激光技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用一、激光簡介激光英文全名為LIGHTAMPLIFICATIONBYSTIMULATEDEMISSIONOFRADIATIONLASER。于1960年面世，是一種因刺激產(chǎn)生輻射而強化的光。1激光的產(chǎn)生科學家在電管中以光或電流的能量來撞擊某些晶體或原子易受激發(fā)的物質(zhì)，使其原子的電子達到受激發(fā)的高能量狀態(tài)，當這些電子要回復到平靜的低能量狀態(tài)時，原子就會射出光子，以放出多余的能量；而接著，這些被放出的光子又會撞擊其它原子，激發(fā)更多的原子產(chǎn)生光子，引發(fā)一連串的“連鎖反應(yīng)”，并且都朝同一個方前進，形成強烈而且集中朝向某個方向的光，因此強的激光甚至可用作切割鋼板。2激光的應(yīng)用激光被廣泛應(yīng)用是因為它的特性。激光幾乎是一種單色光波，頻率范圍極窄，又可在一個狹小的方向內(nèi)集中高能量，因此利用聚焦后的激光束可以對各種材料進行打孔。以紅寶石激光器為例，它輸出脈沖的總能量不夠煮熟一個雞蛋，但卻能在3毫米的鋼板上鉆出一個小孔。激光擁有上述特性，并不是因為它有與別不同的光能，而是它的功率密度十分高，這就是激光被廣泛應(yīng)用的原因。激光具有單色性好、方向性強、亮度高等特點。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的激光工作物質(zhì)有幾千種，波長范圍從軟X射線到遠紅外。激光技術(shù)是指依據(jù)一定的原理，改變激光振蕩或激光輻射的參數(shù)，使之適合于某一目的的技術(shù)。激光技術(shù)的核心是激光器，激光器的種類很多，可按工作物質(zhì)、激勵方式、運轉(zhuǎn)方式、工作波長等不同方法分類。根據(jù)不同的使用要求，采取一些專門的技術(shù)提高輸出激光的光束質(zhì)量和單項技術(shù)指標，比較廣泛應(yīng)用的單元技術(shù)有共振腔設(shè)計與選模、倍頻、調(diào)諧、Q開關(guān)、鎖模、穩(wěn)頻和放大技術(shù)等。作為20世紀60年代的新光源，激光被廣泛應(yīng)用于測量、通訊、醫(yī)學、軍事、科研、新聞出版、商業(yè)、家庭娛樂、工業(yè)制造等領(lǐng)域，由于篇幅有限，本報告主要介紹激光技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用。激光在制造制造業(yè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)為激光焊接、激光打孔、激光切割、激光雕刻、激光快速成型、激光表面淬火、激光表面強化等等一系列的激光加工技術(shù)。二、激光加工技術(shù)簡介激光加工技術(shù)實現(xiàn)了光、機、電技術(shù)相結(jié)合，是一種先進制造技術(shù)。目前正處于向傳統(tǒng)制造技術(shù)中許多工藝過程積極滲透的階段。由于它具有無接觸、不需要工模具、清潔、效率較高、方便實行數(shù)控和可以用來進行特殊加工，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、冶金、航空航天、機械、紡織、化工、建筑、造船、儀器儀表、微電子工業(yè)、藝術(shù)品制作、日常生活用品和工業(yè)用品制造等眾多領(lǐng)域。用來進行打孔、切割、銑削、焊接、刻蝕、大型零件的強化和修復、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造，工藝美術(shù)品制作和清洗、產(chǎn)品標刻和防偽等。1激光加工技術(shù)的原理激光加工是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。激光加工技術(shù)的原理圖如圖1所示。