激光束加工技术论文

激光束加工技术

1.概述

激光束加工技术是利用能量密度很高的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\"。与计量、图像技术、信息传递等激光应用领域一样,激光束加工技术随着激光器及外围技术的进步而发展起来。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、太阳能电池制造等领域中。由于激光束加工技术良好的应激光的特性用前景,目前国内外都对该项技术展开了大量的研究工作。

激光是一种光，它是通过原子受激辐射发光和共振放大而形成的。

2.激光的产生原理

激励源使介质出现粒子数反转。可以是电激励、光激励、热激励、化学激励等等。电激励用气体放电的方法去激励介质原子；各种激励方式又被形象地称为泵浦或抽运。不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下能级，不断获得激光输出。 有了前两者只能保证实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用，所以可以用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔实际是在激光器两端装上两块反射率很高的镜子，一块全反射，一块部分反射，以使激光可透过这块镜子射出，被反射回到工作介质的光继续诱发新的受激发射，光被放大。因此光在谐振腔内来回振荡造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜一端输出。 按工作介质的不同来分类，可以是固体、气体、液体、半导体激光器。固体激光器特点器件小，坚固、使用方便、输出功率大但电源一般都比较庞大。比如钛宝石激光器一般采用半导体激光器泵浦，常采用环形腔，可以是连续或是脉冲式的。

3.激光的特性

激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。

① 单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。 由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段。

② 相干性好：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好（由自发辐射产生的普通光是非相干光）。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。 ③方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。而普通光源发出的光射向四面八方，为了将普

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通光沿某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球上，光斑直径将扩大到1 000公里以上。

激光束的方向性好这一特性在医学上的应用主要是激光能量能在空间高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以下，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。

④ 亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之一。利用激光的高能量还可使激光应用于激光加工工业及国防事业等。

3.激光加工的特点

由于激光具有的宝贵特性，因此就给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点：

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，特别是可以加工搞硬度、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，并非激光照射部位没有货影响极小。因此，其热影响区小，工件热变小，后续量小；

⑤它可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；

⑥由于激光束易于导向、聚焦实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复

杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法；

⑦生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。

4.激光加工的具体应用

激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热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，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀等。

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①激光打孔 利用激光束可对各种材料加工小孔和微孔，最小孔径达几微米，

深度可达直径的50倍。激光打孔时，用高功率密度脉冲激光源，影响加工质量的因素有激光束的参数（能量、脉宽）、波形、焦距、偏焦量、脉冲次数、被加工材料等。

典型激光打孔的例子有油泵喷嘴小孔、化纤喷丝板小孔、钟表的宝石轴承上的小孔、碳化钨刀引线小孔等。

②激光切割 激光切割常用二氧化碳气体激光器，连续或脉冲方式，所切割的

切缝窄、边缘质量好，几乎无切割残渣，切割速度高，也可切割金属，也可切割非金属；既可切割无机物，也可切割有机物。可代替刀具切割木材，代替剪刀切割布料、纸张，还可切割无法进行机械接触的工件。由于激光加工对被切材料几乎不产生机械冲击力和压力，故适合切割玻璃、陶瓷和半导体材料。

③激光焊接 激光焊接与激光打孔的原理稍有不同，焊接时不需要那么高的能

量密度使工件材料气化蚀除，而只要将工件的加工区“烧熔”，使其粘和在一起。因此，激光焊接所需要的能量密度低，通常可用减少激光输出功率来实现。如果加工区域不须在微米级的小范围内，也可通过调节焦点位置来减小工件被加工点的能量密度。

激光焊接有如下优点：

a.激光照射时间短,焊接过程极为迅速，不仅有利于提高生产率，而且被焊材料不易氧化，热影响区极小，适合对热敏感很强的警惕管原件焊接。

b.激光焊接既没有焊渣，也不须去除工件的氧化膜，甚至可以透过玻璃进行焊接，宜用于微型精密仪表的焊接。

c.激光不仅能焊接同种材料，而且还可以焊接不同材料，甚至还可以焊接金属与非金属材料。

④激光微调 激光微调主要用于调整电路中某些原件的参数，以保证电路的技术指标。当前是指电阻的微调。在微电子电路中，一般多采用薄膜电阻和厚膜电阻两种。

激光微调电阻可采用两种方法，一是对电阻进行无损伤照射，使膜的结构变化，从而改变阻值，另一是对电阻进行高能量照射，使部分电阻膜气化去除，从而减小导电膜的截面来增加阻值。目前后一种加工方法用的较多。

⑤激光表面改性 利用激光对材料表面进行处理可改变其物理结构、化学成分

和金相组织，从而改善材料表面的物理、力学、化学性质，如硬度、耐磨性、耐疲劳性、耐腐蚀性等，称之为激光表面改性技术

⑥激光存储 利用激光进行视频、音频、文字资料、计算机信息等的存取。

由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。由于它是无接触加工，对工件无直接冲击，因此无机械变形；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，

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对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响的区小工件热变形小后续加工最小；由于激光束易于导向、聚焦、实现方向变换，极易与数控系统配合、对复杂工件进行加工因此它是一种极为灵活的加工方法；生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。

