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激光技術原理及應用發展

激光技術的基本知識

激光的發展史如果按時間來算并不算長,但其發展速度可謂訊猛之極,如今各行各業均可見到激光技術應用的身影。

  20世紀中期,激光技術問世。經過一代代科研技術人員的持續努力,激光技術已經得到長足的發展和完善,從最初的原理技術開發階段進展到實際應用領域。進入21世紀,激光技術特别是激光加工技術已經在工業技術領域的應用得到了普及,取得了相當不錯的經濟效益和社會效應,對自然科學技術的發展和社會經濟的進步發揮了積極的作用。形成了一整條完整的激光産業鍊。

 

激光加工原理

 

  激光加工技術(圖1)就是把光的能量,經過透鏡聚焦,形成能量密度極高的激光束,利用激光束與物質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、微加工等的一門技術。激光加工技術作為先進制造技術已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經濟的重要部門,對提高産品質量、勞動生産率、自動化,減少污染、材料消耗等起到愈來愈重要的作用。在各個領域,以激光切割、激光打标和激光焊接的應用最為廣泛。

激光技術的應用

 

  激光切割

 

  傳統切割工藝有氣割、機械加工切割、沖裁剪切、等離子切割等。氣割雖然切割速度快,切割厚度大,但是切割尺寸精度明顯不佳,切割成本較大且後續加工成本較高;機械加工切割雖然切割精度較高,但切割速度太慢,無法切割複雜曲線,切割時材料損耗嚴重;沖裁剪切效率較高,成本最低,但是加工質量不高,加工範圍有限,特别是在加工厚闆和複雜曲線形狀闆材時效果很差;等離子切割雖然效率較高,切割斷面比上述幾種加工方式的切割斷面質量都好,但是切割精度隻能達到毫米級别,也就是說隻能進行粗加工和半精加工。

 

  與傳統切割工藝相比較,激光切割工藝(圖2)的優勢較明顯:切割速度快,效率高,加工範圍大,加工時由于是用光束代替傳統的刀具或火焰,切口光滑平整,一般不需要後續加工,切割熱影響區小,闆材變形小,切割縫小(闆材利用率高),切口沒有機械應力,無剪切毛刺,加工精度高,重複性好,不損傷闆材表面,數控編程,加工範圍大,無需開模,經濟省時;特别是加工曲線時,優勢最為明顯。與沖裁剪切加工相比,加工面光滑圓潤,沒有沖裁加工曲線時明顯的接刀痕迹,加工時由于闆材靜止狀态,也避免了闆材表面運動時出現劃痕。

  激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點,同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質,從而實現将工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割、激光劃片與控制斷裂四類。

 

  ⑴激光汽化切割。

 

  激光汽化切割是利用高能量密度的激光束加熱工件,使溫度迅速上升,在非常短的時間内達到材料的沸點,材料開始汽化,形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大,在蒸氣噴出的同時,在材料上形成切口。激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料的切割。

 

  ⑵激光熔化切割。

 

  激光熔化切割時,用激光加熱使金屬材料熔化,然後通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體(Ar、He、N2等),依靠氣體的強大壓力使液态金屬排出,形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化,所需能量隻有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割,如不鏽鋼、钛、鋁及其合金等。

 

  ⑶激光氧氣切割。

 

  激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預熱熱源,用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用,發生氧化反應,放出大量的氧化熱;另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應區吹出,在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應産生了大量的熱,所以激光氧氣切割所需要的能量隻是熔化切割的1/2,而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、钛鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。

 

  ⑷激光劃片與控制斷裂。

 

  激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描,使材料受熱蒸發出一條小槽,然後施加一定的壓力,脆性材料就會沿小槽處裂開。

 

  前三種切割方式是目前激光切割的主要應用方式。從目前市場上激光切割機應用的情況來看,激光在切割黑色金屬上應用效果較好,切割速度快,切割厚度可以達到20mm甚至更高。由于有色金屬的分子結構對激光束的反射作用,激光在切割有色金屬效果稍差,而且機床上必須要配置反光鏡。據統計,切割鋁合金金屬的厚度不超過黑色金屬的一半。切割銅合金效果更差,特别是切割紫銅。

 

