激光加工技術(shù)

卓輝激光

一,、技術(shù)概述
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門加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光,、機(jī),、電,、材料及檢測(cè)等多門學(xué)科的一門綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為：
; _" L  P& f; {# M& Q5 I1．激光加工系統(tǒng),。包括激光器,、導(dǎo)光系統(tǒng)、加工機(jī)床,、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng),。
2．激光加工工藝。包括切割,、焊接,、表面處理,、打孔,、打標(biāo)、劃線,、微調(diào)等各種加工工藝,。

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二、現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)
作為20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會(huì)光電子技術(shù)的支柱之一,，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進(jìn)國(guó)家的高度重視,。

; s" E4 h: [; u! C$ o- t3 W; S激光加工是國(guó)外激光應(yīng)用中最大的項(xiàng)目，也是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段,，主要是kW級(jí)到10kW級(jí)CO2激光器和百瓦到千瓦級(jí)YAG激光器實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料的切割,、焊接、打孔,、刻劃和熱處理等,。據(jù)1997~1998年的最新激光市場(chǎng)評(píng)述和預(yù)測(cè)，1997年全世界總激光器市場(chǎng)銷售額達(dá)32.2億美元,，比1996年增長(zhǎng)14％,，其中材料加工為8.29億美元，醫(yī)療應(yīng)用3億美元,，研究領(lǐng)域1.5億美元,。1998年總收入預(yù)計(jì)增長(zhǎng)19％，可達(dá)到38.2億美元,。其中占第一位的材料加工預(yù)計(jì)超過(guò)10億美元,，醫(yī)用激光器是國(guó)外第二大應(yīng)用。

0 Z2 o6 c6 ~6 Q9 g激光加工應(yīng)用領(lǐng)域中,，CO2激光器以切割和焊接應(yīng)用最廣,，分別占到70％和20％，表面處理則不到10％,。而YAG激光器的應(yīng)用是以焊接,、標(biāo)記（50％）和切割（15％）為主,。在美國(guó)和歐洲CO2激光器占到了70~80％。我國(guó)激光加工中以切割為主的占10％,，其中98％以上的CO2激光器,，功率在1.5kW~2kW范圍內(nèi)，而以熱處理為主的約占15％,，大多數(shù)是進(jìn)行激光處理汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸套,。這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益都很高，故有很大的市場(chǎng)前景,。
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; H/ M5 Z/ a1 r! d6 R6 a# s; a在汽車工業(yè)中,，激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進(jìn)、快速,、靈活地加工特點(diǎn),。如在汽車樣機(jī)和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機(jī)，不僅節(jié)省了樣板及工裝設(shè)備,，還大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期,；激光束在高硬度材料和復(fù)雜而彎曲的表面打小孔，速度快而不產(chǎn)生破損,；激光焊接在汽車工業(yè)中已成為標(biāo)準(zhǔn)工藝,，日本Toyota已將激光用于車身面板的焊接，將不同厚度和不同表面涂敷的金屬板焊接在一起,，然后再進(jìn)行沖壓,。雖然激光熱處理在國(guó)外不如焊接和切割普遍，但在汽車工業(yè)中仍應(yīng)用廣泛,，如缸套,、曲軸、活塞環(huán),、換向器,、齒輪等零部件的熱處理。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,，激光加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及柔性制造技術(shù)相結(jié)合,，派生出激光快速成形技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)不僅可以快速制造模型,，而且還可以直接由金屬粉末熔融,，制造出金屬模具。

