激光在工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用—激光技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展選修課報(bào)告TOC\o"1-5"\h\z姓名：XX學(xué)號(hào)：XXXXXXXXXXX培養(yǎng)單位：XXX聯(lián)系電話：XXXX目錄:TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1前言2\o"CurrentDocument"激光加工原理3\o"CurrentDocument"激光加工技術(shù)的應(yīng)用43.1激光快速成形技術(shù)53.2激光焊接技術(shù)5\o"CurrentDocument"3.3激光熔覆技術(shù)7\o"CurrentDocument"3.4激光打孔技術(shù)8\o"CurrentDocument"3.5激光切割技術(shù)10\o"CurrentDocument"3.6其它技術(shù)11\o"CurrentDocument"激光加工技術(shù)的前景111前言激光器的發(fā)明是20世紀(jì)中能與原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)相提并論的重大科技成就。自誕生到現(xiàn)在得到了迅速發(fā)展，。激光光源的出現(xiàn)是人工制造光源歷史上的又一次革命。激光的英文名是LASER，是由其全稱Lightamplificationbysimulatedemissionofradiation取字頭組合而成的專門名詞。1964年10月，錢學(xué)森院士提議取名為“激光”，明確反映了“手機(jī)輻射”的科學(xué)內(nèi)涵，得到了我國科學(xué)界的一致認(rèn)同并沿用至今。［1激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如激光在農(nóng)林畜牧業(yè)的激光誘變、激光筆、激光防偽、條形碼識(shí)別、激光唱片、激光打印機(jī)、激光美容和激光測量等。在工業(yè)制造領(lǐng)域，激光更是起到了非常重要的作用。大功率激光以“光能源”和“光工具”作為新加工手段應(yīng)用與材料加工，扮演了一個(gè)創(chuàng)新尖兵的角色，代表了先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展方向，引領(lǐng)制造技術(shù)進(jìn)入激光制造的時(shí)代，極大地提升了傳統(tǒng)制造業(yè)的技術(shù)水平，帶來了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝和生產(chǎn)觀念的巨大變革，并正在引發(fā)一場制造技術(shù)的革命。激光制造是繼力加工、或延加工和電加工之后的一種嶄新的加工技術(shù)。它可以完善周到地解決不同材料的加工、成形和精煉等技術(shù)問題。從最小結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)芯片到超大型飛機(jī)和艦船，激光制造都將是不可或缺的重要手段。自20世紀(jì)70年代大功率激光器件誕生以來，已形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面處理、激光合金化、激光熔覆、激光快速原型制造、金屬零件激光直接成型、激光刻槽、激光標(biāo)記和激光摻雜等十幾種工藝，與傳統(tǒng)的加工方法相比，具有高能密聚焦、易于操作、高柔性、高效率、高質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，迅速在汽車、電子、航空航天、機(jī)械、冶金、鐵路和船舶等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用，幾乎包括了國民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域，被譽(yù)為“制造系統(tǒng)共同的加工手段”。⑵激光加工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)107?1012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、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。屈發(fā)堡島「—汀轉(zhuǎn)艷春什圖1固體激光器原理圖電源電極反射平鏡圖2氣體激光器原理圖加工過程大體上可分為如下幾個(gè)階段：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）；工件材料吸收光能；光能轉(zhuǎn)變成熱能是工件材料無損加熱（激光進(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）；工件材料被熔化、蒸發(fā)、汽化并濺出去除或破壞；作用結(jié)束與加工區(qū)冷凝。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。