  國外在激光切割技術上研究較早,所研究生産的激光切割機加工精度和穩定性均不錯。國内市場上使用的國外品牌切割機有德國通快,瑞士的百超,意大利的普瑞瑪,比利時的LVD,日本的AMADA等品牌,從應用情況來看德國通快的激光切割機質量更加突出一些,但是價格也是最高的。國内激光切割領域近幾年也興起一些民族品牌,像大族,艾提歐,楚天,甚至一些十幾人的小公司都有進行激光切割機的生産,但是機床主要部件均為原裝進口,而且整機加工效果質量穩定性不高。限于目前國内這種狀态,國家對進口激光切割機實行免關稅政策。

 

  激光切割的核心部件是激光發生器。激光發生器類型有CO2激光器和光纖激光器。CO2激光器是通過高壓對經過激光器光腔裡的一定比例的CO2,He和N2的混合氣體放電,混合氣體中的原子受激釋放能量,能量以光子或電子的形式輸出形成激光。CO2激光器所發射的激光為可見光,長期直視會造成視網膜和皮膚輕微損傷,操作時建議操作人員配帶防護眼鏡。光纖激光器是指用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質的激光器,在泵浦光的作用下,光纖内極易形成高功率密度,造成激光工作物質的激光能級“粒子數反轉”,當适時加入正反饋回路(構成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。輸出的為不可見光,直視會造成視網膜和皮膚的嚴重受損,操作時操作者必須佩帶特殊防護眼鏡。CO2激光器光路結構較複雜,光學鏡片損耗也較大。對環境要求較高(塵埃較少),設備要求與震源隔離,保證激光器幹燥和恒溫。光纖激光器光路簡單,對環境要求不高(對灰塵,震蕩,沖擊,溫度,濕度有較高的容忍度)。切割薄闆時光纖激光器速度更快,切割厚闆時CO2激光器能力更強。CO2激光器不能切割高反射金屬闆材。光纖激光器可以切割薄銅金屬闆。激光切割機的品類根據不同光源劃分主要有:CO2激光切割機,光纖激光切割機,紫外激光切割機,綠激光切割機,皮秒激光切割機,飛秒激光切割機。在一些特定行業内也有一些其它按物品名稱的叫法,如:ITO膜激光切割機,藍寶石激光切割機,ITO激光刻蝕機,心血管支架激光切割機,SMT激光切割機,FPC激光切割機,OGS玻璃激光切割機等等,例如藍寶石激光切割其實可以用紫外激光切割機與皮秒激光切割機以及飛秒激光切割機等來進行藍寶石激光切割,大都激光公司未方便客戶而取名直接藍寶石激光切割機:再比如ITO激光刻蝕機,心血管支架激光切割機,SMT激光切割機都采用的是光纖激光切割原理,按光源分類來說都是光纖激光切割機。

 

  激光焊接

 

  激光焊接(圖3)是激光技術的一個重要領域。激光焊接的工作原理是利用高能量的激光脈沖對材料進行微小區域内的局部加熱,激光輻射的能量通過熱傳導向材料的内部擴散,将材料熔化後形成特定熔池。它是一種新型的焊接方式,激光焊接主要針對薄壁材料、精密零件的焊接,可實現點焊、對接焊、疊焊、密封焊等,主要特點:深寬比高,焊縫寬度小,熱影響區小、變形小,焊接速度快,焊縫平整、美觀,焊後無需處理或隻需簡單處理,焊縫質量高,無氣孔,可精确控制,聚焦光點小,定位精度高,易實現自動化。激光焊接機在各行業中應用非常廣泛,激光焊接機價格也高低不等。

 

  激光焊接的主要優點:

 

  ⑴激光焊接時,可将入熱量降到最低的需要量,熱影響區金相變化範圍小,且因熱傳導所導緻的變形亦最小。

 

  ⑵32mm闆厚單道焊接的焊接工藝參數經檢定合格,可降低厚闆焊接所需的時間,甚至可省掉填料金屬的使用。

 

  ⑶不需使用電極,沒有電極污染或受損的顧慮,且因不屬于接觸式焊接制程,機具的耗損及變形可降至最低。

 

  ⑷激光束易于聚焦、對準及受光學儀器所導引,可放置在離工件适當之距離,且可在工件周圍的機具或障礙間再導引,其他焊接法則因受到上述的空間限制而無法發揮。

 

  ⑸工件可放置在封閉的空間裡(經抽真空或内部氣體環境在控制下)。

 

  ⑹激光束可聚焦在很小的區域,可焊接小型且間隔相近的部件。

 

  ⑺可焊材質種類範圍大,亦可相互接合各種異質材料。

 

  ⑻易于以自動化進行高速焊接,亦可以數位或電腦控制。

 

