激光加工技術(shù)的原理及應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上激光加工技術(shù)的原理及應(yīng)用班級(jí)：09數(shù)控2 姓名：張兆翔 學(xué)號(hào)：摘 要激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一種加工新技術(shù)，涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科。由于激光加工熱影響區(qū)域小，光束方向性好，幾乎可以加工任何材料。常用來進(jìn)行選擇性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特點(diǎn)，其發(fā)展前景廣闊，目前已廣泛應(yīng)用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、切削加工，快速成形，激光鉆孔和基板劃片，半導(dǎo)體處理等。關(guān)鍵詞：原理 、應(yīng)用 新技術(shù) 、精密加工 、Abstractlaser processing

2、technology is using laser beams of interaction with the material properties on materials (including metal and non-metallic) of the principle of cutting, welding, surface treatment, punch and micro processing of a kind of processing new technology, involving light, machine, electricity, materials and

3、 multi-discipline detection, etc. Due to the laser processing heat affected zone is small, beam direction, its can almost processing of any material. Commonly used to selectively processing, and precision machining. Because of the special characteristics of laser processing, its developing prospects

4、, has been widely applied in the laser welding, laser cutting, surface modification, laser marking, machining, rapid prototyping, laser drilling and substrate HuaPian, semiconductor processing, etc 。Keywords: Principle application processing new technology precision processing 引言激光是本世紀(jì)的重大發(fā)明之一，具有巨大的技

5、術(shù)潛力。專家們認(rèn)為，現(xiàn)在是電子技術(shù)的全勝時(shí)期，其主角是計(jì)算機(jī)，下一代將是光技術(shù)時(shí)代，其主角是激光。激光因具有單色性、相干性和平行性三大特點(diǎn)，特別適用于材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，國外已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時(shí)間控制性很好，對(duì)加工對(duì)象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動(dòng)化加工。激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動(dòng)化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時(shí)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。正文1激光加工技術(shù)的原理及其特點(diǎn)11激光加工的起源早期的激光加工由于功率較小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世紀(jì)7

6、0年代，隨著大功率二氧化碳激光器、高重復(fù)頻率釔鋁石榴石激光器的出現(xiàn)，以及對(duì)激光加工機(jī)理和工藝的深入研究，激光加工技術(shù)有了很大進(jìn)展，使用范圍隨之?dāng)U大。數(shù)千瓦的激光加工機(jī)已用于各種材料的高速切割、深熔焊接和材料熱處理等方面。各種專用的激光加工設(shè)備競相出現(xiàn)，并與光電跟蹤、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)相結(jié)合，大大提高了激光加工機(jī)的自動(dòng)化水平和使用功能。1.2激光加工的原理激光加工是以激光為熱源對(duì)工件進(jìn)行熱加工。從激光器輸出的高強(qiáng)度激光經(jīng)過透鏡聚焦到工件上，其焦點(diǎn)處的功率密度高達(dá)1071012瓦厘米2，溫度高達(dá)1萬攝氏度以上，任何材料都會(huì)瞬時(shí)熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行焊接

7、、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器（圖1）和氣體激光器（圖2）。使用二氧化碳?xì)怏w激光器切割時(shí)，一般在光束出口處裝有噴嘴，用于噴吹氧、氮等輔助氣體，以提高切割速度和切口質(zhì)量。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會(huì)與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對(duì)象受熱影響的范圍較小而且不會(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。加工過程大體上可分為如下幾個(gè)階段：1.激光束照射工件材料（光的輻射能部分被反射，部分被吸收并對(duì)材料加熱，部分因熱傳導(dǎo)而損失）；2.工件材料吸收光能；3.光能轉(zhuǎn)變成熱能是工件材料無損加熱（激光

8、進(jìn)入工件材料的深度極淺，所以在焦點(diǎn)中央，表面溫度迅速升高）；4.工件材料被熔化、蒸發(fā)、汽化并濺出去除或破壞；5.作用結(jié)束與加工區(qū)冷凝。1.3激光加工的特點(diǎn)激光具有的寶貴特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢(shì)：1.由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。2.它可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點(diǎn)的材料。 3.激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。4.激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。5.它可以通

9、過透明介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。6.由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。7.使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)效益好。例如：1美國通用電器公司采用板條激光器加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的異形槽，不到4H即可高質(zhì)量完成，而原來采用電火花加工則需要9H以上。僅此一項(xiàng)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的造價(jià)可省5萬美元。2激光切割鋼件工效可提高8-20倍，材料可節(jié)省15-30%，大幅度降低了生產(chǎn)成本，并且加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。2激光加工技術(shù)的應(yīng)用由于激光加工技術(shù)具有許多其他加工技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用較廣。目前已成熟的激光加工技