3.1激光快速成形技術(shù)激光快速成型技術(shù)的原理是用CAD生成的三維實(shí)體模型，通過分層軟件分層、每個(gè)薄層斷面的二維數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)控制激光光束，掃射液體、粉末或薄片材料，加工出要求形狀的薄層，逐層積累形成實(shí)體模型。傳統(tǒng)的工業(yè)成形技術(shù)中大部分遵循材料去除法這一方法的，如車削、銑削、鉆削、磨削、刨削；另外一些是采用模具進(jìn)行成形，如鑄造、沖壓。而激光快速成形卻是采用一種全新的成形原理一一分層加工、迭加成形。而激光快速成型技術(shù)快速制造出的模型或樣件可以直接用于新產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證、功能驗(yàn)證、工程分析、市場訂貨一級(jí)企業(yè)的決策等，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高企業(yè)競爭力。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。美國3DSyetems公司1988年生產(chǎn)出世界上第一臺(tái)SLA250型光固化快速造型機(jī)，開創(chuàng)了激光快速成型技術(shù)迅速發(fā)展和推廣的新紀(jì)元。美國在設(shè)備研制、生產(chǎn)銷售方面占全球主導(dǎo)地位，其發(fā)展水平及趨勢基本代表了世界的發(fā)展水平及趨勢。歐洲和日本也不甘落后，紛紛進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)。香港和臺(tái)灣比內(nèi)地起步早，臺(tái)灣大汛擁有LOM設(shè)備，臺(tái)灣各單位及軍方安裝多臺(tái)進(jìn)口SL系列設(shè)備。香港生產(chǎn)力促進(jìn)局和香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、香港城市大學(xué)等都擁有RP設(shè)備，其重點(diǎn)是有關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與推廣。國內(nèi)自20世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行研究，現(xiàn)有西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京隆源公司多所研究單位自主開發(fā)了成型設(shè)備并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。其中，西安交通大學(xué)生產(chǎn)的紫外光CPS系列光固化成型系統(tǒng)快速成型機(jī)等新技術(shù)，引起了國內(nèi)外的高度重視等等。3.2激光焊接技術(shù)隨著激光這種新能源的獲得，材料加工的領(lǐng)域被大大擴(kuò)寬，激光焊接就是激光應(yīng)用的重要方面之一。在激光焊接過程中，當(dāng)激光束觸及金屬材料時(shí)，其熱量通過熱傳導(dǎo)傳輸?shù)焦ぜ砻婕氨砻嬉幌赂钐?。在激光熱源的作用下，材料熔化、蒸發(fā)，并穿透工件的厚度方向形成狹長空洞，隨著激光焊接的進(jìn)行，小孔沿兩工件的接縫移動(dòng)，僅為形成焊縫。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。激光焊接工藝能夠向工件傳輸高于10KW/mm2的能量密度，因此，能夠形成深寬比較大的、小孔狀的熔深。眾所周知，激光焊接工藝有兩大缺點(diǎn)和難題，及很高的成本投入及較低的能量轉(zhuǎn)換效率，然而，激光焊接有許多優(yōu)勢所在，如熱源的光路操縱容易、控制簡單、工件的變形小、熱影響區(qū)狹窄、精確性和自動(dòng)化程度高等。在航空工業(yè)以及許多其他應(yīng)用中，激光焊接能夠?qū)崿F(xiàn)很多類型材料的連接，對(duì)于航空和汽車工業(yè)中比較難焊的薄板鋁合金材料，更是發(fā)揮了傳統(tǒng)焊接工藝無法比擬的優(yōu)越性?？罩锌蛙嘇318、A340和A380下機(jī)身和空氣進(jìn)氣道鋁合金加筋壁板T型接頭的連接，采用激光焊接，取代了鉚接或整體數(shù)控加工。鋁合金激光焊接技術(shù)的逐步成熟也促進(jìn)了全鋁結(jié)構(gòu)轎車的發(fā)展，如奧迪A2全鋁結(jié)構(gòu)轎車車身激光焊縫的總長度達(dá)到30m。歐洲50%?70%的汽車零/部件生產(chǎn)采用了激光焊接技術(shù)，僅德國大眾一家公司在生產(chǎn)線上使用的激光焊機(jī)就達(dá)到700多臺(tái)。第五代Golf車身激光焊縫總長度達(dá)到52.5m，由此，在減輕車身重量的同時(shí)，車身抗扭剛度增加了80%以上，抗彎剛度增加超過35%。目前，激光-電弧復(fù)合熱源焊接的研究異?；钴S，并已走向工業(yè)應(yīng)用。激光-電弧復(fù)合熱源焊接綜合了激光和電弧各自的優(yōu)點(diǎn)，具有激光焊接的高速度、高效率、低熱輸入、電弧焊接良好的橋聯(lián)性和填充金屬熔敷效率高的特性。大眾汽車公司已將激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)應(yīng)用于轎車鋁合金車門和側(cè)頂梁的焊接。