激光加工作为先进制造技术已广泛应用于鞋业、皮具、电子、纸品、电器、塑胶、航空、冶金、包装机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。具体应用如下：

①鞋业：皮鞋，凉鞋，休闲鞋，运动鞋，女鞋，男鞋，童鞋，各种材料的鞋类。

②皮具皮革行业：手袋，皮包、皮带、手挽，皮带扣等皮具。

③服装布料行业：服装、拉链、钮扣、布料等。

④竹木工艺品行业：竹木制工艺品，相框，吊牌，木盒，家具等。

⑤工艺饰品行业：笔、笔盒、名片、金银饰品、指示牌、胸牌、相片、奖状、收藏器、艺术品、牌匾等。

⑥纸品行业：各种贺卡，吊牌，纸制工艺品。

⑦有机玻璃行业： DVD、VCD、功放、手机等电器面板，各类压克力工艺品的外形切割及图案雕刻。

⑧电子塑胶行业：键盘、电子元器件、家电面板，电脑面板等字符及图案雕刻。

⑨包装瓶盖行业：金属瓶盖、易拉罐等。

⑩五金电镀行业：工具、量具、刃具、模具、卫浴洁具、餐具、刀剪、不锈钢制品

等各类五金

5.激光器

激光器又称激光发生器，其种类很多。激光器的作用是把电能转变为光能，产生所需要的激光束。根据产生激光的材料种类不同，激光可分为固体激光、气体激光、液体激光和半导体激光等。作为激光加工机，目前主要用固体激光和气体激光。

①固体激光器由工作介质、光泵、滤光管、滤光液、冷却水、聚光器和谐振腔

等组成。

②气体激光器的工作物质有氦-氖、二氧化碳等，它是将一定比例的氦-氖混合

气体或二氧化碳-氮-氦等气体封入抽真空的玻璃管中，管的两端各装一块反射镜，形成谐振腔，在端部封入电极，通入千伏以上高电压，产生气体放电。大功率激光器可以做成折叠式。

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热容激光器激光发射时产生的热量储存在激光介质中,激光介质不冷却,冷却周期内再将这些热量排除。热容管理模式造成激光介质与传统的实时主动冷却方式有着不同的温度、应力特性及不同的激光输出特性。通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法,对热容激光器的发射过程中激光输出特性和激光介质的热力学特性进行研究,掌握热容激光器工作的基本规律,为热容激光器的设计、实验提供重要的参考,为热容激光器的进一步发展提供必要支持。

6.激光加工的现状及发展趋势

激光加工制造技术目前呈现一个飞速发展的趋势，同时国内激光加工行业也面临着极好的机遇和挑战，这是因为激光加工应用市场的需求日益增长，国际竞争也存在新格局，激光加工技术亟需有一个大的突破与发展，如此机遇势不可当。 由于中国的发展建设，大批工程实施对激光设备有着极大的需求量。经历过经济危机之后，国内激光企业吸取经验，正从“单一地制造、销售产品”，向“服务制造，增值发展” 转变——即，销售后续服务、解决方案和设计思想。此外，通过不断探索，院校与企业闯出了适合激光行业的产学研合作之路，能够有效推动科研成果的产业化和商业化，并培养了大批激光技术人才。可以预见，未来随着东北工业区的振兴和西部大开发，中国激光产业带还将不断扩大。

我国新型强激光研究的开创者之一、中国工程院院士杜祥琬在题为《激光五十年的几点启示》的发言中谈到，未来激光技术将围绕普及、提高、交叉三个方面加快发展。首先，在更多、更广的领域实现应用，从硬X射线到太赫兹的整个光波段，随着各种激光器及相关技术研发的成熟和商品化，激光在科学研究、人民生活、国民经济等方面都会有新的成就。其次，激光将跃上更新更高的台阶，在功率提升、波长延伸、能量与速递增长等方面创新研发水平。另外，激光技术将在物理、化学、材料、生物、医疗、农业、信息技术等领域得到广泛的交叉学科应用，成为科技前沿发展的“锐器”。

激光加工技术今后几年应结合已取得的预研成果，针对需求，重点开展无缺陷气膜小孔的激光加工及实时检控技术、高强铝(含铝锂、铝镁)合金的激光焊接技术、金属零件的激光粉末烧结快速成型技术、激光精密加工及重要构件的激光冲击强化等项目的研究。实现高温涡轮发动机气膜孔无缺陷加工，可使叶片使用寿命达2000小时以上；以焊代替数控加工飞机次承力构件，以及带筋壁板的以焊代铆；实现重要零部件的表面强化，提高安全性、可靠性等，从而使先进的激光制造技术在军事工业中发挥更大的作用。

1）无再铸层、无微裂纹涡轮叶片气膜孔激光高效加工技术研究；

2）铝合金、超强钢、钛合金、异种材料构件以及大型空间曲面零件的激光焊接工艺研究；

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3）三维激光切割工艺规范及表面质量控制技术和在线测量控制技术研究； 4）提高高温合金、铝合金等重要部件抗疲劳性能的激光冲击技术研究； 5）激光快速成型技术研究；

参考文献

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