激光及其材料加工技术的研究及应用

激光及其加工技术的研究及应用 学院: 设计艺术学院 班级:工业设计2班 姓名: 高相新 学号: 09820223 激光及其材料加工技术的研究及应用 摘要:激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程。用激光束对材料进行各种加工,如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任何材料的加工制造,尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。 关键词:激光加工加工原理激光制造体系技术发展 一、激光加工技术概述 激光是本世纪的重大发明之一,具有巨大的技术潜力。激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点,特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域,国外已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,已成为企业实行适时生产的关键技术,为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术,它的研究范围一般可分为:1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。 1、激光加工的原理 激光加工是将激光束照射到工件的表面,以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工,工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力,所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节,因此激光加工可应用到不同层面和范围上。 2、激光加工的特点 激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势: ①由于它是无接触加工,并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调,因此可以实现多种加工的目的。 ②它可以对多种金属、非金属加工,特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。 ③激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于工件。 ④激光加工过程中,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,其热影响区小,工件热变形小,后续加工量小。 ⑤它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。 ⑥使用激光加工,生产效率高,质量可靠,经济效益好。 二、激光加工技术分类 目前已成熟的激光加工技术包括:激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、 激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。 激光快速成形技术集成了激光技术、cad/cam技术和材料技术的最新成果,根据零件的cad模型,用激光束将光敏聚合材料逐层固化,精确堆积成样件,不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件,该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。 激光切割技术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。 激光焊接技术具有溶池净化效应,能纯净焊缝金属,适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高,对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光焊接,用比切割金属时功率较小的激光束,使材料熔化而不使其气化,在冷却后成为一块连续的固体结构。 激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点,已成为现代制造领域的关键技术之一。 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应,从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等,字符大小可以从毫米到微米量级,这对产品的防伪有特殊的意义。 激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本,可加工0.125~1微米宽的线,非常适合于超大规模集成电路的制造。 激光划线技术是生产集成电路的关键技术,其划线细、精度高,加工速度快,成品率可达99.5%以上。 激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染,提高精密器件的成品率。 激光热、表处理技术包括:激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术,这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。 激光包覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一, 具有很好的经济性,可大大提高产品的抗腐蚀性。 三.激光加工技术较传统加工技术的优越性 1、特种材料特殊要求的加工 激光焊接与大多数传统的焊接方法相比具有突出的优点。激光能量的高度集中和加热、冷却过程的极其迅速,可破坏一些难熔金属表面的应力阈值,或使高导热系数和高熔点金属快速熔化,完成某些特种金属或合金材料的焊接,而且在激光焊接过程中无机械接触,容易保证焊接部位不因热压缩而变形,还排除了无关物质落入焊接部位的可能;如果采用大焦深的激光系统,还可实现特殊场合下的焊接。目前,在汽车、国防、航空航天等一些特殊行业,已普遍采用激光焊接技术。一些国家,对高档汽车车壳与底座、飞机机翼、航天器机身等一些特种材料的焊接,激光的应用已基本取代了传统的焊接工具和方法。 2、特殊精度的加工制造 这里指的高精度除通常意义下的精确定位外,主要还体现在材料内部热传导效应量级上的控制。激光的显著特点之一,就是可采取连续和脉冲方式输出。通过脉冲式激光辐射可达到接近“冷”加工的光化学动力过程。一方面选择脉冲 的时间宽度,使得材料内的热传导过程和热化学反应来不及发生;另一方面通过控制激光的功率密度和脉冲计数,按要求达到确定的去除深度,从而实现高精度的“线”切割和“点”钻孔加工。 3、微细加工制造 激光微细加工技术最成功的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域。激光微细加工作为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一,现已形成固定模式并投入规模化生产中。除此之外,能突显其优势的领域还有精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞组织的医疗等。 4、高效的自动加工制造 由于激光输出的可控制性,使激光制造过程能够通过软件实行自动化流程的智能控制。根据生产性质的需要,既可实行加工台的定位控制亦可通过激光的光纤传输实行加工头的机器手定位控制,从而实现高效的自动化、智能化激光制造。 四、激光加工技术应用 激光加工应用领域中,CO2激光器切割和焊接应用最广,分别占到70%和20%,表面处理则不到10%。而YAG激光器的应用是以焊接、标记(50%)和切割(15%)为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了70~80%。我国激光加工中以切割为主的占10%,其中98%以上的CO2激光器,功率在1.5kW~2kW范围内,而以热处理为主的约占15%,大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高,故有很大的市场前景。 在汽车工业中,激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机,不仅节省了样板及工装设备,还大大缩短了生产准备周期;激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔,速度快而不产生破损;激光焊接在汽车工业中已成为工艺,日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接,将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起,然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍,但在汽车工业中仍应用广泛,如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家,激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合,派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型,而且还可以直接由金属粉末熔融,制造出金属模具。 到了80年代,YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度,但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG 激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件,如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。 目前,国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展,主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达30~50kw,打孔用的脉冲宽度越来越窄,重复频率越来越高,激光器输出参数的提高,很大程度上改善了打孔质量,提高了打孔速度,也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。 五、激光加工技术的发展趋势 1.数控化和综合化 把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合,形成研制和生产加工中心,已成为激光加工发展的一个重要趋势。 2.小型化和组合化 国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上,制成激光冲床,它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点,可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。 3.高频度和高可靠性 目前, YAG激光器的重复频度已达2000次/秒,二极管阵列泵浦的Nd:YAG 激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1~2万小时。 4.采用激元激光器进行金属加工, 这是激光加工的一个新课。激元激光器能发射出波长157~350纳米的紫外激光, 大多数金属对这种激光的反射率很低, 吸收率相应很高, 因此, 这种激光器在金属加工领域有很大的应用价值。 六、结束语 激光加工技术的发展,使传统加工技术发生了新的飞跃.展望未来,激光加工技术将得到越来越广泛的应用,具有非常广阔的市场前景,在国民经济和工业发展中发挥着日益重要的作用.我国在现代光制造发展方面,机遇与挑战并存,我们要抓住机遇,迎接新世纪光制造时代的到来。 参考文献: 1)孟永刚,激光加工技术。北京:国防工业出版社,2008.01 2)宋威廉,激光加工技术的发展。北京:机械工业出版社,2008.3 3) 张永康. 激光加工技术[M].北京:化学工业出社,2001.3 4) 金岡优. 激光加工[M].北京:机器工业出书社,2004.2 5) 曾智江朱三根.微细技工技术的研究[M].北京:高等教育出版社, 2007.12 6) 左敦稳黎向峰赵剑峰. 今世加工技术 [M].北京:北京航空航天大学出书社,2002.7