在航空航天領(lǐng)域，通過對(duì)AA6013(T6)航空鋁合金激光-MIG復(fù)合熱源焊接接頭性能研究結(jié)果表明，雖然激光-MIG復(fù)合熱源焊接接頭的軟化區(qū)和熱影響區(qū)較單純激光焊接擴(kuò)大30%，但接頭的拉伸強(qiáng)度并沒有下降，其延伸率和疲勞性能還有所改善。針對(duì)不同材料組合的激光熔釬焊接正在成為新的研究應(yīng)用熱點(diǎn)。通過對(duì)激光能量、光斑大小、作用位置和作用時(shí)間的精確控制，利用兩種母材熔點(diǎn)的差異，使低熔點(diǎn)母材熔化而高熔點(diǎn)母材保持固態(tài)，即在低熔點(diǎn)母材一側(cè)為熔化焊，而在高熔點(diǎn)母材一側(cè)為釬焊。這種方法避免了熔焊時(shí)兩種金屬液相混合而生成大量脆性金屬間化合物，因而可以獲得優(yōu)質(zhì)的接頭。德國BIAS研究所采用YAG激光熔釬焊接新工藝率先實(shí)現(xiàn)了1mm左右鋁合金與鈦合金、鋁合金與鋼異種合金薄板搭接接頭連接，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到220MPa。塑料的激光焊接技術(shù)是近年發(fā)展起來的新技術(shù)，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是能生成精密、牢固和密封的焊縫。在汽車制造業(yè)中，激光焊接塑料技術(shù)可用于制造很多汽車零/部件，如燃油噴嘴、變擋機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、駕駛室機(jī)架、液壓油箱、過濾架、輔助水泵、前燈和尾燈等。3.3激光熔覆技術(shù)激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低，與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對(duì)材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素。因此，該技術(shù)為復(fù)雜昂貴零件的修復(fù)提供了一條嶄新的途徑，已經(jīng)被應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽輪機(jī)葉片、葉輪、石化行業(yè)定子、轉(zhuǎn)子、核閥零件和模具零件等關(guān)鍵零部件的修復(fù)和翻新。[3][4如圖3為激光熔覆技術(shù)在零件修復(fù)中的應(yīng)用。圖3激光熔覆技術(shù)的零件修復(fù)與堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大等特點(diǎn)，因此激光熔覆技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。從當(dāng)前激光熔覆的應(yīng)用情況來看，其主要應(yīng)用于三個(gè)方面：一，對(duì)材料的表面改性，如燃汽輪機(jī)葉片，軋輥，齒輪等；二，對(duì)產(chǎn)品的表面修復(fù)，如轉(zhuǎn)子，模具等。有關(guān)資料表明，修復(fù)后的部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90%以上，其修復(fù)費(fèi)用不到重置價(jià)格的1/5，更重要的是縮短了維修時(shí)間，解決了大型企業(yè)重大成套設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。另外，對(duì)關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下大大提高零部件的使用壽命；對(duì)模具表面進(jìn)行激光熔覆處理，不僅提高模具強(qiáng)度，還可以降低2/3的制造成本，縮短4/5的制造周期。三，快速原型制造。利用金屬粉末的逐層燒結(jié)疊加，快速制造出模型。⑸3.4激光打孔技術(shù)激光打孔是最早達(dá)到實(shí)用化的激光加工技術(shù)，也是激光加工的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，使用硬度大、熔點(diǎn)高的材料越來越多，而傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足某些工藝要求。這一類的加工任務(wù)用常規(guī)機(jī)械加工方法很困難，有時(shí)甚至是不可能的，而用激光打孔則不難實(shí)現(xiàn)。激光束在空間和時(shí)間上高度集中，利用透鏡聚焦，可以將光斑直徑縮小到微米級(jí)從而獲得105-1015W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度幾乎可以在任何材料實(shí)行激光打孔，而且與其它方法如機(jī)械鉆孔、電火花加工等常規(guī)打孔手段相比，具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：1)激光打孔速度快，效率高,經(jīng)濟(jì)效益好。由于激光打孔是利用功率密度為l07-109W/cm2的高能激光束對(duì)材料進(jìn)行瞬時(shí)作用，作用時(shí)間只有10-3—10-5s,因此激光打孔速度非常快。將高效能激光器與高精度的機(jī)床及控制系統(tǒng)配合，通過微處理機(jī)進(jìn)行程序控制,可以實(shí)現(xiàn)高效率打孔。