激光的特點
1. 定向發(fā)光
普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個方向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。
2. 亮度極高
在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因為激光的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。若用功率最強的探照燈照射月球，產生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內射出，能量密度自然極高。
3. 顏色極純
光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長對應一定的顏色。太陽光的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發(fā)射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氪燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氪燈發(fā)出的紅光，若仔細辨認仍包含有幾十種紅色。由此可見，光輻射的波長分布區(qū)間越窄，單色性越好。
激光加工技術的主要應用
激光加工是激光應用最有發(fā)展前途的領域，現在已開發(fā)出多種激光加工技術。激光加工有以下特點：
1）激光加工屬無接觸加工，激光加工是通過激光光束進行加工，與被加工工件不直接接觸，降低了機械加工慣性和機械變形，方便了加工。同時，還可加工常規(guī)機械加工不能或很難實現的加工工藝，如內雕、集成電路打微孔、硅片的刻劃等。
2）加工質量好，加工精度高，加工效率高，由于激光能量密度高可瞬時完成加工，與傳統(tǒng)機械加工相比，工件熱變形小、無機械變形，使得加工質量顯著提高；激光可通過光學聚焦鏡聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，加工效率高，激光切割可比常規(guī)機械切割提高加工效率幾十倍甚至上百倍；激光打孔特別是微孔可比常規(guī)機械打孔提高效率幾十倍至上千倍；激光焊接比常規(guī)焊接提高效率幾十倍；激光調阻可提高效率上千倍，且精度亦顯著提高。
3）材料利用率高、經濟效益高，激光加工與其他加工技術相比可節(jié)省材料10～30?可直接節(jié)省材料成本費，且激光加工設備操作維護成本低，對加工費用降低提供了先決條件。激光加工具有優(yōu)越的加工性能，使得激光加工技術得到了廣泛的應用，并產生了巨大的經濟效益和社會效益。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。激光加工系統(tǒng)與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已經成為企業(yè)實行適時生產的關鍵技術，為優(yōu)質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。目前已成熟的激光加工技術包括：激光切割技術、激光焊接技術、激光打標技術、激光快速成形技術、激光打孔技術、激光去重平衡技術、激光蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表面處理技術等。
本文簡單介紹幾種常見激光加工技術：
1. 激光打孔
激光打孔技術具有精度高、通用性強、效率高、成木低和綜合技術經濟效益顯著等優(yōu)點，已成為現代制造領域的關鍵技術之一，激光打孔在微細孔加工中的應用，解決了一些傳統(tǒng)機械加工不能解決的難題，為微孔加工提供了先進的加工手段[8]。目前，工業(yè)發(fā)達國家已將激光深微孔技術大規(guī)模地應用到航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業(yè)。
國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉扮模的生產及鐘表和儀表的寶石軸承、吃機葉片、多層印刷線路板等行業(yè)的生產中激光打孔的有點：
1）激光打孔速度快，效率高，經濟效益好；
2)激光打孔可獲得大的深徑比；
3)激光打孔可在硬、脆，軟等各類材料上進行；
4)激光打孔無工具損耗；
5)激光可在難加工材料傾斜面上加工小孔；
6)激光打孔適合于數量多、高密度的群孔加工。
另外，由于激光打孔過程與工件不接觸，因此加工出來的工件清潔，沒污染。因為這種打孔是一種蒸發(fā)型的、非接觸的加工過程，它消除了常規(guī)熱絲穿孔和機械穿孔帶來的殘渣，因而十分衛(wèi)生。而且激光加工時間短，對被加工的材料氧化、變形、熱影響區(qū)域均較小，不需要特殊保護。激光不僅能對置于空氣中的工件打孔，而且也能對置于真空中或其它條件下的工件進行打孔。目前，激光打孔朝著多樣化、高速度、孔徑更微小的方向發(fā)展。
