激光加工技術(shù)

卓輝激光

一、技術(shù)概述
6 i* c# t9 M7 q, x& g$ J' t" A. S激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進行切割、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、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術(shù)，它的研究范圍一般可分為：
3 ^& C. O# n+ b) o, Q5 E, ]1．激光加工系統(tǒng)。包括激光器、導光系統(tǒng)、加工機床、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)。
) S- Q; k* q% M* c) O- Z# N  k. U5 x2．激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標、劃線、微調(diào)等各種加工工藝。
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, O- N' O  b5 b7 M二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢
作為20世紀科學技術(shù)發(fā)展的主要標志和現(xiàn)代信息社會光電子技術(shù)的支柱之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進國家的高度重視。

6 d* f/ J1 C* l# d0 Z# M, `* E激光加工是國外激光應(yīng)用中最大的項目，也是對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造的重要手段，主要是kW級到10kW級CO2激光器和百瓦到千瓦級YAG激光器實現(xiàn)對各種材料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù)1997~1998年的最新激光市場評述和預測，1997年全世界總激光器市場銷售額達32.2億美元，比1996年增長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年總收入預計增長19％，可達到38.2億美元。其中占第一位的材料加工預計超過10億美元，醫(yī)用激光器是國外第二大應(yīng)用。

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、標記（50％）和切割（15％）為主。在美國和歐洲CO2激光器占到了70~80％。我國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)是進行激光處理汽車發(fā)動機的汽缸套。這項技術(shù)的經(jīng)濟性和社會效益都很高，故有很大的市場前景。

在汽車工業(yè)中，激光加工技術(shù)充分發(fā)揮了其先進、快速、靈活地加工特點。如在汽車樣機和小批量生產(chǎn)中大量使用三維激光切割機，不僅節(jié)省了樣板及工裝設(shè)備，還大大縮短了生產(chǎn)準備周期；激光束在高硬度材料和復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)中已成為標準工藝，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，然后再進行沖壓。雖然激光熱處理在國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)達國家，激光加工技術(shù)和計算機數(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。
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到了80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和標記等方面發(fā)揮了越來越大作用。通常認為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kw級CO2激光器切割市場。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。

6 D$ i# f) E9 Z/ ]7 n; v3 u- V目前，國外激光打孔主要應(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30~50kw，打孔用的脈沖寬度越來越窄，重復頻率越來越高，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，也擴大了打孔的應(yīng)用范圍。國內(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。

/ T! @) w. U9 v% h, f目前激光加工技術(shù)研究開發(fā)的重點可歸納為：
# g/ }* Q0 V2 k' x7 w; g－－－新一代工業(yè)激光器研究，目前處在技術(shù)上的更新時期，其標志是二極管泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展及應(yīng)用；
－－－精細激光加工，在激光加工應(yīng)用統(tǒng)計中微細加工1996年只占6％，1997年翻了一倍達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，而是帶有實時檢測、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。
) Y% k- ~% q/ K+ }% d" E$ F激光技術(shù)在我國經(jīng)過30多年的發(fā)展，取得了上千項科技成果，許多已用于生產(chǎn)實踐，激光加工設(shè)備產(chǎn)量平均每年以20％的速度增長，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，將改變我國汽車覆蓋件的鋼板完全依賴進口的狀態(tài)，激光標記機與激光焊接機的質(zhì)量、功能、價格符合國內(nèi)目前市場的需求，市場占有率達90％以上。

) v2 p' G" [" b; Z7 c6 H存在的主要問題：
! ?5 z1 f# U1 C( S* N3 s－－－科研成果轉(zhuǎn)化為商品的能力差，許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機階段；
－－－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。國外不僅二級管泵浦的全固態(tài)激光器已用于生產(chǎn)過程中，而且二級管激光器也被應(yīng)用，而我國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。
3 e5 f9 f. h* P- f. [# v－－－對加工技術(shù)的研究少，尤其對精細加工技術(shù)的研究更為薄弱，對紫外波激光進行加工的研究進行的極少。
－－－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。
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$ B6 ?$ p# o! n  D. a9 |9 n三、“十五”目標及主要研究內(nèi)容
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" p7 j9 g/ f' b' X9 A“十五”的主要工作是促進激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，保持激光器年產(chǎn)值20％的平均增長率，實現(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．主要研究內(nèi)容
（1）激光加工用大功率CO2和固體激光器及準分子激光器的引進機型研究，提高國產(chǎn)機水平；同時開發(fā)和研制專用配套的激光加工機床，提高激光器產(chǎn)品在生產(chǎn)線上穩(wěn)定運行的周期，力爭在國內(nèi)建立較全面的加工用激光器的生產(chǎn)基地。
（2）建立激光加工設(shè)備參數(shù)的檢測手段，并進行方法研究。
（3）激光切割技術(shù)研究。對現(xiàn)有的激光切割系統(tǒng)進行二次開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，提供性能好、價格便宜的2－3軸數(shù)控CO2切割機，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：導光系統(tǒng)、過程監(jiān)測和控制、噴咀、浮動裝置的設(shè)計和研制以及CAD／CAM等方面開展工作。
/ f9 P% ]! V" K7 d（4）激光焊接技術(shù)研究。開展激光焊接工藝及材料、焊接工藝對設(shè)備要求及焊接過程參數(shù)監(jiān)測和控制技術(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。
. Q5 x0 w3 v! @  [7 m8 L0 G（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)。
（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)，光學系統(tǒng)及加工頭設(shè)計和研制。
（7）擇優(yōu)支持2~3個國家級加工技術(shù)研究中心，開展激光加工工藝技術(shù)研究，重點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