  ⑼焊接薄材或細徑線材時,不會像電弧焊接般易有回熔的困擾。

 

  ⑽不受磁場所影響(電弧焊接及電子束焊接則容易),能精确的對準焊件。

 

  ⑾可焊接不同物性(如不同電阻)的兩種金屬。

 

  ⑿若以穿孔式焊接,焊道深寬比可達10:1。

 

  ⒀可以切換裝置将激光束傳送至多個工作站。

 

  由于激光焊接具有以上特性,激光焊接在民用車輛制造領域應用較為普及。高鐵制造行業,汽車制造行業中激光焊接是主要的焊接工藝,但是激光焊接也有不少缺點。激光焊接的主要缺點:

 

  ⑴焊件位置需非常精确,務必在激光束的聚焦範圍内。

 

  ⑵焊件需使用夾具時,必須确保焊件的最終位置與激光束将沖擊的焊點對準。

 

  ⑶最大可焊厚度受到限制滲透厚度遠超過19mm的工件,生産線上不适合使用激光焊接。

 

  ⑷高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等,焊接性會受激光所改變。

 

  ⑸采用高能量激光束焊接時,需使用等離子控制器将熔池周圍的離子化氣體驅除,以确保焊道的再現。

 

  ⑹能量轉換效率太低,通常低于10%。

 

  ⑺焊道快速凝固,可能有氣孔及脆化的顧慮。

 

  ⑻價格昂貴。

 

  特别是最後一條缺點,設備價格昂貴。與普通焊機數千元一台相比較,激光焊機動辄數十萬,甚至數百萬一台的價格極大的限制了激光焊接技術的應用普及。

 

  激光刻字

 

  激光刻字的工作原理是以能量密度極高的激光束在計算機的控制下,照射到需要打标的産品表面,使産品表面瞬間熔化或汽化,從而在産品表面标刻出需要的文字或圖案标識,如圖4所示。激光刻字也叫激光打标,激光打标的特點:永久牢固、圖案精美、高速高效、非接觸方式、重複精度高、無須制版、沒有污染、易于實現與生産線同步飛行打印等特點。标記内容可以是數字,字母,漢字,圖形圖象,條形碼等。激光刻字是目前國際流行的最為先進的打标模式,非常适應現代化生産(高效率、快節奏)。如表1所示是幾種标記工藝的對比,從中可以看出來,激光打标技術的優勢是非常明顯的。目前激光打标機在工業應用中非常普遍,像我們常見的有:光纖激光打标機,CO2激光雕刻機,紫外激光鐳雕機,綠激光鐳射機,半導體激光打标機等

 

  激光快速成形技術

 

  激光快速成形技術(圖5)是現代制造技術的一個重大變革。是激光技術在工業領域應用的一個拓展。随着全球市場一體化進程的加速,制造業的競争十分激烈,産品的開發速度日益成為競争的主要矛盾。同時,制造業需要滿足日益變化的用戶需求,又要求制造技術有較強的靈活性,能夠以小批量甚至單件生産而不增加産品的成本。激光快速成形(RP-Rapid Prototyping)技術是一種用材料逐層堆積出制件的制造方法。或者更通俗的說其實就是電腦設計3D圖形,利用激光産生的高溫按照3D圖形燒結金屬粉末,産生金屬構件。采用該技術能在幾小時或幾十小時内直接從CAD三維實體模型制作出原型,與圖紙和計算機屏幕提供的信息相比,快速成形提供了一個信息更豐富、更直觀的實體。特别是在産品開發階段,利用快速成形技術全面考慮各種因素,力争使開發能夠一次獲得成功,從而縮短開發周期,提高産品質量,降低成本,避免開發的投資風險。目前激光3D打印成型技術處于成長階段,還未普及到工業應用中,在部份較為複雜零部件上已初見成效,真正批量化生産隻是時間問題,相信不久的将來就可以看到激光3D打印成型機的成熟工業化應用普及。

 

  激光成形主要有四種主要方法:

 

⑴  體光固化(SLA)。

 

  立體光固化造形是将計算機控制下的紫外線激光以預定零件各分層截面的輪廓為軌迹對液态樹脂逐點、逐層進行掃描,使被掃描的樹脂薄層産生光聚合反應而固化成形。紫外激光鐳雕機

 

  ⑵疊層法(LOM)。

 

