基于理论与实践相结合的激光加工实训课程探索与实践

焦 辉 吕汝金 王喜社

（桂林电子科技大学 教学实践部，桂林 541004）

2015年5月19 日，国务院正式发布《中国制造2025》，整体部署我国制造业转型升级和跨越发展，提出了基于我国国情的“三步走”战略目标，明确指出建设制造强国的战略任务和重点，是实现我国制造强国战略的第一个十年行动纲领。如今，我国已成为全球制造业的加工中心，新技术、新装备、新方法等不断涌现，对人才需求的标准也越来越高。推进素质教育、培养工程意识、提升专业水平以及加强科技创新，是21世纪高校工程教育的要求。因此，深化工程教育改革、加强学生工程意识、培养实践能力和创新能力，是新时代工科背景下高校工程教育的新使命。工程训练中心作为现代高校工程教育实施的重要载体，凭借在高校实践教学中的地位和资源优势，率先突破学科专业的限制，整合集中规划学校的内部资源，使其成为高校工科专业学生开展创新实践的新天地[1-2]，促使现代工程教育逐渐由传统金工实习向现代工程训练转变。工程教育的深度和广度逐渐扩大，对提高学生实践能力和综合能力、培养创新意识具有重要作用。工程实训作为工程实践教学的主要载体和平台，是高校重要的实践教学，是创新教育和素质教育的重要手段，是大学生实践与理论相联系的桥梁。

1 激光加工技术概述

激光加工实训是工程实训的重要组成部分，是先进制造技术的典型代表，也是高校学生学习和应用激光加工技术的重要载体[3]。激光加工技术不同于传统加工技术。比如，车铣刨磨钻等均为接触式加工，所用的刀具硬度须强于所加工的材料，且加工存在刀具磨损等问题，而激光加工是一种非接触式加工，对材料选择限制较低，不存在刀具磨损等问题[4]。此外，激光加工技术具有快速、高效、灵活及高精度等优势。目前，具有代表性的激光加工技术约20多种，广泛应用于航空航天、医疗器械、半导体以及汽车等行业，用于完成切割、焊接、打标、打孔、雕刻、快速成形、清洗以及表面强化等任务[5]。在“中国制造2025”的背景下，文章旨在激光加工实训中为学生传授激光加工技术理论知识，提升工程综合素质，训练创新思维，培养科研能力。

2 激光加工实训课程教学设计

激光实训课程主要围绕激光产生原理、激光加工机理、激光去除材料过程的数值模拟、激光设备及其系统和激光加工模型设计及其绘图等展开，使学生“知其然且知其所以然”，帮助学生构建较完整的激光加工理论体系，同时提升工程综合素质、训练创新思维和培养科研能力。

2.1 激光和激光加工理论

激光产生原理和激光加工去除材料机理是了解和操作激光设备的前提。激光不同于普通光源，激光产生的必要条件是粒子数的反转和光学谐振器。当辐射波作用于原子时，在原子内部，光的受激吸收和受激辐射是同时存在的相反过程，哪个过程占据主体地位，将决定入射光是被放大还是被衰减。若受激辐射超过受激吸收，说明光的增益大于衰减，最终效果表现为光被放大。如果受激吸收占主体地位，将导致光被衰减。一般而言，物质与外界处于能量平衡状态即热平衡状态，粒子数不会发生反转。仅当外界给予物质能量时，物质将处于非平衡状态，此时才有可能发生粒子数反转。激活介质可使粒子数反转分布，即激光器的工作介质。受激辐射的光在谐振腔产生振荡且不断发生雪崩式放大，能在极短时间内从部分反射镜中输出强激光[6]。

激光加工是指激光与材料的相互作用，包含复杂的微观量子过程，也包含激光作用于不同材料时所展现的宏观现象。激光辐射到材料表面会出现反射、折射、吸收、干涉、偏振、光电效应以及气体击穿等现象，其中以反射、吸收和折射为主要特征。激光与材料作用的常见现象，如图1所示。激光通过加热、熔化和蒸发来去除材料，通常会伴随剧烈的发光、发热现象。

2.2 激光加工数值模拟

激光加工过程的数值模拟是详细表征去除过程、分析去除机理、指导实际加工的有效方法。激光去除材料过程实质是热量转移的过程。材料升温相变，通常伴随物理变化或化学变化，如熔化、蒸发以及燃烧等。通过数值模拟方式可以较好地理解激光加工材料的去除过程，对实验结果具有较好的解释作用，同时可以为进一步优化设计实验提供理论指导。材料在激光作用下会发生固态、液态和气态的相互转变，即整个加工过程是气体、液体和固体的流体传热过程。激光加工的数值模拟需要考虑表面张力、反冲压力、固液相间摩擦力、潜热以及马兰戈尼力等因素，建立质量、动量和能量守恒方程，并计算求解控制方程组[7]。采用COMSOL软件中的水平集两相流模块和流体传热模块进行求解，合理设置边界条件，由计算可得激光去除材料过程中的体积分数相图、温度分布以及速度分布等。

