航空航天难加工材料

激光加工

摘要：激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。

关键词：加工原理、发展前景、激光焊接、激光打孔、半导体激光器、激光技术。

激光加工概述及发展前景

回顾20世纪对人类社会产生重大影响的科技发明，激光器的诞生无疑是一个极为耀眼的亮点，激光以其无与伦比的技术优势正继微电子技术之后，推动人类科学技术进入新的发展阶段。发达国家为了在全球竞争环境中占据世界信息技术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划，如美国的“激光核聚变计划”，德国的“激光2001行动计划”，英国实施 “阿维尔计划”，日本启动“激光研究五年计划”等。这些项目的实施，有效推动了全球激光产业进入高速发展阶段。

激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。它主要是采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系统。 与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的4%左右。主要表现为：高档激光加工系统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工装备缺口较大；而这些领域我国的生产 加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。预测今后2-3年内，我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到70亿元产值。 国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更

1

是倍受关注，并已形成国际性竞争。

激光加工的原理及其特点

1.激光加工的原理

激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。 2.激光加工的特点

激光在加工领域存在的优势：①由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。

②它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。

③激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。

④激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。

激光技术

用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光加工有许多优点：

① 激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光加工； ② 激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题； ③ 工件不受应力，不易污染；

④ 可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；

⑤ 激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工；

2

⑥ 激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度； 激光加工的分类 1.激光焊接

激光焊接是一种材料连接，主要是金属材料之间连接的技术。 其优点： 1）用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。

2）在激光焊接过程中无机械接触,易保证焊接部位不因热压缩而发生变形 3）激光束易于控制的特点使得焊接工作能够更方便的实现自动化和智能化。 图1-1所示为一种显象管阴极芯的激光焊接设备原理。

图1-1阴极芯的激光焊接设备原理图 1:光束分束器；2:聚焦透镜；3：阴极芯

※ 激光热导焊的连接形式：片状工件的焊接形式有对焊、端焊、中心穿透熔化焊

※ 激光功率密度：激光功率密度低则熔深浅、焊接速度慢。见图1-2

3

图1-2 激光热导焊焊接不锈钢时功率与焊接速度、熔化深度的关系

2.激光深熔焊 1）激光深熔焊的原理

当激光功率密度达到106—107W／cm2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔（图2-1），孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。 2）激光深熔焊工艺参数

※ 临界功率密度：深熔焊时，功率密度必须大于某一数值，才能引起小孔效应。这一数值，称为临界功率密度

※ 激光深熔焊的熔深 ：激光深熔焊熔深与激光输出功率密度密切相关，也是功率和光斑直径的函数。 3）激光焊接过程中的几种效应

图2-1 深熔焊小孔示意图

4

3.激光打孔

3.1激光打孔原理 ：激光打孔机的基本结构包括激光器、加工头、冷却系统、数控装置和操作面盘（图3-1）。

图3-1激光打孔机的基本结构示意图

3.2激光打孔工艺参数的影响

※ 脉冲宽度对打孔的影响 ：脉冲宽度对打孔深度、孔径、孔形的影响较大。窄脉冲能够得到较深而且较大的孔；宽脉冲不仅使孔深度、孔径变小，而且使孔的表面粗糙度变大，尺寸精度下降。 ※ 激光打孔中离焦量对打孔的影响

当激光聚焦于材料上表面时，打出的孔比较深，锥度较小。在焦点处于表面下某一位置时相同条件下打出的孔最深；而过分的入焦和离焦都会使得激光功率密度大大降低，以至打成盲孔（图3-2）。

图3-2 离焦量对打孔质量的影响

4.激光切割

5