激光加工原理

       激光加工技術(shù)（圖1）就是把光的能量，經(jīng)過透鏡聚焦，形成能量密度極高的激光束，利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等的一門技術(shù)。激光加工技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機(jī)械制造等國民經(jīng)濟(jì)的重要部門，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、自動(dòng)化，減少污染、材料消耗等起到愈來愈重要的作用。在各個(gè)領(lǐng)域，以激光切割、激光打標(biāo)和激光焊接的應(yīng)用最為廣泛。

圖1 激光加工原理圖

激光技術(shù)的應(yīng)用

激光切割

        傳統(tǒng)切割工藝有氣割、機(jī)械加工切割、沖裁剪切、等離子切割等。氣割雖然切割速度快，切割厚度大，但是切割尺寸精度明顯不佳，切割成本較大且后續(xù)加工成本較高；機(jī)械加工切割雖然切割精度較高，但切割速度太慢，無法切割復(fù)雜曲線，切割時(shí)材料損耗嚴(yán)重；沖裁剪切效率較高，成本最低，但是加工質(zhì)量不高，加工范圍有限，特別是在加工厚板和復(fù)雜曲線形狀板材時(shí)效果很差；等離子切割雖然效率較高，切割斷面比上述幾種加工方式的切割斷面質(zhì)量都好，但是切割精度只能達(dá)到毫米級(jí)別，也就是說只能進(jìn)行粗加工和半精加工。

       與傳統(tǒng)切割工藝相比較，激光切割工藝（圖2）的優(yōu)勢(shì)較明顯：切割速度快，效率高，加工范圍大，加工時(shí)由于是用光束代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刀具或火焰，切口光滑平整，一般不需要后續(xù)加工，切割熱影響區(qū)小，板材變形小，切割縫?。ò宀睦寐矢撸?，切口沒有機(jī)械應(yīng)力，無剪切毛刺，加工精度高，重復(fù)性好，不損傷板材表面，數(shù)控編程，加工范圍大，無需開模，經(jīng)濟(jì)省時(shí)；特別是加工曲線時(shí)，優(yōu)勢(shì)最為明顯。與沖裁剪切加工相比，加工面光滑圓潤，沒有沖裁加工曲線時(shí)明顯的接刀痕跡，加工時(shí)由于板材靜止，也避免了板材表面運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)劃痕。

圖2 激光切割

       激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割、激光劃片與控制斷裂四類。

⑴激光汽化切割。

       激光汽化切割是利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到材料的沸點(diǎn)，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時(shí)，在材料上形成切口。激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料的切割。

⑵激光熔化切割。

       激光熔化切割時(shí)，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體（Ar、He、N2等），依靠氣體的強(qiáng)大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。

⑶激光氧氣切割。

       激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

⑷激光劃片與控制斷裂。

       激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進(jìn)行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會(huì)沿小槽處裂開。

       前三種切割方式是目前激光切割的主要應(yīng)用方式。從目前市場(chǎng)上激光切割機(jī)應(yīng)用的情況來看，激光在切割黑色金屬上應(yīng)用效果較好，切割速度快，切割厚度可以達(dá)到20mm甚至更高。由于有色金屬的分子結(jié)構(gòu)對(duì)激光束的反射作用，激光切割有色金屬效果稍差，而且機(jī)床上必須要配置反光鏡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，切割鋁合金金屬的厚度不超過黑色金屬的一半。切割銅合金效果更差，特別是切割紫銅。

