基于理論與實踐相結合的激光加工實訓課程探索與實踐

焦 輝 呂汝金 王喜社

（桂林電子科技大學 教學實踐部，桂林 541004）

2015年5月19 日，國務院正式發布《中國制造2025》，整體部署我國制造業轉型升級和跨越發展，提出了基于我國國情的“三步走”戰略目標，明確指出建設制造強國的戰略任務和重點，是實現我國制造強國戰略的第一個十年行動綱領。如今，我國已成為全球制造業的加工中心，新技術、新裝備、新方法等不斷涌現，對人才需求的標準也越來越高。推進素質教育、培養工程意識、提升專業水平以及加強科技創新，是21世紀高校工程教育的要求。因此，深化工程教育改革、加強學生工程意識、培養實踐能力和創新能力，是新時代工科背景下高校工程教育的新使命。工程訓練中心作為現代高校工程教育實施的重要載體，憑借在高校實踐教學中的地位和資源優勢，率先突破學科專業的限制，整合集中規劃學校的內部資源，使其成為高校工科專業學生開展創新實踐的新天地[1-2]，促使現代工程教育逐漸由傳統金工實習向現代工程訓練轉變。工程教育的深度和廣度逐漸擴大，對提高學生實踐能力和綜合能力、培養創新意識具有重要作用。工程實訓作為工程實踐教學的主要載體和平臺，是高校重要的實踐教學，是創新教育和素質教育的重要手段，是大學生實踐與理論相聯系的橋梁。

1 激光加工技術概述

激光加工實訓是工程實訓的重要組成部分，是先進制造技術的典型代表，也是高校學生學習和應用激光加工技術的重要載體[3]。激光加工技術不同于傳統加工技術。比如，車銑刨磨鉆等均為接觸式加工，所用的刀具硬度須強于所加工的材料，且加工存在刀具磨損等問題，而激光加工是一種非接觸式加工，對材料選擇限制較低，不存在刀具磨損等問題[4]。此外，激光加工技術具有快速、高效、靈活及高精度等優勢。目前，具有代表性的激光加工技術約20多種，廣泛應用于航空航天、醫療器械、半導體以及汽車等行業，用于完成切割、焊接、打標、打孔、雕刻、快速成形、清洗以及表面強化等任務[5]。在“中國制造2025”的背景下，文章旨在激光加工實訓中為學生傳授激光加工技術理論知識，提升工程綜合素質，訓練創新思維，培養科研能力。

2 激光加工實訓課程教學設計

激光實訓課程主要圍繞激光產生原理、激光加工機理、激光去除材料過程的數值模擬、激光設備及其系統和激光加工模型設計及其繪圖等展開，使學生“知其然且知其所以然”，幫助學生構建較完整的激光加工理論體系，同時提升工程綜合素質、訓練創新思維和培養科研能力。

2.1 激光和激光加工理論

激光產生原理和激光加工去除材料機理是了解和操作激光設備的前提。激光不同于普通光源，激光產生的必要條件是粒子數的反轉和光學諧振器。當輻射波作用于原子時，在原子內部，光的受激吸收和受激輻射是同時存在的相反過程，哪個過程占據主體地位，將決定入射光是被放大還是被衰減。若受激輻射超過受激吸收，說明光的增益大于衰減，最終效果表現為光被放大。如果受激吸收占主體地位，將導致光被衰減。一般而言，物質與外界處于能量平衡狀態即熱平衡狀態，粒子數不會發生反轉。僅當外界給予物質能量時，物質將處于非平衡狀態，此時才有可能發生粒子數反轉。激活介質可使粒子數反轉分布，即激光器的工作介質。受激輻射的光在諧振腔產生振蕩且不斷發生雪崩式放大，能在極短時間內從部分反射鏡中輸出強激光[6]。

激光加工是指激光與材料的相互作用，包含復雜的微觀量子過程，也包含激光作用于不同材料時所展現的宏觀現象。激光輻射到材料表面會出現反射、折射、吸收、干涉、偏振、光電效應以及氣體擊穿等現象，其中以反射、吸收和折射為主要特征。激光與材料作用的常見現象，如圖1所示。激光通過加熱、熔化和蒸發來去除材料，通常會伴隨劇烈的發光、發熱現象。

2.2 激光加工數值模擬

激光加工過程的數值模擬是詳細表征去除過程、分析去除機理、指導實際加工的有效方法。激光去除材料過程實質是熱量轉移的過程。材料升溫相變，通常伴隨物理變化或化學變化，如熔化、蒸發以及燃燒等。通過數值模擬方式可以較好地理解激光加工材料的去除過程，對實驗結果具有較好的解釋作用，同時可以為進一步優化設計實驗提供理論指導。材料在激光作用下會發生固態、液態和氣態的相互轉變，即整個加工過程是氣體、液體和固體的流體傳熱過程。激光加工的數值模擬需要考慮表面張力、反沖壓力、固液相間摩擦力、潛熱以及馬蘭戈尼力等因素，建立質量、動量和能量守恒方程，并計算求解控制方程組[7]。采用COMSOL軟件中的水平集兩相流模塊和流體傳熱模塊進行求解，合理設置邊界條件，由計算可得激光去除材料過程中的體積分數相圖、溫度分布以及速度分布等。