在不同的工件上激光打孔與電火花打孔及機(jī)械鉆孔相比，效率提高10-1000倍。激光打孔速度快，可獲得很大的深徑比，可在硬、脆、軟等各類材料上進(jìn)行加工，也可在難加工材料的傾斜面上加工小孔，目前激光打孔已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)的燃料噴嘴、飛機(jī)機(jī)翼、渦輪葉片、化纖噴絲板、寶石軸承、印刷電路板、過濾器、金剛石拉絲模、硬質(zhì)合金、不銹鋼等金屬和非金屬材料的小孔加工。激光打孔采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔，脈沖寬度為0.1?1毫秒，特別適于打微孔和異形孔，孔徑約為0.005?1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。微細(xì)激光打孔的效率高，適合于自動(dòng)化連續(xù)加工，加工的孔徑可小于]0〃m，深徑比可達(dá)50：1以上，并可以加工異型孔。2004年，美國密西根大學(xué)研究人員采用飛秒激光在不銹鋼和金屬鈦薄片上制備出由亞微米小孔構(gòu)成的規(guī)則圖案，并對(duì)半導(dǎo)體材料表面打孔、切割及開槽等微加工做了研究。目前，工業(yè)先進(jìn)國家的航空產(chǎn)品生產(chǎn)上均配有相當(dāng)數(shù)量的多坐標(biāo)激光打孔機(jī)，采用最能體現(xiàn)激光打孔特點(diǎn)的群孔激光打孔方法。由于多坐標(biāo)激光打孔機(jī)具有良好的柔性，所以常用作計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的一個(gè)組成單元。美國通用電器公司已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線中采用了激光打孔技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)平均要用激光打孔10萬個(gè)，一年生產(chǎn)的葉片、火箭筒及隔熱屏等零件要打孔5000萬個(gè)。美國通用電器公司還在噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的加工生產(chǎn)上，采用激光加工冷卻隔板上的20萬個(gè)小孔。3.5激光切割技術(shù)激光切割是利用聚集的高功率密度激光束照射工件，在超過激光閾值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性氣體輔助切割過程所附加的化學(xué)反應(yīng)熱能全部被材料吸收，由此引起激光作用點(diǎn)的溫度急劇上升，達(dá)到沸點(diǎn)后材料開始?xì)饣?，并形成孔洞，隨著光束與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終使材料形成切縫，切縫處的熔渣被一定的輔助氣體吹除。激光切割的斷面非常光滑，精度可達(dá)0.1mm，適合后期焊接，而等離子切割的斷面往往需要打磨才能進(jìn)行焊接。目前，日本的工程機(jī)械行業(yè)已經(jīng)將激光下料作為標(biāo)準(zhǔn)工藝手段，大大提高了新產(chǎn)品開發(fā)速度，提升了產(chǎn)品品質(zhì)，使企業(yè)競爭力進(jìn)一步增強(qiáng)。從全球范圍看，大幅面激光切割機(jī)已經(jīng)成為重工企業(yè)加工方式的首選新型設(shè)備。美國福特和通用汽車公司，在汽車生產(chǎn)線上普遍采用激光切割技術(shù)。在航空航天工業(yè)中，激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于鈦合金、鋁合金、竦合金、不銹鋼、復(fù)合材料、塑料、陶瓷和石英等材料的切割，目前已用激光切割加工飛機(jī)鈦合金蒙皮、尾翼壁板、蜂窩結(jié)構(gòu)、框架、發(fā)動(dòng)機(jī)匣、直升機(jī)主旋翼及航天飛機(jī)陶瓷隔熱瓦等。美國已用功率為500W數(shù)控五坐標(biāo)CO2激光切割機(jī)切割三維空間的飛機(jī)零件。在微電子制造領(lǐng)域，典型的應(yīng)用是切割印刷電路板中表面安裝用模板，既可以克服傳統(tǒng)化學(xué)刻蝕法的加工極限尺寸大、工序繁雜以及加工周期長等致命缺點(diǎn)，也可以對(duì)成品模板進(jìn)行再加工，加工精度及縫隙密度明顯提高。目前，大功率CO2激光切割裝置，最大切割厚度為45mm，切割精度達(dá)土0.05mm。圖4為本課題組（力學(xué)研究所激光先進(jìn)制造課題組）的激光切割實(shí)例。圖4激光切割實(shí)例3.6其它技術(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。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0.125?1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。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（0.01?0.6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)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