激光束加工技術的應用現狀與發展

林岳凌

(江門市大光明電力設備廠有限公司, 廣東 江門529100)

隨著計算機技術、信息技術、自動化技術在制造業中的廣泛應用，它們與傳統制造技術相結合而形成的先進制造技術發展迅速，應用越來越廣泛。包括新型武器裝備、飛機制造業、汽車產業等都要求采用整體結構、輕量化結構、先進冷卻結構等新型結構，以及鈦合金、復合材料、粉末材料、金屬間化合物等新材料。激光的良好特性使其在實際生產方面的應用越來越廣泛，這其中以激光束加工最有發展前景。激光束加工因具有加工速度快、表面變形小、可加工各種材料等特點，已經越來越受到人們的關注。

1 激光束加工技術應用現狀

激光束加工技術是利用高能量激光束使工件材料熔化、汽化和蒸發而予以去除的高能束加工工藝,被譽為“21 世紀的萬能加工工具”。隨著激光器及外圍技術的進步，激光束加工技術不斷發展，目前被廣泛應用于工業制造業。由于激光束加工技術良好的應用前景，目前國內外都對該項技術展開了大量的研究工作。與電子束、電解、電火花、和機械打孔相比，激光打孔質量好、重復精度高、通用性強、效率高、成本低及綜合技術經濟效益顯著。國外在激光精密打孔已經達到很高的水平。瑞士某公司利用固體激光器給飛機渦輪葉片進行打孔，可以加工直徑從20um 到80um 的微孔，并且其直徑與深度之比可達1:80。激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等，這是普通機械加工無法做到的。

激光精密切割與傳統切割法相比，激光精密切割有很多優點。例如，它能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘渣、熱影響區小、切割噪聲小，并可以節省材料15% ~30%。由于激光對被切割材料幾乎不產生機械沖力和壓力，故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導體等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切縫窄，所以特別適宜于對細小部件作各種精密切割。

2 發展趨勢

為了深入研究激光束加工技術在全球的發展趨勢，預測其今后的發展動態，下面從專利角度，對該領域展開分析。我們通過專利的查詢進一步對激光束加工技術各個子領域的研發情況進行研究。可以看到前十年度分布狀況。從2000 年至2009 年，激光束加工領域的技術主要集中焊接，切割，打孔等這些子領域。從數據中可以看出，在激光束加工技術中，所有子領域在這十年間都呈現緩慢下降的趨勢。我們可以看到，幾乎所有子領域都在2001- 2003 年達到最大值，因此，在一定程度上可以說明各技術目前都處于成熟狀態，發展速度變慢。通過宏觀層面的分析，我們可以看出激光束加工技術在這10 年中，發展較為穩定。其中用于焊接、切割以及打孔的激光束加工是整個領域的研發重點。

3 激光束加工的應用

激光束加工主要用于打孔、切割、焊接和表面處理等材料成形和改性等一系列加工工藝中。在過去二十多年時間里，激光束加工技術得到了異常迅速的發展，而且得到了廣泛的工業應用。

3.1 激光表面處理

在母材基體表面預置合金薄片或粉劑，然后利用激光加熱使其熔化，光束離去后涂覆材料便迅速凝固，形成與基體材料牢固結合的包覆層，以提高表面耐磨性和耐腐蝕性。激光能使包覆材料很快熔化，母材并不熔化，且包覆材料僅施于所需之處，因此，涂層厚度均勻，結合力強。例如，對鎳基合金渦輪葉片，利用激光涂覆鈷基合金后，可提高葉片的耐熱、耐磨耗性能。以激光為熱源。原理與火焰表面淬火相同。不同之處：火焰淬火加熱面積大，需用水冷卻硬化。激光功率密度大而能在短時間處理，熱影響范圍小，不用水也能急冷而硬化。用激光加熱材料使其比表面硬化處理的溫度稍高一些，讓表層略微熔化就急冷，這種處理稱為表面均勻化。例如，工具鋼等碳化物相的材料，采用激光使碳化物熔化分解，并通過急冷形成微細粒子彌散或固溶在材料中，達到均勻化的目的。

