激光束加工技术的应用现状与发展

林岳凌

(江门市大光明电力设备厂有限公司, 广东 江门529100)

随着计算机技术、信息技术、自动化技术在制造业中的广泛应用，它们与传统制造技术相结合而形成的先进制造技术发展迅速，应用越来越广泛。包括新型武器装备、飞机制造业、汽车产业等都要求采用整体结构、轻量化结构、先进冷却结构等新型结构，以及钛合金、复合材料、粉末材料、金属间化合物等新材料。激光的良好特性使其在实际生产方面的应用越来越广泛，这其中以激光束加工最有发展前景。激光束加工因具有加工速度快、表面变形小、可加工各种材料等特点，已经越来越受到人们的关注。

1 激光束加工技术应用现状

激光束加工技术是利用高能量激光束使工件材料熔化、汽化和蒸发而予以去除的高能束加工工艺,被誉为“21 世纪的万能加工工具”。随着激光器及外围技术的进步，激光束加工技术不断发展，目前被广泛应用于工业制造业。由于激光束加工技术良好的应用前景，目前国内外都对该项技术展开了大量的研究工作。与电子束、电解、电火花、和机械打孔相比，激光打孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。国外在激光精密打孔已经达到很高的水平。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔，可以加工直径从20um 到80um 的微孔，并且其直径与深度之比可达1:80。激光束还可以在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔、方孔等，这是普通机械加工无法做到的。

激光精密切割与传统切割法相比，激光精密切割有很多优点。例如，它能开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小，并可以节省材料15% ~30%。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精密切割。

2 发展趋势

为了深入研究激光束加工技术在全球的发展趋势，预测其今后的发展动态，下面从专利角度，对该领域展开分析。我们通过专利的查询进一步对激光束加工技术各个子领域的研发情况进行研究。可以看到前十年度分布状况。从2000 年至2009 年，激光束加工领域的技术主要集中焊接，切割，打孔等这些子领域。从数据中可以看出，在激光束加工技术中，所有子领域在这十年间都呈现缓慢下降的趋势。我们可以看到，几乎所有子领域都在2001- 2003 年达到最大值，因此，在一定程度上可以说明各技术目前都处于成熟状态，发展速度变慢。通过宏观层面的分析，我们可以看出激光束加工技术在这10 年中，发展较为稳定。其中用于焊接、切割以及打孔的激光束加工是整个领域的研发重点。

3 激光束加工的应用

激光束加工主要用于打孔、切割、焊接和表面处理等材料成形和改性等一系列加工工艺中。在过去二十多年时间里，激光束加工技术得到了异常迅速的发展，而且得到了广泛的工业应用。

3.1 激光表面处理

在母材基体表面预置合金薄片或粉剂，然后利用激光加热使其熔化，光束离去后涂覆材料便迅速凝固，形成与基体材料牢固结合的包覆层，以提高表面耐磨性和耐腐蚀性。激光能使包覆材料很快熔化，母材并不熔化，且包覆材料仅施于所需之处，因此，涂层厚度均匀，结合力强。例如，对镍基合金涡轮叶片，利用激光涂覆钴基合金后，可提高叶片的耐热、耐磨耗性能。以激光为热源。原理与火焰表面淬火相同。不同之处：火焰淬火加热面积大，需用水冷却硬化。激光功率密度大而能在短时间处理，热影响范围小，不用水也能急冷而硬化。用激光加热材料使其比表面硬化处理的温度稍高一些，让表层略微熔化就急冷，这种处理称为表面均匀化。例如，工具钢等碳化物相的材料，采用激光使碳化物熔化分解，并通过急冷形成微细粒子弥散或固溶在材料中，达到均匀化的目的。