       國外在激光切割技術(shù)上研究較早，所研究生產(chǎn)的激光切割機(jī)加工精度和穩(wěn)定性均不錯(cuò)。國內(nèi)市場(chǎng)上使用的國外品牌切割機(jī)有德國的通快、瑞士的百超、意大利的普瑞瑪、比利時(shí)的LVD、日本的AMADA等品牌，從應(yīng)用情況來看德國通快的激光切割機(jī)質(zhì)量更加突出一些，但是價(jià)格也是最高的。國內(nèi)激光切割領(lǐng)域近幾年也興起一些民族品牌，像大族，楚天，甚至金方圓，揚(yáng)力都有進(jìn)行激光切割機(jī)的生產(chǎn)，但是機(jī)床主要部件均為原裝進(jìn)口，而且整機(jī)加工效果質(zhì)量穩(wěn)定性不高。限于目前國內(nèi)這種狀態(tài)，國家對(duì)進(jìn)口激光切割機(jī)實(shí)行免關(guān)稅政策。

       激光切割的核心部件是激光發(fā)生器。激光發(fā)生器類型有CO2激光器和光纖激光器。CO2激光器是通過高壓對(duì)經(jīng)過激光器光腔里的一定比例的CO2，He和N2的混合氣體放電，混合氣體中的原子受激釋放能量，能量以光子或電子的形式輸出形成激光。CO2激光器所發(fā)射的激光為可見光，長期直視會(huì)造成視網(wǎng)膜和皮膚輕微損傷，操作時(shí)建議操作人員配帶防護(hù)眼鏡。光纖激光器是指用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，在泵浦光的作用下，光纖內(nèi)極易形成高功率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級(jí)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當(dāng)適時(shí)加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。輸出的為不可見光，直視會(huì)造成視網(wǎng)膜和皮膚的嚴(yán)重受損，操作時(shí)操作者必須佩帶特殊防護(hù)眼鏡。CO2激光器光路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，光學(xué)鏡片損耗也較大。對(duì)環(huán)境要求較高（塵埃較少），設(shè)備要求與震源隔離，保證激光器干燥和恒溫。光纖激光器光路簡單，對(duì)環(huán)境要求不高（對(duì)灰塵、震蕩、沖擊、溫度、濕度有較高的容忍度）。切割薄板時(shí)光纖激光器速度更快，切割厚板時(shí)CO2激光器能力更強(qiáng)。CO2激光器不能切割高反射金屬板材。光纖激光器可以切割薄銅金屬板。

激光焊接

       激光焊接（圖3）是激光技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域。激光焊接的工作原理是利用高能量的激光脈沖對(duì)材料進(jìn)行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導(dǎo)向材料的內(nèi)部擴(kuò)散，將材料熔化后形成特定熔池。它是一種新型的焊接方式，激光焊接主要針對(duì)薄壁材料、精密零件的焊接，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊、對(duì)接焊、疊焊、密封焊等，主要特點(diǎn)：深寬比高，焊縫寬度小，熱影響區(qū)小、變形小，焊接速度快，焊縫平整、美觀，焊后無需處理或只需簡單處理，焊縫質(zhì)量高，無氣孔，可精確控制，聚焦光點(diǎn)小，定位精度高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

圖3 激光焊接

激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)：

⑴激光焊接時(shí)，可將入熱量降到最低的需要量，熱影響區(qū)金相變化范圍小，且因熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的變形亦最小。

⑵32mm板厚單道焊接的焊接工藝參數(shù)經(jīng)檢定合格，可降低厚板焊接所需的時(shí)間，甚至可省掉填料金屬的使用。

⑶不需使用電極，沒有電極污染或受損的顧慮，且因不屬于接觸式焊接制程，夾具的耗損及變形可降至最低。

⑷激光束易于聚焦、對(duì)準(zhǔn)及受光學(xué)儀器所導(dǎo)引，可放置在離工件適當(dāng)之距離，且可在工件周圍的機(jī)具或障礙間再導(dǎo)引，其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發(fā)揮。

⑸工件可放置在封閉的空間里（經(jīng)抽真空或內(nèi)部氣體環(huán)境在控制下）。

⑹激光束可聚焦在很小的區(qū)域，可焊接小型且間隔相近的部件。

⑺可焊材質(zhì)種類范圍大，亦可相互接合各種異質(zhì)材料。

⑻易于以自動(dòng)化進(jìn)行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。

⑼焊接薄材或細(xì)徑線材時(shí)，不會(huì)像電弧焊接般易有回熔的困擾。

⑽不受磁場(chǎng)所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對(duì)準(zhǔn)焊件。