激光器激光器工件工件工作臺工作臺光闌光闌反射鏡反射鏡聚焦鏡聚焦鏡電源電源圖1激光加工原理圖激光加工可大體分為以下三個過程（1）激光束照射材料，材料吸收光能；（2）光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁共牧霞訜?；?）通過氣化或熔融濺出使材料去除或破壞。2激光加工的特點激光加工技術(shù)主要具有一下特點（1）加工材料范圍廣聚焦后，激光加工的功率密度可高達1081010W/CM2，光能轉(zhuǎn)化為熱能，幾乎可以熔化、氣化任何材料。（2）可用于精密微細加工激光光斑大小可聚焦到微米級。（3）使用激光束作為工具非接觸加工，無明顯的機械力，沒有工具損耗問題；加工速度快、熱影響區(qū)小，容易實現(xiàn)加工過程自動化；能通過透明體進行加工，如對真空管內(nèi)進行焊接加工等。（4）加工裝置相對簡單和電子束加工等比較起來，不要求復雜的抽真空裝置。（5）影響因素多，控制難度較大激光加工是一種瞬時、局部熔化、氣化的熱加工，其影響因素很多，因此，精微加工時，精度和表面粗糙度不易保證。表面光澤或透明材料的加工，必須預先進行色化或打毛處理。（6）加工過程會產(chǎn)生氣體及火星等飛濺物要注意通風抽走，操作者應(yīng)戴防護眼鏡。3激光加工的分類激光加工大體可分為激光熱加工和光化學加工激光熱加工指當激光束照射到物體表面時，引起快速加熱，熱力把對象的特性改變或把物料熔解蒸發(fā)。包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標等等；光化學加工指當激光束加于物體時，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學反應(yīng)的加工過程。包括光化學沉積、立體光刻、激光刻蝕等等。4激光加工機的組成激光加工的基本設(shè)備包括四大部分（1）激光器是激光加工的重要設(shè)備，它把電能轉(zhuǎn)變成光能，產(chǎn)生激光束。（2）激光器電源為激光器提供能量及控制功能。（3）光學系統(tǒng)包括激光聚焦系統(tǒng)和觀察瞄準系統(tǒng)，后者能觀察和調(diào)整激光束的焦點位置，并將加工位置顯示在投影儀上。（4）機械系統(tǒng)主要包括床身、能在三坐標范圍內(nèi)移動的工作臺及機電控制系統(tǒng)等。5激光加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實行適時生產(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。目前激光技術(shù)發(fā)展比較迅速的主要有日本及歐美等國家。德國為了推廣激光加工技術(shù)，除了建立9個國家級激光中心外，還大量建立激光加工站；同時在大、中、小型企業(yè)積極建立激光加工生產(chǎn)線，例如大眾汽車廠的齒輪激光加工生產(chǎn)線；奔馳汽車廠共有18個廠房，其中有8個廠房安裝了激光加工生產(chǎn)線。美國是世界上最早建立激光加工站的國家，1996年的統(tǒng)計結(jié)果表明，美國激光加工站的年收入已逾6080億美元，在美國激光加工站已超過1765家，這對于在美國推廣激光加工技術(shù)起著重要的作用。激光切割和焊接等在日本電子、電機、汽車、車輛零部件，OA機器等小件、大批量生產(chǎn)中得到迅速發(fā)展?？傊?，日本產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用激光加工技術(shù)是最為普及的。我國在20世紀90年代初，在武漢建立了國家級的激光加工工程研究中心，以期達到在全國起到示范和推廣的目的。北京、上海等地方和部委聯(lián)合建立激光加工工程研究中心，另外，很多地方政府以及眾多科研機構(gòu)和高校也建立了激光加工研究中心來進行激光加工技術(shù)研究和推廣，已經(jīng)取得了比較滿意的效果。例如。天津冷軋薄板廠由于采用了激光毛化技術(shù)，將面臨倒閉的企業(yè)起死回生。僅1995年生產(chǎn)了6億元的激光毛化鋼板，出口創(chuàng)匯數(shù)千萬美元；又如西安內(nèi)燃機配件廠建立了12條缸套激光熱處理生產(chǎn)線。