激光加工技術的發展現狀及展望

彭 凱,彭玉海,侯紅玲

（陜西理工學院,陜西 漢中 723000）

激光加工技術與原子能、半導體及計算機并稱為20世紀四項重大發明。自21世紀進入光電子時代，作為高能光電子的激光加工技術得到廣泛應用，極大地改變了人們的生產和生活。這一技術在我國也得到了迅速的發展，并成為我國新興產業、改造傳統制造業的關鍵技術之一[1]。

1 激光技術的應用

激光具有高亮度、方向性強、單色性好及相干性強的特性，能適應多種材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度要求和特種材料等方面起著無可替代的作用。激光也被譽為是“萬能加工工具”、“未來柔性制造系統（FMS）的共同加工手段”，是當代具有代表性的先進制造技術之一。

1.1 激光焊接

激光焊接熱影響區小，熱變形可以忽略，焊接的材料不會被氧化，且受損率低，可以焊接尺寸和性質懸殊的材料，及熔點很高和易氧化的材料。例如：在汽車的生產過程中，需要將車身和拼版的坯板焊接在一起，利用單邊激光焊接僅需5mm的特點，將點焊改為激光焊接。據統計，使用激光焊接，每輛車就可以節省近40kg的材料。

1.2 激光切割

激光切割是一種應用最廣泛且較成熟的激光加工技術，在許多特殊材料中都得到廣泛應用，如航天航空工業對復合材料產品的需求量的增加，使得用激光切割復合材料變得越來越重要，用機械切割2.45mm厚的環氧基復合材料，需要手工修整和熱封，加工一個零件需要12~14h，而采用數控激光切割僅需5min , 效率提高150倍。

1.3 激光打標打孔

在加工過程中，采用激光打標，零件無接觸，間接的保證了零件的加工精度和表面光滑度，適合一些需要進行表面特殊加工的零件。采用脈沖激光器可進行打孔，脈沖寬度約為0.1～1ms，適用于打微型孔和異形孔。激光打孔已廣泛用于表類的寶石軸承、化纖噴絲頭、金剛石拉絲模等工件的加工。如鐘表的寶石軸承孔直徑0.12～0.18mm，深0.6～1.2mm，采用激光打孔，每分鐘就可以加工幾十個工件，極大地提高了生產效率。

2 激光加工技術的發展

21世紀，隨著電子信息等高新技術的發展，市場需求的個性化與多樣化，未來先進制造技術將會向精密化、柔性化、網絡化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化以及全球化的方向發展。

2.1 國內發展

由于我國激光加工技術起步較晚，基礎較差，再加上受到我國設備的限制，無法與國外同行在一個層面上競爭。但是，這些年來，通過校企合作，有效的推動科研成果的發展，同時為國家培養了大批的激光技術人才，使我國的激光產業不斷發展擴大。20世紀90年代初，我國在武漢建立了國家級激光加工工程研究中心，北京、上海等地方和部委聯合建立激光加工工程研究中心，另外，很多地方政府以及眾多科研機構也建立了激光加工研究中心。

目前，我國的激光加工技術得到了飛速發展，但是就總體而言還處于相對比較落后的水平。激光器質量、激光加工工藝、導光系統和精密定位系統等方面的技術還不夠先進，這些都是制約我國激光加工技術發展壯大的關鍵問題。

2.2 國外發展

世界各國都在大力發展光制造技術，如美、日、歐等一些工業發達國家強調“應該在這樣一個新的重要技術領域與其他國家的競爭中走在前面”。激光在制造業中所表現的低成本、高效率和巨大的應用潛力，已成為各國之間互相競爭的動力。

美國通過“精密激光機械加工(PLM)協會”來激勵新工藝技術的發展，力求使美國工業激光器技術在世界上處于領先的地位；日本將激光切割和激光焊接技術廣泛應用于電子、汽車等小件大批量生產；英國 Exitech 公司和德國 Microlas公司先后推出了微結構加工用準分子激光微加工裝備。

2.3 國內外的最新研究

近年來，隨著激光加工技術的發展，對于激光切割的研究工作也取得了巨大成果。

武偉超等，采用脈沖CO2激光器，對2mm厚2A 12 鋁合金進行了切割試驗，研究熱影響區的尺寸和顯微組織，熱影響尺寸僅為0.1~0.2mm 左右，同時分析了熱影響區對試件單向拉伸性能和疲勞壽命的影響。

葛亞瓊等利用高功率脈沖固體Nd:YAG激光對4mm厚的5A06鋁合金板材進行切割試驗，分析了輔助氣體Ar、N2對激光切割質量的影響：輔助氣體壓力對切縫寬度的影響不明顯。B.S.Yilbas等介紹了塊參數分析預測切口寬度尺寸方面的研究，他們根據切口寬度百分比的大小變化來制定不同的激光輸出功率水平。發現切口寬度尺寸實驗數據和預測結果基本相符合，尤其當激光輸出功率≤350W時其影響更明顯。

王永軍等為確定激光切割工藝對TC4鈦合金板材疲勞性能的影響，進行激光切割試驗，結果表明：激光切割TC4鈦合金的切縫表面存在大量熔融金屬凝固后形成的溝槽和微觀裂紋，激光切割產生的熱影響區構成了疲勞源區，導致激光切割試件的疲勞壽命大幅下降。

3 結束語

激光加工技術在不斷地發展，然而我國與國際水平的差距卻是有所增大，高端的激光加工設備幾乎全部依賴進口。雖說國內外對激光加工技術的研究已經取得了巨大成就，但是由于其過程的復雜性和多樣性，使得激光加工技術還沒有形成較為成熟的理論和體系。目前，激光加工的有限元模擬并未取得重大進展，也沒有任何一個軟件將激光加工包容在內。

激光加工技術理論的完善需要試驗與模擬手段的結合：通過試驗的方法來獲取數據，并從中找尋加工過程的變化規律和主要影響因素，再采用有限元的方法通過加載試件的邊界條件對加工過程進行模擬分析。模擬與試驗手段的結合發展，不但可以節省試驗經費和時間，還可以達到相互印證的目的。而在計算機上對激光加工過程的模擬受到邊界條件的設定、瞬時高溫的加載及實際加工的情況等因素的影響，讓模擬的過程變得復雜而艱難。在未來制造業中，激光加工技術是一種不可或缺的加工手段，因此我們的研究工作不能松懈。

[1] 孫會來等．激光加工技術應用及發展趨勢[A]．第十屆全國機床學術會議[C]．2002(12):87.