⑾可焊接不同物性（如不同電阻）的兩種金屬。

⑿若以穿孔式焊接，焊道深寬比可達(dá)10∶1。

⒀可以切換裝置將激光束傳送至多個(gè)工作站。

由于激光焊接具有以上特性，激光焊接在民用車輛制造領(lǐng)域應(yīng)用較為普及。高鐵制造行業(yè)，汽車制造行業(yè)中激光焊接是主要的焊接工藝，但是激光焊接也有不少缺點(diǎn)。激光焊接的主要缺點(diǎn)：

⑴焊件位置需非常精確，務(wù)必在激光束的聚焦范圍內(nèi)。

⑵焊件需使用夾具時(shí)，必須確保焊件的最終位置與激光束將沖擊的焊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)。

⑶最大可焊厚度受到限制，滲透厚度遠(yuǎn)超過19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。

⑷高反射性及高導(dǎo)熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會(huì)受激光所改變。

⑸采用高能量激光束焊接時(shí)，需使用等離子控制器將熔池周圍的離子化氣體驅(qū)除，以確保焊道的再現(xiàn)。

⑹能量轉(zhuǎn)換效率太低，通常低于10%。

⑺焊道快速凝固，可能有氣孔及脆化的顧慮。

⑻價(jià)格昂貴。

       特別是最后一條缺點(diǎn)，設(shè)備價(jià)格昂貴。與普通焊機(jī)數(shù)千元一臺(tái)相比較，激光焊機(jī)動(dòng)輒數(shù)十萬，甚至數(shù)百萬一臺(tái)的價(jià)格極大的限制了激光焊接技術(shù)的應(yīng)用普及。

激光刻字

       激光刻字的工作原理是以能量密度極高的激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，照射到需要打標(biāo)的產(chǎn)品表面，使產(chǎn)品表面瞬間熔化或汽化，從而在產(chǎn)品表面標(biāo)刻出需要的文字或圖案標(biāo)識(shí)，如圖4所示。激光刻字也叫激光打標(biāo)，激光打標(biāo)的特點(diǎn)：永久牢固、圖案精美、高速高效、非接觸方式、重復(fù)精度高、無須制版、沒有污染、易于實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)線同步飛行打印等特點(diǎn)。標(biāo)記內(nèi)容可以是數(shù)字、字母、漢字、圖形圖象、條形碼等。激光刻字是目前國際流行的最為先進(jìn)的打標(biāo)模式，非常適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)（高效率、快節(jié)奏）。如表1所示是幾種標(biāo)記工藝的對(duì)比，從中可以看出來，激光打標(biāo)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

圖4 激光刻字件

激光快速成形技術(shù)

圖5 激光成形

       激光快速成形技術(shù)（圖5）是現(xiàn)代制造技術(shù)的一個(gè)重大變革。是激光技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)拓展。隨著全球市場(chǎng)一體化進(jìn)程的加速，制造業(yè)的競(jìng)爭十分激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為競(jìng)爭的主要矛盾。同時(shí)，制造業(yè)需要滿足日益變化的用戶需求，又要求制造技術(shù)有較強(qiáng)的靈活性，能夠以小批量甚至單件生產(chǎn)而不增加產(chǎn)品的成本。激光快速成形（RP-Rapid Prototyping）技術(shù)是一種用材料逐層堆積出制件的制造方法?；蛘吒ㄋ椎恼f其實(shí)就是電腦設(shè)計(jì)3D圖形，利用激光產(chǎn)生的高溫按照3D圖形燒結(jié)金屬粉末，產(chǎn)生金屬構(gòu)件。采用該技術(shù)能在幾小時(shí)或幾十小時(shí)內(nèi)直接從CAD三維實(shí)體模型制作出原型，與圖紙和計(jì)算機(jī)屏幕提供的信息相比，快速成形提供了一個(gè)信息更豐富、更直觀的實(shí)體。特別是在產(chǎn)品開發(fā)階段，利用快速成形技術(shù)全面考慮各種因素，力爭使開發(fā)能夠一次獲得成功，從而縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，避免開發(fā)的投資風(fēng)險(xiǎn)。

