熔焊

图7激光焊接

激光焊接主要有如下优点

（1）速度快、深度大、变形小。

（2）能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。

（3）可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。