3.2 激光切割

激光切割是激光加工技术在工业上广泛应用的一个方面，因此其加工过程既符合激光与材料的作用原理，又具有自己的特点。激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅即熔化、汽化、烧蚀，并形成孔洞，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，随着光束和工件的相对运动，最终使工件形成切缝，从而实现割开工件的一种热切割方法。切割过程发生在切割终端处的一个垂直表面，称之烧蚀前沿。激光和气流从该处进入切口，激光能量一部分被烧蚀前沿所吸收，一部分通过切口或经烧蚀前沿向切口空间反射。激光能切割的材料除金属外，还有塑料、木材、纸张、橡胶、皮革、陶瓷、混凝土、纤维以及复合材料等。切割效果：割缝宽度0.2~0.3mm；热影响区宽度0.04~0.06mm；割缝形状平行；切割速度快，设备费很高；运转费低。激光切割适合多品种小批量生产。在激光切割机上配以数控工作台，可切割复杂形状的产品。

3.3 激光焊接

激光焊接是一种无接触加工方式，对焊接零件没有外力作用。激光能量高度集小，对金属快速加热、快速冷却，对许多零件热影响可以忽略不计，可认为不产生热变形，或者说热变形极小。能够焊接高熔点、难熔、难焊的金属，如钦合金、铝合金等。激光焊接过程对环境没有污染，在空气中可以直接焊接，与需在真空室中焊接的电子束焊接方法比较，激光焊接工艺简便。焊点、焊缝整齐美观，易于与计算机数控系统或机械手、机器人配合，实现自动焊接，生产效率高。激光焊缝的机械强度往往高于母材的机械强度。这是由于激光焊接时，金属熔化过程对金属中的杂质有净化作用，因而焊缝不仅美观而且强度高于母材。

激光束焊接是利用激光束聚焦到工件表面，使辐射作用表面的金属"烧熔"粘合而形成焊接接头。所需能量较低（104~106W/cm2）。具有：焊接过程迅速，生产率高；被焊接材料不易氧化、焊点小、焊缝窄、热影响区小，故焊接变形小、精度高。适合于微型、精密、排列密集、受热敏感的焊件。可焊接同种金属，也可焊接异种金属，甚至焊接金属与非金属材料。可进行薄片间或丝与丝之间的焊接。在机械工业中广泛应用的激光焊接是基于大功率激光所产生的小孔效应基础上的深熔焊接。是一种熔深大、速度快、单位时间熔合面积大的高效焊接方法，且是焊缝深宽比大、比能小、热影响区小、变形小的精确焊接方法。但要求被焊接件有较高的装配精度，且被聚焦成很细的激光束严格沿着待焊缝隙扫描。基于上述特点，激光焊接在电子工业、国防工业、仪表工业、电池工业、医疗仪器以及许多行业中均得到广泛的应用。

3.4 激光弯曲技术

激光弯曲是一种柔性成型新技术，它利用激光加热所产生的不均匀的温度场，来诱发热应力代替外力，实现金属板料的成型。激光成型机理有温度梯度机理、压曲机理和撤粗机理。与火焰弯曲相比，激光束可被约束在一个非常窄小的区域而且容易实现自动化，这就导致了人们对激光弯曲成型的研究兴趣。目前此技术研究已有一些成功应用的范例，如用于船板的弯曲成型，利用管子的激光弯曲成型制造波纹管，以及微机械的加工制造。

结语

激光加工技术是21 世纪的一种先进制造技术，其发展前景不可限量。但是，激光加工技术还是一种发展中的技术。它不像传统工艺的冷加工车、钻、铣、刨、磨，也不像热加工的锻、铸、焊、金属热处理那样，有一整套金属工艺学的理论和规范化的工艺。在使用激光加工，经验和实验是必不可少的。同时，激光加工的应用范围还在不断扩大，如用激光制造大规模集成电路，不用抗蚀剂，工序简单,并能进行0.5 微米以下图案的高精度蚀刻加工，从而大大增加集成度。此外，激光蒸发、激光区域熔化和激光沉积等新工艺也在发展中。随着激光技术的快速发展，激光束加工技术在机械制造领域的应用势必会越来越广泛，越来越重要，影响越来越大。

[1] 周潇.激光束加工技术全球发展趋势研究[J].经济师,2011.（11.）

[2] 官邦贵，刘颂豪，章毛连，王玉连，刘慧,激光精密加工技术应用现状及发展趋势[J].激光与红外,2010.（03）.