2. 激光快速成型
傳統(tǒng)的工業(yè)成型技術大部分是遵循“去除法”的，如車削、銑削、鉆削、磨削、刨削；另外一些是采用模具進行成形，如鑄造、沖壓。激光快速成形技術集成了激光技術、CAD/CAM技術和材料技術的最新成果，根據計算機設計出的零件的模型立體圖，直接制造出模型，它制造模型的辦法是在一層接一層的基礎上不斷添加材料。
激光快速成型法有，液態(tài)光敏聚合物選擇性固化、薄型材料選擇性切割、扮狀材料選擇性熔復、粉末材料選擇性燒結。激光快速成型技術在模具制造中的應用最為廣泛，可以用快速成型件直接用作模具；用快速成型件作母模，翻制軟模具；用快速成件翻制硬模具。
用快速成技術制作模具，既避開了復雜的機械切削加工，又可以保證模具的精度，還可以大大縮知制模時間、節(jié)省制模費用，對于形狀復雜的精度模具，其優(yōu)點尤為突出。該技術已在航空航天、電子、汽車、家電等工業(yè)領域得到廣泛應用。但是，目前還存在著模具壽命相對較知的缺點，即使是金屬面、硬背襯模具，其使用壽命也不及真止的金屬模，所以快速成模具較適合于單件小批量生產。
3. 激光打標
激光標記機的市場是近幾年發(fā)展最快的一項應用技術。激光標記是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學應，從而留下永久
性標記的一種技術。激光標記有許多獨特的優(yōu)點，能標記各種字符、圖案、數字以及條形碼，標記線寬可小于0.01mm，可深可淺，對很小零件也可打標，這是其他標記力一法不能實現的；激光打的標記屬永久性，不像噴墨打印的字可擦掉；可作防偽標記，不易被人假冒；屬不接觸加工，所以對零件表面沒有損傷；標記的字符清晰，質量好；效率很高，成木低，可對多種材料進行標記；由計算機操作易于更換標記內容，也可以一個零件一個標記；由于有以上多種特點，所以應用越來越廣泛，特別是多種電子器件、集成電路模塊、汽車零件甚至汽車窗玻璃、導線、接插件、工具、醫(yī)療器械、精密儀器儀表、線路板、橡膠制品、計算機鍵盤、手機面板、精美禮品、玻璃制品等等。
4. 激光切割
激光切割是利用激光束的高功率密度的性質。激光束聚焦很小的光點，擁有巨大的能量，可將材料快速加熱，使其達到沸點后開始汽化，形成了空洞，再使光束與材料相對運動，在材料表面形成切縫激光切割技術可廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。脈沖激光適用于金屬材料，連續(xù)激光適用于非金屬材料，后者是激光切割技術的重要應用領域。目前，激光切割主要應用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)中，如飛機框架、尾翼壁板、飛機主旋翼、汽車車架等切割。激光切割的主要特性：1）激光切割的切縫窄，工件變形??；2）激光切割是一種高能量、密度可控性好的無接觸加工；3）激光切割具有廣泛的適應性和靈活性。
5. 激光焊接
激光焊接是把激光聚焦成很細的高能量密度光束照射到工件上，使工件受熱熔化，然后冷卻使工件得到焊接。激光焊結熔深大，速度快，效率高。激光焊燒區(qū)窄，熱影響區(qū)很小，工件變形也很小，同時，焊縫小，可實現精密焊接.焊接結構均勻，品粒很小，氣孔少，夾雜缺陷少，在機械性能、抗蝕性能和電磁學性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。
目前，激光深熔焊接在粉末冶金材料加工領域中的應用相拔夾攏名。激光焊接能量密度高，對高熔點、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。目前，汽車行業(yè)將不同材質的薄鋼板實施激光拼接焊后沖壓成型，激光拼接焊取代了電焊。同時，通過光纖傳輸的多路激光束進行多點或多組件焊接越來越普及。
在遠離裝配區(qū)的位置裝置一臺中心激光器(YAG)，激光器產生的光束經由一根柔性的激光光纜傳送至需要加工的地點由工人操作進行焊接，從而最大限度的利用YAG系統(tǒng)的焊接效果。由于YAG激光器可利用光纖傳輸能量進行遠距的焊接，將大大促進高功率YAG激光焊的發(fā)展[7]?？傊?，激光焊接有如下優(yōu)勢：高強度，超長壽命；高焊接速度，效率高；搭接接口工藝簡單，廢品率低；低定位精度適于產業(yè)化生產，主要應用于軍工企業(yè)、食品工業(yè)、化學工業(yè)、石化工業(yè)。
6. 激光熱處理
激光熱處理是利用高功率密度的激光束對金屬進行表面處理的方法。如當把金屬表面加熱到僅低于熔點的臨界轉變溫度時，其表面迅速奧氏體化，然后急速自冷淬火，金屬表面迅速被強化，即激光相變硬化(激光淬火)[9]。激光表面熱處理技術包括激光相變硬化技術、激光涂覆技米、激光合金化技術、激光沖擊強化技術等，這些技術對改變材料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。