將缸套壽命提高了13倍?，F(xiàn)已在全國范圍推廣。因此，發(fā)展激光產(chǎn)業(yè)將帶動傳統(tǒng)工業(yè)的改造和發(fā)展。然而作為未來世界加工工廠的中國，目前只有一百三、四十家類似國外的激光加工站，因此，很必要加大力度進行推廣1。三、常用激光加工技術(shù)簡介目前常用的激光技術(shù)主要有激光打孔、激光切割、激光焊接、激光表面改性、激光快速成型等等。下面面對其主要工作原理及特點進行詳細介紹。1激光打孔激光打孔的成形過程是材料在激光熱源照射下產(chǎn)生的一系列熱物理現(xiàn)象綜合的結(jié)果。它與激光束的特性和材料的熱物理性質(zhì)有關(guān)。一般用光學系統(tǒng)將光斑尺寸聚到幾微米到幾十微米。由于光斑可以聚得很細，所以能加工極微細和特別深的孔。從深徑比來看，用激光打出的孔，其深度與孔徑的比值可高達50以上，這是用其他方法難以達到的。例如用一般方法在極硬的氧化鋁陶瓷上加工小孔所得到的深徑比為2，超聲波法只有4，而用激光打孔則可達25。激光打孔的主要影響因素有（1）輸出功率與照射時間激光的照射時間一般為幾分之一到幾毫秒，當激光能量一定時，時間太長會使熱量傳散到非加工區(qū)，時間太短則因功率密度過高而使蝕除物以高溫氣體噴出，都會使能量的使用效率降低。（2）焦距與發(fā)散角發(fā)散角小的激光束，打出的孔深，且錐度小。通常焦距選2039MM。（3）焦點位置激光束的焦點不同，所得到的孔的形狀也就不同，不同焦點位置對應(yīng)的孔的界面形狀如圖2所示。圖2焦點位置與孔的截面形狀（4）光斑內(nèi)的能量分布激光能量分布對打孔質(zhì)量有著很大的影響，如圖3所示。圖3激光能量分布對打孔質(zhì)量的影響（5）激光的照射次數(shù)激光照射次數(shù)對孔深有一定的影響，如圖4所示?？梢钥吹?，在激光照射次數(shù)較少時，孔深隨著照射次數(shù)的增加而增加，當激光照射達到一定的次數(shù)后，孔深不再發(fā)生變化。圖4照射次數(shù)與孔深關(guān)系圖（6）工件表面粗糙度工件表面粗糙度對激光打孔的孔深也有一定的影響，如圖5所示。可以看到當表面粗糙度值較小時孔深為零，隨著粗糙度的增加，孔深逐漸增加，當表面粗糙度達到10M后，孔深隨表面粗糙度變化較小。圖5加工面表面粗糙度對加工深度的影響2激光切割激光切割的原理圖如圖6所示。激光束照射工件，光束能量以及活性氣體輔助切割過程附加的化學反應(yīng)熱能全部被材料吸收，引起照射處的材料溫度急劇上升，到達沸點后，材料開始汽化，并形成孔洞。隨著光束與材料的相對移動，最終使材料形成切縫。切縫處熔渣被具有一定壓力的輔助氣體吹掉。圖6激光切割原理圖激光切割主要有以下特點（1）割縫窄，節(jié)省切割材料；（2）切割速度快，熱影響區(qū)域小，因而熱變形程度低；（3）剖縫邊緣垂直度好，切邊光滑，可直接進行焊接；（4）切邊無機械應(yīng)力，無剪切毛刺，也無切屑；（5）無刀具磨損，也不需要更換刀具，只需調(diào)整工藝參量；（6）可同樣方便地切割易碎、脆、軟、硬材料和合成材料；（7）光束無慣性，可實現(xiàn)高速切割，且任何方向都可同樣切割，并可在任何處開始和停止切割；（8）能實現(xiàn)多工位操作，容易實現(xiàn)數(shù)控自動化；（9）切割噪音低。3激光焊接激光焊接是將高強度的激光束輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，使金屬溶化形成焊接。在激光與金屬的相互作用過程中，金屬溶化僅為其中一種物理現(xiàn)象，光能以其它多種形式表現(xiàn)出來，如氣化、等離子體形成等。為此須控制引起各種物理現(xiàn)象的激光參數(shù)，使激光能量絕大部分轉(zhuǎn)換成金屬溶化的能量，達到焊接目的。不同激光功率大小與金屬作用的現(xiàn)象不同，激光焊接可分為熱傳導焊接和深熔焊接，其工作原理圖如圖7所示。（A）激光熱傳導焊接（B）激光深熔焊圖7激光焊接激光焊接主要有如下優(yōu)點（1）速度快、深度大、變形小。