10、術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)等。2.1激光快速成形技術(shù)激光快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，根據(jù)零件的CAD模型，用激光束將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復(fù)雜的零件，該技術(shù)已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。22激光焊接技術(shù)激光焊接強(qiáng)度高、熱變形小、密封性好，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊，以及熔點(diǎn)很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心臟起搏器，其密封性好、壽命長，而且體

11、積小。激光熱處理用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL和控制照射時(shí)間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小,可處理形狀復(fù)雜的零件和部件,可對(duì)盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。2.3激光打標(biāo)技術(shù)激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號(hào)和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級(jí)，這

12、對(duì)產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。準(zhǔn)分子激光打標(biāo)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，特別適用于金屬打標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)亞微米打標(biāo)，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。2.4激光打孔技術(shù) 激光打孔采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔,脈沖寬度為0.11毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.0051毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等工件的加工。2.5激光去重平衡技術(shù)激光去重平衡技術(shù)是用激光去掉高速旋轉(zhuǎn)部件上不平衡的過重部分，使慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達(dá)到動(dòng)平衡的過程。激光去重平衡技術(shù)具有測量和去重兩大功能，可同時(shí)進(jìn)行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于高精度轉(zhuǎn)子

13、，激光去動(dòng)平衡可成倍提高平衡精度，其質(zhì)量偏心值的平衡精度可達(dá)1%或千分之幾微米。2.6激光蝕刻技術(shù)激光蝕刻技術(shù)比傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)工藝簡單、可大幅度降低生產(chǎn)成本，可加工0.1251微米寬的線，非常適合于超大規(guī)模集成電路的制造。用激光可對(duì)流水線上的工件刻字或打標(biāo)記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。2.7激光微調(diào)技術(shù)激光微調(diào)技術(shù)可對(duì)指定電阻進(jìn)行自動(dòng)精密微調(diào)，精度可達(dá)0.01%0.002%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調(diào)包括薄膜電阻(0.010.6微米厚)與厚膜電阻(2050微米厚)的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)。2.8激光劃線技術(shù)激光劃線技術(shù)是生產(chǎn)集成電路的關(guān)

14、鍵技術(shù)，其劃線細(xì)、精度高(線寬為1525微米，槽深為5200微米)，加工速度快(可達(dá)200毫米/秒)，成品率可達(dá)99.5%以上。2.9激光切割技術(shù)在造船、汽車制造等工業(yè)中,常使用百瓦至萬瓦級(jí)的連續(xù)CO2激光器對(duì)大工件進(jìn)行切割,既能保證精確的空間曲線形狀,又有較高的加工效率。對(duì)小工件的切割，常用中、小功率固體激光器或CO2激光器。在微電子學(xué)中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區(qū)小。2.10激光熱、表處理技術(shù)(激光相變硬化、激光淬火）激光熱處理是利用高功率密度的激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對(duì)金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)

15、生用其大表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到HRC60度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)HRC70度以上,從而提高起抗磨性,抗疲勞,耐腐蝕,抗氧化等性能,延長其使用壽命。激光熱處理技術(shù)與其它熱處理如高頻淬火,滲碳,滲氮等傳統(tǒng)工藝相比,具有以下特點(diǎn): 1.無需使用外加材料,僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu).處理后的改性層具有足夠的厚度,可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.1-0.8mm。2.處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高.激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結(jié)合,而且處理層表面是致密的冶金組織,具有較高的硬度和耐磨性。 3.被處理件變形極小，由于激光功率密

16、度高，與零件的作用時(shí)間很短（10-2-10秒），故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。 4加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。2.11激光強(qiáng)化處理技術(shù)激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個(gè)過程，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時(shí)可用于金屬材料的表面相變強(qiáng)化，當(dāng)激光束能連密度處于高端時(shí)，工件表面光斑出相當(dāng)與一個(gè)移動(dòng)的坩堝，可完成一系列的 冶金過程，包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實(shí)際應(yīng)用

17、中引發(fā)的材料替代技術(shù)，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而在刀具材料改性中主要應(yīng)用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時(shí)迅速凝固，產(chǎn)生新的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。2.12激光熔凝技術(shù)激光熔凝是用適當(dāng)?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.表面熔化時(shí)一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合。 2.在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時(shí)急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。 3.其熔層薄、熱作用區(qū)小，對(duì)表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時(shí)可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用。 4.提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點(diǎn)超細(xì)化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴(kuò)散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。2.13激光微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工選擇適當(dāng)波長的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進(jìn)行微小透明球狀物的夾持操作。 例如：高精密光柵的刻制；通過CAD/CAM軟件進(jìn)行仿真圖案（或文字）和控制，實(shí)現(xiàn)高保