經激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達到 HRC60度以上。中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達HRC70度以上，從而提高了材料的抗磨性、抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕等性能同，延長其使用壽命。激光熱處理技術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：
1) 無需使用外加材料，僅改變被處理材料表面的組織結構。處理后的改性層具有足夠的厚度，可根據需要調整深淺一般可達0.1-0.8mm。
2) 處理層和墓體結合強度高。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。由于激光功率密度高，與零件的作用時間極短，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等。
4) 加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導光系統(tǒng)可隨意將激光導向處理部分，從而可方便地處理深孔、內孔、盲孔和凹槽等，也可進行選擇性的局部處理等[11]。由于激光熱處理有相當明顯的優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術難題，在國內外受到高度重視，激光熱處理得到迅速的發(fā)展。激光熱處理技術在汽車工業(yè)中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業(yè)和其它機械行業(yè)也應用廣泛。
激光加工的發(fā)展趨勢
1. 數控化和多功能化
把激光器與計算機數控技術、先進的光學系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結合，形成研制和生產加工中心，并把多種加工功能基于一臺機床上，如國內生產的JHM-IGY-400/SOOB多功能激光加工機。整機由激光器、激光電源、光學系統(tǒng)、二/四軸聯動工作臺、CNC控制系統(tǒng)、CCD監(jiān)控系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、光纖傳輸系統(tǒng)、He-Ne激光指示系統(tǒng)和密閉氣室裝置等組成，具有焊接、切割、打孔和簡單標記等多種功能，己成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢。
2. 高頻度和高可靠性
日前，國外YAG激光器的重復頻度己達2000次/秒，二極管陣列泵浦的Nd： YAG激光器的平均維修時間己從原來的幾百小時提高到1-2萬小時。國內雖然達不到這種水平，但也朝著這一方向努力。 4.3 小型化和集成化
能夠進行幾種工藝研制和生產加工的激光加工系統(tǒng)，已成為激光加工的另一發(fā)展趨勢。國外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一臺機床上，制成激光沖床，它兼有激光切割的多功能性和沖壓加工的高速高效的特點，可完成切割復雜外形、打孔、打標、劃線等加工。
我國激光加工業(yè)起步晚，底子薄，技術不能與德、美、日等發(fā)達國家的同日而語，尤其是激光制造系統(tǒng)的光源更是落后，先進的薄片式固體激光器都是外國生產，我國想組裝一臺先進的激光機床就得進口激光器，這樣我國的激光產業(yè)就會永遠落后于人。激光的產生、傳輸和控制是激光技術發(fā)展的前提，只有制造出高功率、高光束質量的激光制造系統(tǒng)，并目把研究與實際加工相結合，我國的激光技術才能得以發(fā)展。
結語
我國是一個制造大國，制造業(yè)尤其是機械制造是關乎國計民生的關鍵產業(yè)，隨著激光技術的快速發(fā)展，激光加工技術在機械制造領域的應用越來越廣泛，越來越重要，影響越來越大。激光快速找止、激光測量、激光成形加工、焊接、切割、標記以及熱處理等激光技術在先進制造業(yè)中的應用，必將引起機械制造業(yè)各個領域的全面改觀。
參考文獻
[1] 方志民等.激光加工技術在先進制造技術中的應用[J].機械工程,2003(8):27-30 [2]江海河.激光加工技術應用的發(fā)展及展望[J].光電子技術與信息,200l,14(4):1-12
[3] 孫會來,林樹忠,趙方方等.激光綜合加工平臺最佳方案的模糊評價[A].依諾維特杯機電工程及相關專業(yè)研究生學術會議[C],2003
[4] 張寶忠,孫慧平,劉萍,范進禎.先進制造業(yè)中的激光測試與激光加工技術[J].機械設計與制造,2006,6(6):158-160
[5] 萬周政.激光加工技術在機械加工業(yè)中的應用[J].科技資訊,2008,(6):8-10 [6]錢毅.YAG激光打標技術系統(tǒng)與控制軟件的研究[D].天津:河北工業(yè)大學,2004
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