高斯面热源随着入射深度增大，光强呈指数衰减。同时，考虑沿深度方向变化的光束半径，则入射深度z处的光强q(r,z)可表示为[8]：

式中：P为连续脉冲激光的有效激光功率；α为材料对应波长的吸收系数；k为热集中系数，常取2和3；r为径向位置；r0为基材表面聚焦光斑半径；r(z)为聚焦高斯光束在近聚焦范围内的光束半径；λ为激光波长；z为轴向位置；M为光束质量因子，常取1。

此外，激光加工过程中往往需要同轴气体射流辅助，且设置气体射流对激光加工结果和质量具有重要影响，如气体类型、气体压力以及喷嘴直径等。通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真分析气体冲击材料的过程，便于进一步指导激光加工过程。

2.3 激光加工设备

根据激光行业设备现状，文章主要围绕激光设备分类、工作原理、操作流程、维护、保养和故障处理等展开。激光加工设备属于技术综合度较高的产品，已广泛用于各种新兴产业、传统制造业以及微电子行业等。目前，市场主要根据激光器工作的物理性质和用途分类激光设备。按物理性质的不同，激光设备通常可分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器、液体激光器以及化学激光器等。其中，用途最广的激光设备主要是气体激光器和固体激光器。气体激光器以气体或蒸汽作为工作介质，常用的有CO2、氦、氖等气体。固体激光器以晶体和玻璃作为工作介质，常用的有掺钕钇铝石榴石激光器、红宝石晶体以及钕玻璃等。按功能用途，激光设备可分为激光切割机、激光焊接机、激光雕刻机、激光打标机以及激光3D打印机等[9-10]。

激光器发射的激光经光路系统最终聚焦到材料表面，并利用数控系统完成特定图形的加工。激光虽然可以高效率加工材料，但存在一定的危险性，如对人的眼睛、皮肤以及呼吸道容易造成损伤，因此需要按照操作安全规范实施个人防护。此外，相关人员需要了解设备维护和保养的基本流程和操作方法，并掌握常见故障的处理方法。

2.4 激光加工图形绘制

学生通常利用软件绘制设计的作品，常用软件包括AutoCAD、CorelDRAW、LaserMaker和Adobe Photoshop等。通过加工作品方式讲解常用软件的基本操作和多软件的协同运用，完成整个作品的全部加工和装配工作。学校实施构思、设计、实现、运作（Conceive Design Implement Operate，CDIO ）工程教育模式，通过作品设计过程提升学生的工程综合素质和训练学生的创新思维。

3 激光加工实训课程实践与分析

学校根据激光加工实训课程设计的激光和激光加工理论、激光加工数值模拟、激光加工设备和激光加工图形绘制等内容，可以帮助学生构建较完整的激光加工理论体系，从而高质量地完成激光加工实训课程。

图2为激光加工碳纤维复合材料形貌图。通过激光加工碳纤维复合材料现象和结果展示的方式，讲解激光加工材料机理、激光热作用、激光加工产生的热损伤、激光的危险性及个人防护等。图2（a）为激光划切碳纤维复合材料获得的切槽，因激光能量的高斯分布而产生较大面积黑色区域即热影响区；图2（b）为切槽截面形貌，因复合材料每层导热系数差异分布产生非“V”形的黑色热影响区。图3为数值模拟获得的激光烧蚀等温线和烧蚀形貌。图3（a）等温线能合理解释图2（b）中热影响区非“V”形分布。图3（b）则为仿真得到的烧蚀形貌。

图4为利用软件绘制的加工图形。根据不同材料，设计人员在软件中设置与之相对应的激光参数。根据图形颜色分别设置切割参数和雕刻参数，之后正确操作激光设备完成作品加工，其中由零部件构成的作品需要进行后期装配。图5和图6分别为激光加工得到的作品。图5是先设置激光功率等参数再通过雕刻功能和切割功能直接获得的作品。图6是在软件中先合理设置所选材料的厚度再经由装配获得的作品。

4 结语

文章探索并实践了基于理论与实践相结合的激光加工实训课程。学生学习激光和激光加工理论、激光加工数值模拟、激光加工设备以及激光加工图形绘制等，同时了解激光行业情况、激光加工设备构造及工作原理，掌握激光加工原理、激光加工流程和图形绘制，有利于帮助学生构建较完整的激光加工理论体系，对提升学生工程综合素质、训练学生创新思维和培养学生科研能力具有重要作用。此外，激光加工实训课程的实践有利于提高学生专业水平和实践能力，从而更好地适应新时代社会发展需求。