激光加工技術綜述

張臣　吳恒鑫

摘 要：激光加工作為一種新技術，在機械制造中有著很重要的應用。本文簡要闡述了激光加工的原理、特點，并介紹了它在現實中的應用情況，同時簡要介紹了激光加工的最新研究進展。

關鍵詞：激光加工；制造；應用；進展

隨著航空航天、核電工業的迅猛發展，更多的高性能材料得到應用。雖然，高性能材料擁有良好的物理、力學性能，但是，卻對機械加工工藝提出了更高的要求。于是，人們開始探索高性能材料的加工方法。激光作為一種具有亮度高、方向性強、單色性好、相干性強等特點的光源，可以實現難加工材料的加工。

1 激光加工的原理

金屬材料的激光加工主要是基于光熱效應的熱加工，其前提是激光被加工材料所吸收并轉化為熱能。由于激光的發散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的小斑點上，再加上其強度高，因此其加工的功率密度很大，溫度可達1萬攝氏度以上。在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產生方向性很強的沖擊。因此，激光加工是工件在光熱效應下產生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。

2 激光加工的主要特點

2.1 適用范圍廣

激光加工是一種高能加工方法，幾乎所有的材料都能適用。它既可在大氣中加工，又可在真空中加工。尤其對于某些難加工材料，激光加工是唯一可行的方法。

2.2 設備自動化程度高

相比于傳統的機械加工系統，激光加工更容易采用數字化信號進行控制。激光器經常與機器人相結合，其體積小、精度高、靈活方便，特別適合于多品種、變批量的柔性生產。

2.3 生產成本低

激光加工屬于非接觸加工，加工過程中的損耗小、效率高。在大批量生產中，可以明顯降低成本。

2.4 無污染

激光束不會發生像電子束那樣的X射線，而且無加工污染。

2.5 節能環保

據相關研究，激光束的能量利用率為常規熱加工工藝的10-1000倍，激光加工可節省材料15%-30%。

3 激光加工的應用舉例

3.1 激光切割技術

激光切割是一種應用最廣泛、最成熟的激光加工技術，最初被用在硬木板上切割非穿透槽、嵌刀片，制造沖剪紙箱板的模具。隨著激光器件和加工技術的進步，其應用逐步擴大到低碳鋼、不銹鋼等金屬。現在，幾乎所有材料都能使用激光加工。

3.2 激光焊接技術

激光焊接是一種材料連接的技術，它與傳統的焊接技術一樣，通過將材料連接區的部分金屬融化而將兩個零件或部件連接起來。激光能量高度集中，加熱、冷卻過程極其迅速，一些普通焊接技術難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料，用激光能容易實施焊接。作為一種先進的焊接技術，激光焊接設備昂貴，一次性投資較大，但是，其工藝簡便，焊點、焊縫整齊美觀，易于與自動化設備配合，實現自動焊接，生產率高。

3.3 激光彎曲成型技術

激光彎曲成型是一種柔性成形新技術——利用不均勻加熱引起的熱應力代替外力，實現金屬板料的成形。由于激光彎曲工藝不需要成形模具和成形外力，特別適合于單件、小批量硬脆材料的成形，對彈性元件的精確成形和控制具有明顯的優勢。而且，激光光源易控制，所以，激光彎曲可不受加工環境、工件幾何形狀的限制。通過優化工藝參數、精確控制加熱區域的大小和位置，可以實現對彎曲成形的精確控制。

3.4 激光打孔技術

利用激光的功率密度高的特點，將其聚焦，使加工材料瞬間被加熱熔化、汽化，熔化物質被蒸氣的剩余壓力排擠出來，形成孔洞。激光打孔適應性強，軟、脆、硬材料均可適用，且由于其是非接觸式加工，不存在刀具磨損問題，大批量加工時可降低成本。

4 激光加工的最新研究進展

4.1 激光微調

在一些工業生產中，既要滿足快速，又要達到精密生產。要實現這一目標，可行的方法是，先用高速大規模加工進行初加工，使其形成一定的精度，然后再用一個微調工序，使其滿足精度要求。如今，激光微調技術廣泛用于大規模集成電路的制造中，它是高速高精密生產的唯一方法。

4.2 激光輔助化學氣相沉積

激光輔助化學氣相沉積是在化學氣相沉積過程中引入激光，來促進或控制化學氣相沉積過程的一種薄膜沉積技術。若用普通的化學氣相沉積法加工，可以看到明顯的膜-基界面，鍍層也存在鼓泡、剝落等問題。從相關研究可以看出，在不改變原有工藝、主要設備的情況下，利用激光的表面加熱功能使薄膜與基底實現合金化可以消除膜-基界面，而且激光加熱可以對薄膜進行重融實現致密化，能消除針孔、微孔。

4.3 激光沖擊強化處理

激光沖擊強化技術，也稱激光噴丸技術，通過高功率密度、短脈沖的激光輻照金屬材料表面，利用受激光激發的等離子體產生的強烈沖擊波，在目標工件的表層形成殘余壓應力，以提高目標工件的疲勞強度。

參考文獻

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作者簡介

張臣（1996-），鄭州大學機械工程專業，2014級本科生。

吳恒鑫（1995-），鄭州大學機械工程專業，2014級本科生。