  疊層法出現于1985年。首先在基闆上鋪一層箔材(如紙張),然後用一定功率的紅外激光在計算機的控制下按分層信息切出輪廓,同時将非零件部分按一定的網格形狀切成碎片以便去除,加工完一層後,再鋪上一層箔材,用熱輥碾壓,使新鋪上的一層在粘接劑的作用下粘在已成型體上,再切割該層的形狀,如此反複直至加工完畢。最後去除切碎的多餘部分,便可得到完整的零件。

 

⑵  光選區燒結法(SLS)。

 

激光選區燒結法屬于機械工程學科特種加工工藝的範疇,于20世紀80年代後期興起,源于美國,後經技術改革,延續傳播到日本、西歐和中國。激光選區燒結法是一項多學科交叉多技術集成的先進制造技術,也是制造業理論研究成果中具有代表性的成果之一。目前激光打标機,激光蝕刻機,激光切割機等等大都采用燒蝕的方法。

 

  ⑷融熔沉積法(FDM)。

 

  融熔沉積法是1988年發明的,利用噴頭中噴出的熔化材料在X-Y工作台的帶動下,按截面形狀鋪在底闆上,一層一層加工,最終制造出零件。商品化的FDM設備使用的材料範圍很廣,如鑄造石蠟、尼龍、熱塑性塑料、ABS等。此外為提高效率可以采用多個噴頭。

 

激光快速成形技術與鑄造車間現有的精密鑄造工藝相結合,使鑄造車間自己有能力快速生産各類大尺寸、結構複雜熔模精密鑄件所用蠟模,減少大量外協費用,同時對于單件、小批量熔模精密鑄件的生産可以不用模具,從而節省大量模具加工費用,大大縮短生産周期,為新産品研制和開發獲得了大量寶貴時間,降低了生産成本,而且也使鑄造車間精密鑄造水平有所提高,為确保後續型号産品中精密鑄件生産任務的順利完成打下良好的基礎。可以肯定未來激光快速成形技術将得到更加廣泛的應用。目前市場上已有不少激光3D成型設備,但隻是局限在部份非金屬材料上,如塑膠激光3D打印機。相對于其它材質利用激光3D成型設備還是有一段距離。

 

  激光熱處理

 

  激光熱處理(圖6)是一種表面熱處理技術。即利用激光加熱金屬材料表面實現表面熱處理。它可以對金屬實現相變硬化(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,産生用其大表面淬火達不到的表面成分、組織、性能的改變。經激光處理後,鑄鐵表面硬度可以達到HRC60以上,中碳及高碳的碳鋼,表面硬度可達HRC70以上,從而提高起抗磨性、抗疲勞、耐腐蝕,、抗氧化等性能,延長其使用壽命。在钣金行業中,AMADA數控轉塔沖床的轉塔就采用激光淬硬處理,處理後的轉塔耐磨性能特别好。

結束語

 

  由于激光加工技術有很多優勢,激光在工業制造中所顯示出的低成本、高效率以及應用的巨大潛力,成為世界主要工業國家之間互相競争的動力,紛紛将激光技術作為本國重要的尖端技術給予積極支持,加緊制定國家級激光産業發展計劃。目前德國,日本,美國等發達國家的激光技術處于領先水平。它們的技術在新的應用領域不斷拓展延伸,開發速度驚人。它們在主要的大型制造業,如汽車、電子、機械、航空、鋼鐵等行業中,基本完成了用激光加工工藝對傳統工藝的更新換代,進入“光制造”時代。國外激光産業發展的還有一個顯著特點是産業鍊專業化分工越來越明細,相關器件達到了同行業最高水平,打造了一個完善的激光産業鍊。

 

  我國激光技術研究在國家“六五”至“十一五”科技項目的支持下逐步形成了以華中科技大學和中科院四大光機為典型代表的研究機構,在激光器的一些核心技術研發上已形成較全面的技術成果,形成了5個國家級的激光技術研究中心。但是我國激光技術研究與國外先進技術還有一定差距。國内激光研究機構正在加強力度,通過跨國交流和自主創新相結合來縮短與國際先進技術的差距。總之,随着中國由制造業大國向制造業強國轉變,激光加工技術越來越受到制造業的重視,國内大型、重型企業也越來越關注激光加工設備的進展,中國激光加工行業的明天一定非常光明。

 

深圳市艾提歐激光有限公司總部技術骨幹均為華中科技大學教授,從事激光技術行業幾十年,我們不單單是激光設備制造商,更重要的事我們是激光解決方案整體提供商,科研機構。創新是企業的靈魂,也是我們一慣永無止境的追求。

 


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