周子栋激光加工技术发展概述

激光加工技术发展概述 周子栋 摘要激光加工是将激光束照射到工件的外表，以激光的高能量来切除、熔 化质料以及转变物体外表性能。由于激光束的能量和光束的移动速率均可调治， 因此激光加工可应用于任意层面和领域上。本文分别从激光加工技术的原理及其 应用综合品评了激光加工较传统加工技术的良好性,说明其在制造行业中不可替 换的作用.结合我国激光加工制造现状与国际的差距，对我国激光加工业发展做 了良好的预测.在阐述国内外研究动向的基础上，指出激光制造技术的发展趋向。 关键词激光加工激光制造体系技术发展焊接塑料激光器 .-U 、. 1. 刖S 激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高细密 丈量、物质结构阐发、信息存储及通讯等领域得到了普遍应用。激光的高单色性, 可在光化学领域对一些相距很近的能级作选择引发，进行重金属的同位素疏散； 激光的高偏向性和高亮度可普遍应用于加工制造业（大到航天器、飞机、汽车工 业，小到微电子、信息、生物细胞疏散等微技术）。随着激光器件、新型受激辐 射光源，以及相应工艺的不停改造与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已 渗透到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或革新某些传统的加工行业。 2. 激光加工的原理及其特点 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。 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 由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对 复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。 ⑦ 使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。例如1美国通用 电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到4H即可高质量完成， 而原来采用电火花加工则需要9H以上。仅此一项，每台发动机的造价可省5万 美元。2激光切割钢件工效可提高8-20倍，材料可节省15-30,大幅度降低了 生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。虽然激光加工拥有许多优点， 但不足之处也是很明显的。 3. 激光加工技术的应用 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。激光加工有许 多优点①激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬 度大和质脆的材料（如陶瓷、金刚石等）也可用激光加工；②激光头与工件不接触，不存在加 工工具磨损问题；③工件不受应力，不易污染；④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材 料加工；⑤激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳 秒和皮秒，同时，大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精 密微细加工，又适于大型材料加工；⑥激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电 子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度；⑦在恶劣环境或其他人难 以接近的地方，可用机器人进行激光加工。 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。 4. 激光加工技术在焊接塑料上应用 4. 1激光焊接塑料的优点 随着塑料在汽车、医疗设备及电子等行业的零部件设计、制造上日趋广泛 的使用，如汽车的仪表板和仪表盘、刹车显示灯、方向指示器等，而且原先 许多传统使用金属的零部件（汽车进气管、油箱、过滤器、医学上使用的流 体输送系统等）也开始逐渐被塑料所代替，因此，在塑料制品的加工过程中 人们渴望一种更加快速、有效、干净的塑料焊接方式。本项目研制的大功率光 纤激光塑料焊接系统可完全满足这方面的市场需求，为用户提供先进、高效的 焊接技术。 目前国内市场上普遍使用的塑料焊接技术主要有振动摩擦焊接、热板式塑 料焊接及超声波焊接等焊接技术。由于材料和设备方面的进步，使激光焊接技 术作为一种连接塑料制品的专门方法得到了生产厂家的认可，主要用于连接敏 感性塑料制品（含有线路板）、具有复杂几何形状的塑料件以及有严格洁净 要求的塑料制品（医药设备）等等。与传统的塑料焊接技术相比，光纤激光 焊接塑料技术主要有以下几方面的优点 （1）、能生成精密、牢固和密封（不透气和不漏水）的焊接，而且树 脂降解少、产生的碎屑少，制品的表面能够在焊缝周围严密地连接在一起。激 光焊接没有残渣的优点使它比较适合于国家食品药品监督管理局管制的医药制 品及电子传感器等。 （2）、易于控制，具有良好的适应性，可焊接尺寸小或外形结构复杂的 工件。这主要是因为激光便于计算机软件控制，而且光纤激光器输出可灵活地 达到零件各个微小部位，能够焊接其它焊接方法不易达到的区域。 （3）、极大地减小了制品的振动应力和热应力，比采用其它连接方式所产 生的振动应力和热应力小得多，这意味着制品或者装置内部组件的老化速度更 慢，可应用于极易损坏的制品。 （4）、能够将许多种类不同的材料焊接在一起，例如，将透过近红外激光 的聚碳酸脂（PC）和30 玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二脂（PBT）连接在 一起，而其它的焊接方法根本不可能将两种在结构、软化点和增强材料等方面 如此不同的聚合物连接起来。 4. 2塑料激光焊接的现状及发展趋势 近年来，从事连接精密的高价值塑料制品的许多欧洲公司对激光焊接这种 非接触式焊接技术的需求有明显增长的趋势，而美国和加拿大的塑料加工商们 也在不断拓展激光焊接技术的应用领域。在2001年十月德国举行的K2001展 览会上展出了一些全新的激光设备,Bielomatik、Leister和Branson等几 家欧洲公司展示了更加节省成本、更加高效的专门用于塑料的焊接系统。 Leister公司的新型Novolas C型焊接机使用高功率的半导体激光器，既是 一台特型焊机、也是一台点焊机，它产生圆形的激光点。激光束固定不动，而 塑料制品置于X、Y方向受程序控制的工作台上，激光点沿着整个焊接路线 进行移动，焊接的最大区域面积为250 X 250mm。Novolas S型焊接机则将 激光点整形为一条直线或者曲线，可同时照射整个结合处。而该公司生产的另 一机型Novolas M系统采用掩膜覆盖技术，能生成更细、更精确的焊缝，