3.2 激光切割

激光切割是激光加工技術在工業上廣泛應用的一個方面，因此其加工過程既符合激光與材料的作用原理，又具有自己的特點。激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射處的材料迅即熔化、汽化、燒蝕，并形成孔洞，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，隨著光束和工件的相對運動，最終使工件形成切縫，從而實現割開工件的一種熱切割方法。切割過程發生在切割終端處的一個垂直表面，稱之燒蝕前沿。激光和氣流從該處進入切口，激光能量一部分被燒蝕前沿所吸收，一部分通過切口或經燒蝕前沿向切口空間反射。激光能切割的材料除金屬外，還有塑料、木材、紙張、橡膠、皮革、陶瓷、混凝土、纖維以及復合材料等。切割效果：割縫寬度0.2~0.3mm；熱影響區寬度0.04~0.06mm；割縫形狀平行；切割速度快，設備費很高；運轉費低。激光切割適合多品種小批量生產。在激光切割機上配以數控工作臺，可切割復雜形狀的產品。

3.3 激光焊接

激光焊接是一種無接觸加工方式，對焊接零件沒有外力作用。激光能量高度集小，對金屬快速加熱、快速冷卻，對許多零件熱影響可以忽略不計，可認為不產生熱變形，或者說熱變形極小。能夠焊接高熔點、難熔、難焊的金屬，如欽合金、鋁合金等。激光焊接過程對環境沒有污染，在空氣中可以直接焊接，與需在真空室中焊接的電子束焊接方法比較，激光焊接工藝簡便。焊點、焊縫整齊美觀，易于與計算機數控系統或機械手、機器人配合，實現自動焊接，生產效率高。激光焊縫的機械強度往往高于母材的機械強度。這是由于激光焊接時，金屬熔化過程對金屬中的雜質有凈化作用，因而焊縫不僅美觀而且強度高于母材。

激光束焊接是利用激光束聚焦到工件表面，使輻射作用表面的金屬"燒熔"粘合而形成焊接接頭。所需能量較低（104~106W/cm2）。具有：焊接過程迅速，生產率高；被焊接材料不易氧化、焊點小、焊縫窄、熱影響區小，故焊接變形小、精度高。適合于微型、精密、排列密集、受熱敏感的焊件。可焊接同種金屬，也可焊接異種金屬，甚至焊接金屬與非金屬材料。可進行薄片間或絲與絲之間的焊接。在機械工業中廣泛應用的激光焊接是基于大功率激光所產生的小孔效應基礎上的深熔焊接。是一種熔深大、速度快、單位時間熔合面積大的高效焊接方法，且是焊縫深寬比大、比能小、熱影響區小、變形小的精確焊接方法。但要求被焊接件有較高的裝配精度，且被聚焦成很細的激光束嚴格沿著待焊縫隙掃描。基于上述特點，激光焊接在電子工業、國防工業、儀表工業、電池工業、醫療儀器以及許多行業中均得到廣泛的應用。

3.4 激光彎曲技術

激光彎曲是一種柔性成型新技術，它利用激光加熱所產生的不均勻的溫度場，來誘發熱應力代替外力，實現金屬板料的成型。激光成型機理有溫度梯度機理、壓曲機理和撤粗機理。與火焰彎曲相比，激光束可被約束在一個非常窄小的區域而且容易實現自動化，這就導致了人們對激光彎曲成型的研究興趣。目前此技術研究已有一些成功應用的范例，如用于船板的彎曲成型，利用管子的激光彎曲成型制造波紋管，以及微機械的加工制造。

結語

激光加工技術是21 世紀的一種先進制造技術，其發展前景不可限量。但是，激光加工技術還是一種發展中的技術。它不像傳統工藝的冷加工車、鉆、銑、刨、磨，也不像熱加工的鍛、鑄、焊、金屬熱處理那樣，有一整套金屬工藝學的理論和規范化的工藝。在使用激光加工，經驗和實驗是必不可少的。同時，激光加工的應用范圍還在不斷擴大，如用激光制造大規模集成電路，不用抗蝕劑，工序簡單,并能進行0.5 微米以下圖案的高精度蝕刻加工，從而大大增加集成度。此外，激光蒸發、激光區域熔化和激光沉積等新工藝也在發展中。隨著激光技術的快速發展，激光束加工技術在機械制造領域的應用勢必會越來越廣泛，越來越重要，影響越來越大。

[1] 周瀟.激光束加工技術全球發展趨勢研究[J].經濟師,2011.（11.）

[2] 官邦貴，劉頌豪，章毛連，王玉連，劉慧,激光精密加工技術應用現狀及發展趨勢[J].激光與紅外,2010.（03）.