（2）能在室溫或特殊條件下進行焊接，焊接設(shè)備裝置簡單。（3）可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。（4）焊接深寬比高，可達51，最高可達101。（5）可進行微型焊接。（6）可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接。4激光表面改性激光表面改性主要用于改善金屬制品的表面性能，它可以顯著提高金屬零件表面的硬度、強度、耐磨性、耐蝕性和高溫性能等，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長產(chǎn)品的使用壽命，降低成本。激光表面改性技術(shù)包括激光淬火相變硬化、激光合金化、激光涂敷（熔敷）、激光非晶化和微晶化、激光沖擊硬化等多種工藝。（1）激光淬火激光淬火是以高能量的激光快速掃描工件，工件表面極薄的一層吸收能量，其溫度迅速上升，此時工件的基體還處于冷態(tài)，由于熱傳導的作用，表面的熱量迅速傳到工件其他部位，工件表面在瞬間實現(xiàn)自冷淬火，從而產(chǎn)生相變硬化。從理論上講，激光淬火的冷卻速度比一般熱處理淬火的冷卻速度要提高約1000倍。使用激光表面改性的優(yōu)點如下淬硬層晶粒細化，硬度比常規(guī)淬火提高1520；加熱速度極快，工藝周期短，生產(chǎn)效率高，成本低，工藝過程容易實現(xiàn)計算機控制；對于槽壁（底）、小孔、盲孔、深孔以及腔筒內(nèi)壁等特殊部位，只要光束能照射到的部位均可進行處理；可進行大型零件局部表面以及形狀復雜零件的硬化處理；淬硬層深度可精確控制；可以實現(xiàn)自冷淬火，不需要油或水等介質(zhì)。（2）激光合金化激光合金化是在高能激光束的作用下，將一種或幾種合金元素與基體材料的表面快速熔化凝固在一起，從而使基體材料的表面具有高合金特性的技術(shù)。簡單地說，激光合金化就是利用激光改變金屬表面的化學成分從而提高表面性曲的一項技術(shù)。經(jīng)過激光合金化處理后的材料，表面是離性能的合金層，材料內(nèi)部仍然是廉價的基體材料。（3）激光表面非晶化非晶化的基本準則將液體以大于一定的冷卻速度迅速冷卻到某一溫度以下，這樣晶體的形核和生長受到限制，來不及形成規(guī)則的晶體組織，從而就可以獲得非晶態(tài)的固體。激光表面非晶化是利用激光使材料表面薄層熔化，同時在表層的液態(tài)和基體的固態(tài)間保持很高的溫度差，從而實現(xiàn)形成非晶態(tài)所需要的急冷條件。優(yōu)點高效率地、易控制地在形狀復雜的制品表面大面積形成非晶層；這將擴大非晶材料的實際應(yīng)用領(lǐng)域。5激光快速成型用激光制造模型時用的材料是液態(tài)光敏樹脂，它在吸收了紫外波段的激光能量后便發(fā)生凝固，變化成固體材料。把要制造的模型編成程序，輸入到計算機。激光器輸出來的激光束由計算機控制光路系統(tǒng)，使它在模型材料上掃描刻劃，在激光束所到之處，原先是液態(tài)的材料凝固起來。激光束在計算機的指揮下作完掃描刻劃，將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，造出模型。所以，用這個辦法制造模型，速度快，造出來的模型又精致。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。激光快速成型技術(shù)主要有激光層疊法、粉末燒結(jié)法、光固化法等。四、激光加工技術(shù)的應(yīng)用1激光加工技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用在汽車制造過程中主要用激光加工技術(shù)來制造以下零部件（1）車身鍍鋅鋼板、鋁合金車身焊接、釬焊；（2）傳動件齒輪的焊接；（3）發(fā)動機閥的堆焊、汽缸內(nèi)槽加工、淬火；（4）氣囊焊接；（5）傳感器、ABS、噴嘴精密微細焊接；（6）激光切割車身零件的剪裁，線圈零件的激光切割，液壓成型件的切割、打孔，保險杠的切割、打孔以及車身打孔；（7）其他鋁燃料過濾器和保險杠的焊接2?？