高斯面熱源隨著入射深度增大，光強呈指數衰減。同時，考慮沿深度方向變化的光束半徑，則入射深度z處的光強q(r,z)可表示為[8]：

式中：P為連續脈沖激光的有效激光功率；α為材料對應波長的吸收系數；k為熱集中系數，常取2和3；r為徑向位置；r0為基材表面聚焦光斑半徑；r(z)為聚焦高斯光束在近聚焦范圍內的光束半徑；λ為激光波長；z為軸向位置；M為光束質量因子，常取1。

此外，激光加工過程中往往需要同軸氣體射流輔助，且設置氣體射流對激光加工結果和質量具有重要影響，如氣體類型、氣體壓力以及噴嘴直徑等。通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真分析氣體沖擊材料的過程，便于進一步指導激光加工過程。

2.3 激光加工設備

根據激光行業設備現狀，文章主要圍繞激光設備分類、工作原理、操作流程、維護、保養和故障處理等展開。激光加工設備屬于技術綜合度較高的產品，已廣泛用于各種新興產業、傳統制造業以及微電子行業等。目前，市場主要根據激光器工作的物理性質和用途分類激光設備。按物理性質的不同，激光設備通常可分為固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、自由電子激光器、液體激光器以及化學激光器等。其中，用途最廣的激光設備主要是氣體激光器和固體激光器。氣體激光器以氣體或蒸汽作為工作介質，常用的有CO2、氦、氖等氣體。固體激光器以晶體和玻璃作為工作介質，常用的有摻釹釔鋁石榴石激光器、紅寶石晶體以及釹玻璃等。按功能用途，激光設備可分為激光切割機、激光焊接機、激光雕刻機、激光打標機以及激光3D打印機等[9-10]。

激光器發射的激光經光路系統最終聚焦到材料表面，并利用數控系統完成特定圖形的加工。激光雖然可以高效率加工材料，但存在一定的危險性，如對人的眼睛、皮膚以及呼吸道容易造成損傷，因此需要按照操作安全規范實施個人防護。此外，相關人員需要了解設備維護和保養的基本流程和操作方法，并掌握常見故障的處理方法。

2.4 激光加工圖形繪制

學生通常利用軟件繪制設計的作品，常用軟件包括AutoCAD、CorelDRAW、LaserMaker和Adobe Photoshop等。通過加工作品方式講解常用軟件的基本操作和多軟件的協同運用，完成整個作品的全部加工和裝配工作。學校實施構思、設計、實現、運作（Conceive Design Implement Operate，CDIO ）工程教育模式，通過作品設計過程提升學生的工程綜合素質和訓練學生的創新思維。

3 激光加工實訓課程實踐與分析

學校根據激光加工實訓課程設計的激光和激光加工理論、激光加工數值模擬、激光加工設備和激光加工圖形繪制等內容，可以幫助學生構建較完整的激光加工理論體系，從而高質量地完成激光加工實訓課程。

圖2為激光加工碳纖維復合材料形貌圖。通過激光加工碳纖維復合材料現象和結果展示的方式，講解激光加工材料機理、激光熱作用、激光加工產生的熱損傷、激光的危險性及個人防護等。圖2（a）為激光劃切碳纖維復合材料獲得的切槽，因激光能量的高斯分布而產生較大面積黑色區域即熱影響區；圖2（b）為切槽截面形貌，因復合材料每層導熱系數差異分布產生非“V”形的黑色熱影響區。圖3為數值模擬獲得的激光燒蝕等溫線和燒蝕形貌。圖3（a）等溫線能合理解釋圖2（b）中熱影響區非“V”形分布。圖3（b）則為仿真得到的燒蝕形貌。

圖4為利用軟件繪制的加工圖形。根據不同材料，設計人員在軟件中設置與之相對應的激光參數。根據圖形顏色分別設置切割參數和雕刻參數，之后正確操作激光設備完成作品加工，其中由零部件構成的作品需要進行后期裝配。圖5和圖6分別為激光加工得到的作品。圖5是先設置激光功率等參數再通過雕刻功能和切割功能直接獲得的作品。圖6是在軟件中先合理設置所選材料的厚度再經由裝配獲得的作品。

4 結語

文章探索并實踐了基于理論與實踐相結合的激光加工實訓課程。學生學習激光和激光加工理論、激光加工數值模擬、激光加工設備以及激光加工圖形繪制等，同時了解激光行業情況、激光加工設備構造及工作原理，掌握激光加工原理、激光加工流程和圖形繪制，有利于幫助學生構建較完整的激光加工理論體系，對提升學生工程綜合素質、訓練學生創新思維和培養學生科研能力具有重要作用。此外，激光加工實訓課程的實踐有利于提高學生專業水平和實踐能力，從而更好地適應新時代社會發展需求。