激光加工技术及其应用概述:激光加工(Laser Beam Machining,简称LBM是指利用能量密度非常高的激光束对工件进行加工的过程。
激光几乎能加工所有材料,例如,塑料、陶瓷、玻璃、金属、半导体材料、复合材料及生物、医用材料等。
在1960年12月,出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器——氦氖激光器。
1962年,有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。
1966年,科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。
此外,还有输出能量大、功率高,而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。
与传统加工技术相比,激光加工技术有以下特点(1激光功率密度大,工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化,即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等也可用激光加工;(2、激光头与工件不接触,不存在加工工具磨损问题;(3、工件不受应力,不易污染;(4、可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工;(5、激光束的发散角可小于1毫弧,光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级,因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工;(6、激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合,实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度;(7、在恶劣环境或其他人难以接近的地方,可用机器人进行激光加工。
2.基本原理激光被广泛应用是因为它具有的单色波长、同调性和平行光束等3大特性。
科学家在电管中以光或电流的能量来撞击某些晶体或原子易受激发的物质,使其原子的电子达到受激发的高能量状态。
当这些电子要回复到平静的低能量状态时,原子就会射出光子,以放出多余的能量。
这些被放出的光子又会撞击其它原子,激发更多的原子产生光子,引发一连串的连锁反应,并且都朝同一个方前进,进而形成集中的朝向某一方向的强烈光束。
由此可见,激光几乎是一种单色光波,频率范围极窄,又可在一个狭小的方向内集中高能量,所以利用聚焦后的激光束可以穿透各种材料。
以红宝石激光器为例,它输出脉冲的总能量不够煮熟一个鸡蛋,但却能在3mm的钢板上钻出一个小孔。
激光拥有上述特性,并不是因为它有与别不同的光能,而是它的功率密度十分高,这就是激光能够被广泛应用的主要原因。
激光加工技术先进性激光的上述特性给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的优势。
由于激光加工是无接触加工,对工件无直接冲击,所以无机械变形。
激光加工过程中无刀具磨损,无切削力作用于工件;激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,对非激光照射部位没有影响或影响极小,因此受其热影响的工件热变形小,后续加工量少。
激光束易于导向、聚焦,能够便捷地实现方向变换,使其极易与数控系统配合,对复杂的工件进行加工。
因此,它是一种极为灵活的加工方法,具备生产效率高、加工质量稳定可靠、经济效益和社会效益好等优点。
激光加工作为先进制造技术已广泛应用于航空、汽车、机械制造等国民经济重要部门,在提高产品质量、劳动生产率、自动化、降低污染和减少材料消耗等方面起到重要的作用。
激光切割激光切割一直是激光加工领域中最为活跃一项技术,它是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑,将材料快速加热至汽化温度,再用喷射气体吹化,以此分割材料。
脉冲激光适用于金属材料,连续激光适用于非金属材料,通过与计算机控制的自动设备结合,使激光束具有无限的仿形切割能力,切割轨迹修改十分方便。
激光切割技术的出现使人类可以切割一些硬度极高的物质,包括硬质合金,甚至金刚石。
高科技已经让“削铁如泥”的传说变成了现实。
激光切割技术是激光加工技术应用的重要方面之一,广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工成本,提高工件质量。
激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的,与传统的板材加工方法相比,具有高切割质量、高切割速度、高柔性(可随意切割任意形状和广泛的材料适应性等优点。
目前激光加工在航天、汽车等领域的应用最为广泛,如众多航天发动机企业采用3D激光设备进行燃烧器段的高温合金材料切割;军民用航空器的铝合金材料或特殊材料的激光切割;奔驰、奥迪、宝马、VOLVO等众多著名汽车公司的轿车车身整体切割等,已经实现了常规加工无法达到的技术要求。
农机制造中会应用到较厚的金属材料,应用其他加工方法不但加工难度大,而且不能保证工件的精度。
利用激光切割技术即可切割极厚的金属板,而且切割光束点小,材质不易变形, 保证了加工工件的精密度。
此外,由于激光束易于导向,使激光切割能够加工复杂、不规则的几何图形;激光切割技术利用计算机进行制图排版,能够有效地节省材料,可大大降低农机制造成本。
激光焊接激光焊接是一种高速度、非接触、变形极小的焊接方式,非常适合大量而连续的在线加工。
随着激光设备和加工技术的发展,激光焊接的能力也在不断增强,其主要工作方式有两种:传导焊与穿透焊,目前以穿透焊工艺为主。
其应用主要分为以下3类。
1用于移动通讯,如手机电池的焊接,电容、仪器仪表元件的焊接。