. [9 i# T( ?+ U% G: b6 b% \到了80年代,，YAG激光器在焊接,、切割、打孔和標(biāo)記等方面發(fā)揮了越來(lái)越大作用,。通常認(rèn)為YAG激光器切割可以得到好的切割質(zhì)量和高的切割精度,，但在切割速度上受到限制,。隨著YAG激光器輸出功率和光束質(zhì)量的提高而被突破。YAG激光器已開始擠進(jìn)kw級(jí)CO2激光器切割市場(chǎng),。YAG激光器特別適合焊接不允許熱變形和焊接污染的微型器件,，如鋰電池、心臟起搏器,、密封繼電器等,。YAG激光器打孔已發(fā)展成為最大的激光加工應(yīng)用。
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目前,，國(guó)外激光打孔主要應(yīng)用在航空航天,、汽車制造、電子儀表,、化工等行業(yè),。激光打孔的迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w,。打孔峰值功率高達(dá)30~50kw,，打孔用的脈沖寬度越來(lái)越窄,，重復(fù)頻率越來(lái)越高,，激光器輸出參數(shù)的提高，很大程度上改善了打孔質(zhì)量,，提高了打孔速度,，也擴(kuò)大了打孔的應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)目前比較成熟的激光打孔的應(yīng)用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產(chǎn)及手表寶石軸承的生產(chǎn)中,。
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4 _* ?* M& Q* W/ J( g& w* V& b# b目前激光加工技術(shù)研究開發(fā)的重點(diǎn)可歸納為：
－－－新一代工業(yè)激光器研究,，目前處在技術(shù)上的更新時(shí)期，其標(biāo)志是二極管泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展及應(yīng)用,；
－－－精細(xì)激光加工,，在激光加工應(yīng)用統(tǒng)計(jì)中微細(xì)加工1996年只占6％，1997年翻了一倍達(dá)12％,，1998年已增加到19％,；
－－－加工系統(tǒng)智能化，系統(tǒng)集成不僅是加工本身,，而是帶有實(shí)時(shí)檢測(cè),、反饋處理，隨著專家系統(tǒng)的建立,，加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì),。
激光技術(shù)在我國(guó)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，取得了上千項(xiàng)科技成果,，許多已用于生產(chǎn)實(shí)踐,，激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以20％的速度增長(zhǎng),，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、提高產(chǎn)品質(zhì)量解決了許多問(wèn)題,，如激光毛化纖技術(shù)正在寶鋼,、本鋼等大型鋼廠推廣，將改變我國(guó)汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進(jìn)口的狀態(tài),，激光標(biāo)記機(jī)與激光焊接機(jī)的質(zhì)量,、功能、價(jià)格符合國(guó)內(nèi)目前市場(chǎng)的需求,，市場(chǎng)占有率達(dá)90％以上,。
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存在的主要問(wèn)題：
－－－科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場(chǎng)前景的成果停留在實(shí)驗(yàn)室的樣機(jī)階段,；
% v4 x! b- O1 e$ Q9 r1 ^3 i－－－激光加工系統(tǒng)的核心部件激光器的品種少,、技術(shù)落后、可靠性差,。國(guó)外不僅二級(jí)管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過(guò)程中,，而且二級(jí)管激光器也被應(yīng)用，而我國(guó)二極管泵浦的全固態(tài)激光器還處在剛開始研究開發(fā)階段,。
  N- D. `& m/ G. i* W# F－－－對(duì)加工技術(shù)的研究少,，尤其對(duì)精細(xì)加工技術(shù)的研究更為薄弱，對(duì)紫外波激光進(jìn)行加工的研究進(jìn)行的極少,。
－－－激光加工設(shè)備的可靠性,、安全性、可維修性,、配套性較差,，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。


4 `$ K: [  T9 W* a三,、“十五”目標(biāo)及主要研究?jī)?nèi)容
1．目標(biāo)
, G3 t- e9 o; s0 m/ X* C8 Y; T- i“十五”的主要工作是促進(jìn)激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，保持激光器年產(chǎn)值20％的平均增長(zhǎng)率，實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值200億元以上,；在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中普及和推廣加工技術(shù),，重點(diǎn)完成電子、汽車,、鋼鐵,、石油、造船,、航空等傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行改造的示范工程,；為信息、材料、生物,、能源,、空間、海洋等六大高科技領(lǐng)域提供嶄新的激光設(shè)備和儀器,。

2．主要研究?jī)?nèi)容
5 f5 H/ o! G' A, ~（1）激光加工用大功率CO2和固體激光器及準(zhǔn)分子激光器的引進(jìn)機(jī)型研究,，提高國(guó)產(chǎn)機(jī)水平；同時(shí)開發(fā)和研制專用配套的激光加工機(jī)床,，提高激光器產(chǎn)品在生產(chǎn)線上穩(wěn)定運(yùn)行的周期,，力爭(zhēng)在國(guó)內(nèi)建立較全面的加工用激光器的生產(chǎn)基地。
- [5 c$ }# p+ i& l' p$ v& f' J5 y（2）建立激光加工設(shè)備參數(shù)的檢測(cè)手段,，并進(jìn)行方法研究,。
9 f) K* j1 o9 [( A3 M3 G- J（3）激光切割技術(shù)研究。對(duì)現(xiàn)有的激光切割系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,，提供性能好,、價(jià)格便宜的2－3軸數(shù)控CO2切割機(jī)，并開展相應(yīng)的切割工藝的研究,，使該工藝廣泛用于材料加工,、汽車、航天及造船等領(lǐng)域,。為此應(yīng)著重在激光器外圍裝置,，如：導(dǎo)光系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制,、噴咀,、浮動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)和研制以及CAD／CAM等方面開展工作。
（4）激光焊接技術(shù)研究,。開展激光焊接工藝及材料、焊接工藝對(duì)設(shè)備要求及焊接過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)研究,，從而掌握普通鋼材,、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。
" J/ J* c0 r# {（5）激光表面處理技術(shù)研究,。開展維CAD／CAM技術(shù),、激光表面處理工藝、材料性能及激光表面處理工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)和控制研究,，使激光表面處理工藝能較大幅度的應(yīng)用于生產(chǎn),。
9 _$ C0 A6 g0 E: R+ w# H2 W1 |（6）激光加工光束質(zhì)量及加工外圍裝置研究。研究各種激光加工工藝對(duì)激光光束的質(zhì)量要求,、激光光束和加工質(zhì)量監(jiān)控技術(shù),，光學(xué)系統(tǒng)及加工頭設(shè)計(jì)和研制。
（7）擇優(yōu)支持2~3個(gè)國(guó)家級(jí)加工技術(shù)研究中心，開展激光加工工藝技術(shù)研究,，重點(diǎn)是材料表面改性和熱處理方面的研究和推廣應(yīng)用,；開展激光快速成形技術(shù)的應(yīng)用研究，拓寬激光應(yīng)用領(lǐng)域,。

天氣

好資料,，建議放入《制造理論》版塊。,。畢竟激光加工并不只限于鈑金加工