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)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、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)作為先進制造技術(shù)已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經(jīng)濟的重要部門，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動生產(chǎn)率、自動化，減少污染、材料消耗等起到愈來愈重要的作用。在各個領(lǐng)域，以激光切割、激光打標和激光焊接的應用最為廣泛。

圖1 激光加工原理圖

激光技術(shù)的應用

激光切割

        傳統(tǒng)切割工藝有氣割、機械加工切割、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，無法切割復雜曲線，切割時材料損耗嚴重；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雜曲線形狀板材時效果很差；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到毫米級別，也就是說只能進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)勢較明顯：切割速度快，效率高，加工范圍大，加工時由于是用光束代替?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?，切口沒有機械應力，無剪切毛刺，加工精度高，重復性好，不損傷板材表面，數(shù)控編程，加工范圍大，無需開模，經(jīng)濟省時；特別是加工曲線時，優(yōu)勢最為明顯。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明顯的接刀痕跡，加工時由于板材靜止，也避免了板材表面運動時出現(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、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(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，在非常短的時間內(nèi)達到材料的沸點，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，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，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，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區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應產(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，而切割速度遠遠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，脆性材料就會沿小槽處裂開。

       前三種切割方式是目前激光切割的主要應用方式。從目前市場上激光切割機應用的情況來看，激光在切割黑色金屬上應用效果較好，切割速度快，切割厚度可以達到20mm甚至更高。由于有色金屬的分子結(jié)構(gòu)對激光束的反射作用，激光切割有色金屬效果稍差，而且機床上必須要配置反光鏡。據(jù)統(tǒng)計，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)的激光切割機加工精度和穩(wěn)定性均不錯。國內(nèi)市場上使用的國外品牌切割機有德國的通快、瑞士的百超、意大利的普瑞瑪、比利時的LVD、日本的AMADA等品牌，從應用情況來看德國通快的激光切割機質(zhì)量更加突出一些，但是價格也是最高的。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，揚力都有進行激光切割機的生產(chǎn)，但是機床主要部件均為原裝進口，而且整機加工效果質(zhì)量穩(wěn)定性不高。限于目前國內(nèi)這種狀態(tài)，國家對進口激光切割機實行免關(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，長期直視會造成視網(wǎng)膜和皮膚輕微損傷，操作時建議操作人員配帶防護眼鏡。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“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”，當適時加入正反饋回路（構(gòu)成諧振腔）便可形成激光振蕩輸出。輸出的為不可見光，直視會造成視網(wǎng)膜和皮膚的嚴重受損，操作時操作者必須佩帶特殊防護眼鏡。CO2激光器光路結(jié)構(gòu)較復雜，光學鏡片損耗也較大。對環(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，對環(huán)境要求不高（對灰塵、震蕩、沖擊、溫度、濕度有較高的容忍度）。切割薄板時光纖激光器速度更快，切割厚板時CO2激光器能力更強。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材料進行微小區(qū)域內(nèi)的局部加熱，激光輻射的能量通過熱傳導向材料的內(nèi)部擴散，將材料熔化后形成特定熔池。它是一種新型的焊接方式，激光焊接主要針對薄壁材料、精密零件的焊接，可實現(xiàn)點焊、對接焊、疊焊、密封焊等，主要特點：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，聚焦光點小，定位精度高，易實現(xiàn)自動化。

圖3 激光焊接

激光焊接的主要優(yōu)點：

⑴激光焊接時，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，且因熱傳導所導致的變形亦最小。

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、對準及受光學儀器所導引，可放置在離工件適當之距離，且可在工件周圍的機具或障礙間再導引，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易于以自動化進行高速焊接，亦可以數(shù)位或電腦控制。

⑼焊接薄材或細徑線材時，不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。

⑽不受磁場所影響（電弧焊接及電子束焊接則容易），能精確的對準焊件。

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10∶1。

⒀可以切換裝置將激光束傳送至多個工作站。

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。激光焊接的主要缺點：

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，必須確保焊件的最終位置與激光束將沖擊的焊點對準。

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

⑷高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，焊接性會受激光所改變。

⑸采用高能量激光束焊接時，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價格昂貴。

       特別是最后一條缺點，設(shè)備價格昂貴。與普通焊機數(shù)千元一臺相比較，激光焊機動輒數(shù)十萬，甚至數(shù)百萬一臺的價格極大的限制了激光焊接技術(shù)的應用普及。

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算機的控制下，照射到需要打標的產(chǎn)品表面，使產(chǎn)品表面瞬間熔化或汽化，從而在產(chǎn)品表面標刻出需要的文字或圖案標識，如圖4所示。激光刻字也叫激光打標，激光打標的特點：永久牢固、圖案精美、高速高效、非接觸方式、重復精度高、無須制版、沒有污染、易于實現(xiàn)與生產(chǎn)線同步飛行打印等特點。標記內(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的打標模式，非常適應現(xiàn)代化生產(chǎn)（高效率、快節(jié)奏）。如表1所示是幾種標記工藝的對比，從中可以看出來，激光打標技術(shù)的優(yōu)勢是非常明顯的。

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)的一個重大變革。是激光技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應用的一個拓展。隨著全球市場一體化進程的加速，制造業(yè)的競爭十分激烈，產(chǎn)品的開發(fā)速度日益成為競爭的主要矛盾。同時，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其實就是電腦設(shè)計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)能在幾小時或幾十小時內(nèi)直接從CAD三維實體模型制作出原型，與圖紙和計算機屏幕提供的信息相比，快速成形提供了一個信息更豐富、更直觀的實體。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)的投資風險。

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算機控制下的紫外線激光以預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂逐點、逐層進行掃描，使被掃描的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應而固化成形。

表1 幾種標記工藝對比

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算機的控制下按分層信息切出輪廓，同時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)法屬于機械工程學科特種加工工藝的范疇，于20世紀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)法是一項多學科交叉多技術(shù)集成的先進制造技術(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工作臺的帶動下，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)復雜熔模精密鑄件所用蠟模，減少大量外協(xié)費用，同時對于單件、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)。可以肯定未來激光快速成形技術(shù)將得到更加廣泛的應用。

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現(xiàn)表面熱處理。它可以對金屬實現(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到60HRC以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達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