这类焊接设备主要采用的是Nd:YAG 激光器。
2用于焊接钢板。
这种钢板多用于钢铁工业(如钢板在线拼焊、汽车板拼接焊以及多种壳形类零件的焊接。
3用于金刚石锯片的焊接。
由于金刚石锯片广泛用于基建工程、石材工业等领域,加之欧洲早已禁止使用热阻焊的金刚石锯片,取而代之的是利用CO2激光器将金刚石刀头焊接到锯片基体上,因此国内外对激光焊接金刚石锯片的需求日益猛增。
由于激光焊接系统不是定型产品,因此大多都是根据生产需求“量身定做”,这就保证了产品生产的标准化与高速化。
初期的激光焊接主要以单激光作为焊接热源,主要进行精密薄壁件的焊接加工。
近几年来,随着工业用激光器和激光技术的发展,尤其是千瓦级大功率固体激光器的出现,由于其极高的能量密度和柔性(可用光导纤维传输,使激光焊接技术进入了一个快速发展和应用阶段。
特别要指出的是近几年来以激光为核心的激光—电弧复合热源焊接技术的出现,使激光焊接技术不仅可以应用到薄板的高速焊接上,而且还可以进行中厚板的高速焊接;不仅适用于一般的碳钢材料焊接,也适用于能源、交通运输、航空航天、工程机械等领域使用的新型高性能材料(高性能不锈钢、高强铝合金、高强钢、钛合金、镁合金及镍基合金等的焊接,是减小构件的变形、提高质量和效率的最有效焊接方法之一。
此外,激光、激光填丝、激光-电弧复合技术还是材料的表面强化与改性的重要方法之一。
这些新技术都使得激光焊接技术的应用范围大大拓宽,目前国外已将这些新技术应用到了汽车、航空航天、造船等领域。
随着激光焊接技术的不断发展与应用面的不断扩大,迫切需要对激光焊接技术标准化进行研究,通过标准化手段,带动和引导激光焊接技术向规范、健康、环保的方向发展。
激光表面改性激光表面改性技术的研究始于20世纪60年代,随着60年代第一台红宝石激光器的诞生及70年代大功率激光器的成功研制,又由于激光在材料加工中的优点有能量传递方便、集中,加工时间短、速度快,无污染,操作简单,加工激光技术的应用日趋广泛。
激光表面改性技术是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术。
激光表面改性技术是采用大功率密度的激光束以非接触性的方式加热材料表面,借助于材料表面本身传导冷却,使金属材料表面在瞬间(毫秒甚至微秒级被加热或熔化后高速冷却(可达104-108K/s,来实现其表面改性的工艺方法。
表面处理后使材料表面形成有一定厚度的能与本体冶金结合的、含有高度弥散的均匀细小的、具有极好的耐磨及耐蚀性的工作层。
激光处理无需淬火介质,处理后具有最小的变形,从而简化了后续加工工序。
激光表面改性主要包括激光硬化(激光淬火、激光表面合金化、激光熔覆等。
这些方法的目的和应用都是为了使工作面(各种钢材及铸铁零件表面获得基材无法达到或者需要太大代价才能得到的高硬度、高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能,从而实现既节约成本,又满足工作要求的目的。
激光表面改性是局部改性处理的新方法,是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一,具有很大的技术经济效益,广泛应用于机械、电器、航空、兵器、汽车等制造行业。
利用激光处理技术在一些表面性能差和价格便宜的基体金属表面上能制出耐磨、耐蚀和耐高温的表面合金层,用以取代昂贵的整体合金,节约贵重金属和战略材料,使廉价材料获得应用,从而大幅度降低成本。
另外,还可用来研制新材料和代用材料,制造出在性能上与传统冶金方法根本不同的表面合金,应用在太空、高温和化学腐蚀环境条件下工作的机械零件上,激光表面处理技术已显现出具有广阔的应用和发展前景。
为了进一步发展这项技术应积极开展以下几项工作。
首先,要研制输出功率高、稳定性好、使用寿命长和结构简单的激光器。
另外,激光表面改性技术的原理、工艺需进一步地深入研究,以便为其发展和工业应用提供可靠的科学依据,最后应扩大改性技术的工业应用,特别是在大工业生产线上的应用。
尽管这些工作是相当艰巨的,但是促进高质量、低成本的材料表面改性技术的发展,提高企业的经济效益,已成为工业发展的重要方向之一,因而在工业应用中具有巨大的潜力。
激光抛光技术在宏观领域适用的传统抛光手段(主要是机械抛光,由于实现方式的单一化,很难扩展到微观领域。
其他的特种抛光技术如化学抛光、电化学(电解抛光、火焰抛光等等,在适用于微元器件表面处理上,要做到仅对微米范围内成形的微结构抛光,而对其他部位没有影响,确也勉为其难。
激光抛光,作为一种非接触性原理的抛光技术,则是可以想见成为微结构抛光工艺的重要技术手段。
激光抛光的必要性主要体现在以下几点。
1非接触式抛光。
接触式抛光在样品上施加了外力,样品在外力下容易破裂。
而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力。
2去除了传统抛光技术( 如研磨抛光中的磨痕。
普通光学加工中采用砂粒研磨的方式,微小颗粒对玻璃表面有很小的刮痕,通过原子力显微镜等手段可以观察到这些刮痕。
刮痕深度可能达几十纳米,从而影响抛光质量。
采用激光抛光,可克服这一问题的产生。
3微区抛光。
微细加工领域,激光抛光也有着较大的应用潜力。
目前,一般的Si微器件、MEMS的制作,在微结构成形的时候,工艺方法自身就保证了表面精度,而不需要像宏观机械零件加工那样在切削处理后,还应进行表面研抛处理才能降低表面粗糙度。
但在特种微加工、特殊器件制作领域,初级成形结构的表面精度达不到使用要求,或者处于易损(折断或磨损应用场合的微器件,则要求进行微区抛光。
微结构由于线度的影响,采用其他宏观大面积抛光处理方法很难实现工作,而激光束的精细聚焦、柔性变换等特征,可以充分满足微结构的抛光处理要求。
4选区抛光。
复杂微结构材料制备中,往往需要对选定的区域进行表面处理,而需处理和待处理的区域根据设计要求又往往交错在一起,这就需要相应的作用区域用可控的抛光技术来处理,对选定的区域进行局部抛光。