傮w來說，可以將汽車制造過程中激光加工技術(shù)的歸納為以下幾個方面不同厚板的激光拼焊激光拼焊是在車身設(shè)計制造中，根據(jù)車身不同的設(shè)計和性能要求，將不同厚度、不同材質(zhì)、不同或相同性能的板材通過激光裁剪和拼裝技術(shù)連接成一整體，再經(jīng)沖壓成形為車身某一部件3。如圖8所示。圖8激光拼焊激光拼焊的優(yōu)點可節(jié)約材料消耗；減輕構(gòu)件重量；節(jié)省工序和裝配工作量；減少費用；提高車身尺寸精度提高整；車結(jié)構(gòu)剛度和安全性；使鋼材得到充分利用3。車身的激光焊接采用激光組焊技術(shù)將已沖壓或切割成形的各種車身構(gòu)件，先兩雙件組焊，然后再多件組焊，從而形成白車身分總成，各自車身分總成再總裝成白車身總成4。主要分為總成焊接、側(cè)圍與頂蓋的焊接、后續(xù)焊4。汽車零部件的激光焊接用激光可以焊接一些要求強度高、變形小,用傳統(tǒng)方法無法焊接的特種材料的汽車零部件。采用激光焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接，零件焊接部位幾乎沒有變形，焊接速度快，而且不需要焊后熱處理3。車身部件的剪裁用三維激光技術(shù)取代傳統(tǒng)制造工藝的修邊和修孔，工藝步驟簡單、制造周期短、切割速度快、切縫寬度小、加工質(zhì)量高，大幅度降低成本3。2激光加工技術(shù)在航空航天中的應(yīng)用激光切割在航空航天工業(yè)中用激光切割的材料有欽合金、鎳合金、鉻合金、鋁合金、不銹鋼、欽酸鉬、塑料和復合材料等。在航天航空設(shè)備的制造中,外殼采用特殊金屬材料制成,強度高、硬度高、耐高溫,普通的切割手段很難完成材料的加工,激光切割是一種高效的加工手段,可用激光切割加工飛機蒙皮、蜂窩結(jié)構(gòu)、框架、翼彬、尾翼壁板、直升機主旋翼、發(fā)動機機匣和火焰筒等。激光切割一般用連續(xù)輸出的激光器,也有用高重頻二氧化碳脈沖激光器5。激光打孔激光打孔技術(shù)在航空航天工業(yè)中適用于儀表寶石軸承、氣冷式渦輪葉片、噴嘴和燃燒室上打孔等。目前,在加工航空發(fā)動機零件方面,激光打孔僅限于加工發(fā)動機靜止零件的冷卻孔,因為孔表面存在微觀裂紋。對激光束、電子束、電化學、電火花打孔、機械鉆孔和沖孔進行試驗研究,經(jīng)綜合分析認為,激光打孔具有效果好、通用性強、效率高和成本低等優(yōu)點5。激光表面技術(shù)激光熔覆是一種重要的材料表面改性技術(shù)。在航空領(lǐng)域,航空發(fā)動機的備件價格很高,因而在很多情況下維修零件是比較劃算的。但是修復后零件的質(zhì)量必須滿足安全要求。例如,飛機螺旋槳葉片表面上出現(xiàn)損傷時,必須通過一些表面處理技術(shù)進行修復。除了考慮螺旋槳葉片所要求的高強度、高耐疲勞性,還必須考慮表面修復后的耐腐蝕性。激光熔覆技術(shù)就可以很好的用于發(fā)動機葉片激光三維表面熔覆修復5。激光成形技術(shù)激光成形制造技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用直接體現(xiàn)在航空用鈦合金結(jié)構(gòu)件的直接制造以及航空發(fā)動機零件的快速修復方面。激光成形制造技術(shù)成為航空航天國防武器裝備大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的核心制造新技術(shù)之一。改變了傳統(tǒng)制造方法具有成本高、鍛造模具準備時間長、機械加工量大、材料利用率低等弱勢5。3激光加工技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用在20世紀90年代中期，激光作為一種重工業(yè)制造工具用于造船工業(yè)。大型艦船制造方法逐漸實現(xiàn)由鉚接到焊接的變革，焊接方法、工藝和設(shè)備也穩(wěn)步發(fā)展，從早先的氣焊、電弧焊，發(fā)展到激光焊。造船技術(shù)的