2023年激光加工在现代产品中的应用.doc

激光加工在现代产品中的应用 一、激光加工的原理及其特点 1.1激光加工的起源 早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世纪70年代，随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。 1.2激光加工的原理 激光加工是将高能量密度的激光束照射到工件的外表，导致光斑处的材料瞬间熔化、汽化、膨胀，使熔融物爆炸式地喷射出来，高速喷射产生的反冲压力又在工件内部形成一个方向性很强的冲击波。通常用于加工的激光器主要是固体激光器〔图1〕和气体激光器〔图2〕。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的外表直接磨察产生阻力，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。 1.3激光加工的特点 激光具有的珍贵特性决定了激光在加工领域存在的优势： 1） 能量密度高，应用广泛。激光加工几乎能加工所有的材料，如各种金属材料、陶瓷、石英、金刚石等，反射率或透射率高的工件进行打毛或色化处理后，仍可加工。 2） 加攻速快，效率高，可控性好，容易实现自动化。 3） 能透过空气、惰性气体或透明物体对工件进行加工。因此，可通过由玻璃等制成的窗口对被封闭零件进行加工，在真空环境下也可以加工。 4） 激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可调节，因此可用于精密微细加工。 5） 激光加工过程中无“刀具〞磨损，无“切削力〞作用于工件。 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那么需要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%，大幅度降低了生产本钱，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。 二、 激光加工技术的应用 由于激光加工技术具有许多其他加工技术所无法比较的优点，所以应用较广。目前已成熟的激光加工技术包括：激光打孔技术、激光切割技术、激光焊接技术、激光热处理、外表处理技术、激光微调技术、激光快速成形技术、激光存储技术、激光去重平衡技术、激光划线技术等。 2.1激光打孔技术 激光打孔是最早到达实用化的激光加工技术,也是激光加工的主要应用领域之一。随着近代工业和科学技术的迅速开展,使用硬度大、熔点高的材料越来越多,而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求。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。 激光束在空间和时间上高度集中，利用透镜聚焦，可以将光斑直径缩小到微米级从而获得105-1015W/cm2的激光功率密度。由于激光打孔是利用功率密度为l07-109W/cm2的高能激光束对材料进行瞬时作用,作用时间只有10－3-10－5s,因此激光打孔速度非常快。将高效能激光器与高精度的机床及控制系统配合,通过微处理机进行程控,可以实现高效率打孔。在不同的工件上激光打孔与电火花打孔及机械钻孔相比,效率提高l0-1000倍。 2.2激光切割技术 激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料外表使材料熔化，同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料，并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动，从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和开展，目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料，成形复杂零件大批量的采用冲压，单件的采用振动剪。七十年代后，为了改善和提高火焰切割的切口质量，又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期，又开展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点，在工业生产中有一定的适用范围。 2.3激光焊接技术 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，可使材料外表熔化和再结晶，到达淬火或退火的目的。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。 2.4激光热、表处理技术(激光相变硬化、激光淬火〕 激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行外表处理的方法，它可以对金属实现相变硬化〔或称为外表淬火、外表非晶化、外表重熔粹火〕、外表合金化等外表改性处理，产生用其大外表淬火达不到的外表成分、组织、性能的改变。经激光处理后，铸铁外表硬度可以到达HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，外表硬度可达HRC70度以上,从而提高起抗磨性,抗疲劳,耐腐蚀,抗氧化等性能,延长其使用寿命。 激光热处理技术与其他热处理如高频淬火,渗碳,渗氮等传统工艺相比,具有以下特点: 1.无需使用外加材料,仅改变被处理材料外表的组织结构.处理后的改性层具有足够的厚度,可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm。 2处理层和基体结合强度高.激光外表处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合,而且处理层外表是致密的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性 3. 被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短〔10-2-10秒〕，故零件的热变形区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。 4. 加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理局部，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。 2.5激光微调技术 激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%一0.002%，比传统方法的精度和效率高，本钱低。激光微调包括薄膜电阻(0.01～0.6微米厚)与厚膜电阻(20～50微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。集成电路、传感器中的电阻是一层电阻薄膜，制造误差达上15一20%，只有对之进行修正，才能提高那些高精度器件的成品率。激光可聚焦成很小的光斑，能量集中，加工时对邻近的元件热影响极小，不产生污染，又易于用控制，因此可以满足快速微调电阻使之到达精确的预定值的目的。加工时将激光束聚焦在电阻薄膜上，将物质汽化。微调时首先对电阻进行测量，把数据传送给计算机，计算机根据预先设计好的修调方法指令光束定位器使激光按一定路径切割电阻，直至阻值到达设定值，同样可以用激光技术进行片状电容的电容量修正及混合集成电路的微调。优越的定位精度，使激光微调系统在小型化精密线形组合信号器件方面提高了产量和电路功能。 2.6激光快速成形技术 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，根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。 2.7激光存储技术 激光存储是利用材料的某种性质对光敏感。带有信息的光照射材料时，该性质发生改变，且能够在材料中记录这种改变，这就实现了光信息的存储。用激光对存储材料读取信息时，读出光的性质随存储材料性质的改变而发生相应的变化，从而实现已存储光信息的读取。 现有的光存储技术与传统的磁存储技术相比有如下特点：数据存储密度高、容量大，寿命长，非接触式读/写和擦，信息位价格低此外，光存储还有并行程度高，抗电磁干扰性能强等优点。 2.8激光去重平衡技术 激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重局部，使惯性轴与旋转轴重合，以到达动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。 2.9激光划线技术 利用半导体泵浦激光器作为光源，经过一组透镜组合整合后能够发射出高准直度的点状光源，在经过特制棱镜打散后能够形成一条亮度均匀的光线。由于采用特殊设计的棱镜扩散光线，有效防止了采用普通柱镜扩散光线后产生光线两端光强弱中间光强的缺点，我们〔北京贝诺〕设计的棱镜在扩散光线后能够使光线两端和中间的亮度相同〔肉眼分辨〕，经功率测试结果分析得出两端光强和中间光强误差在3%以内，肉眼无法分辨出亮度差。能够在使用距离40米的位置清晰分辨出光线，有效的解决了人工划线的工作强度。 2.10激光蚀刻技术 激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产本钱，可加工0.125～1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。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。 2.11激光强化处理技术 激光外表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，在金属材料激光外表强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的外表相变强化，当激光束能连密度处于高端时，工件外表光斑出相当与一个移动的坩埚，可完成一系列的 冶金过程，包括外表重熔、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外表在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的外表层。根据材料外表组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和外表复合化等。 2.12空间激光通信 空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间，包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间通信。 　　 激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点。 1、 大通信容量：激光的频率比微波高3-4个数量级(其相应光频率在1013-1017 Hz)作为通信的载波有更大的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb／s以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。 2、 低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源本钱高昂的空间通信来说，是十分适用的。 3、 体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。 4、 高度的保密性激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。 5、 激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。 2.13激光核聚变 　由于激光核聚变与氢弹的爆炸在许多方面非常 相似，所以，20世纪60年代，当激光器问世以后，科学家就开始致力于利用