激光成形主要有四種主要方法：

⑴立體光固化（SLA）。

       立體光固化造形是將計(jì)算機(jī)控制下的紫外線激光以預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)液態(tài)樹脂逐點(diǎn)、逐層進(jìn)行掃描，使被掃描的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化成形。

表1 幾種標(biāo)記工藝對(duì)比

⑵疊層法（LOM）。

       疊層法出現(xiàn)于1985年。首先在基板上鋪一層箔材（如紙張），然后用一定功率的紅外激光在計(jì)算機(jī)的控制下按分層信息切出輪廓，同時(shí)將非零件部分按一定的網(wǎng)格形狀切成碎片以便去除，加工完一層后，再鋪上一層箔材，用熱輥碾壓，使新鋪上的一層在粘接劑的作用下粘在已成形體上，再切割該層的形狀，如此反復(fù)直至加工完畢。最后去除切碎的多余部分，便可得到完整的零件。

⑶激光選區(qū)燒結(jié)法（SLS）。

       激光選區(qū)燒結(jié)法屬于機(jī)械工程學(xué)科特種加工工藝的范疇，于20世紀(jì)80年代后期興起，源于美國，后經(jīng)技術(shù)改革，延續(xù)傳播到日本、西歐和中國。激光選區(qū)燒結(jié)法是一項(xiàng)多學(xué)科交叉多技術(shù)集成的先進(jìn)制造技術(shù)，也是制造業(yè)理論研究成果中具有代表性的成果之一。

⑷融熔沉積法（FDM）。

       融熔沉積法是1988年發(fā)明的，利用噴頭中噴出的熔化材料在X－Y工作臺(tái)的帶動(dòng)下，按截面形狀鋪在底板上，一層一層加工，最終制造出零件。商品化的FDM設(shè)備使用的材料范圍很廣，如鑄造石蠟、尼龍、熱塑性塑料、ABS等。此外為提高效率可以采用多個(gè)噴頭。

       激光快速成形技術(shù)與鑄造車間現(xiàn)有的精密鑄造工藝相結(jié)合，使鑄造車間自己有能力快速生產(chǎn)各類大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜熔模精密鑄件所用蠟?zāi)?，減少大量外協(xié)費(fèi)用，同時(shí)對(duì)于單件、小批量熔模精密鑄件的生產(chǎn)可以不用模具，從而節(jié)省大量模具加工費(fèi)用，大大縮短生產(chǎn)周期，為新產(chǎn)品研制和開發(fā)節(jié)省了大量寶貴時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本，而且也使鑄造車間精密鑄造水平有所提高，為確保后續(xù)型號(hào)產(chǎn)品中精密鑄件生產(chǎn)任務(wù)的順利完成打下良好的基礎(chǔ)?？梢钥隙ㄎ磥砑す饪焖俪尚渭夹g(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

激光熱處理

       激光熱處理（圖6）是一種表面熱處理技術(shù)。即利用激光加熱金屬材料表面實(shí)現(xiàn)表面熱處理。它可以對(duì)金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火）、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)生用其大表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到60HRC以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)70HRC以上，從而提高其抗磨性、抗疲勞、耐腐蝕,抗氧化等性能，延長其使用壽命。在鈑金行業(yè)中，AMADA數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的轉(zhuǎn)塔就采用激光淬硬處理，處理后的轉(zhuǎn)塔耐磨性能特別好。

圖6 激光熱處理