作者：张臣　吴恒鑫

来源：《卷宗》2017年第21期

        摘 要：激光加工作为一种新技术，在机械制造中有着很重要的应用。本文简要阐述了激光加工的原理、特点，并介绍了它在现实中的应用情况，同时简要介绍了激光加工的最新研究进展。

        关键词：激光加工；制造；应用；进展

        随着航空航天、核电工业的迅猛发展，更多的高性能材料得到应用。虽然，高性能材料拥有良好的物理、力学性能，但是，却对机械加工工艺提出了更高的要求。于是，人们开始探索高性能材料的加工方法。激光作为一种具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点的光源，可以实现难加工材料的加工。

        1 激光加工的原理

        金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工，其前提是激光被加工材料所吸收并转化为热能。由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上，再加上其强度高，因此其加工的功率密度很大，温度可达1万摄氏度以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。

        2 激光加工的主要特点

        2.1 适用范围广

        激光加工是一种高能加工方法，几乎所有的材料都能适用。它既可在大气中加工，又可在真空中加工。尤其对于某些难加工材料，激光加工是唯一可行的方法。

        2.2 设备自动化程度高

        相比于传统的机械加工系统，激光加工更容易采用数字化信号进行控制。激光器经常与机器人相结合，其体积小、精度高、灵活方便，特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

        2.3 生产成本低

        激光加工属于非接触加工，加工过程中的损耗小、效率高。在大批量生产中，可以明显降低成本。

        2.4 无污染

        激光束不会发生像电子束那样的X射线，而且无加工污染。

        2.5 节能环保

        据相关研究，激光束的能量利用率为常规热加工工艺的10-1000倍，激光加工可节省材料15%-30%。

        3 激光加工的应用举例

        3.1 激光切割技术

        激光切割是一种应用最广泛、最成熟的激光加工技术，最初被用在硬木板上切割非穿透槽、嵌刀片，制造冲剪纸箱板的模具。随着激光器件和加工技术的进步，其应用逐步扩大到低碳钢、不锈钢等金属。现在，几乎所有材料都能使用激光加工。

        3.2 激光焊接技术

        激光焊接是一种材料连接的技术，它与传统的焊接技术一样，通过将材料连接区的部分金属融化而将两个零件或部件连接起来。激光能量高度集中，加热、冷却过程极其迅速，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，用激光能容易实施焊接。作为一种先进的焊接技术，激光焊接设备昂贵，一次性投资较大，但是，其工艺简便，焊点、焊缝整齐美观，易于与自动化设备配合，实现自动焊接，生产率高。

        3.3 激光弯曲成型技术

        激光弯曲成型是一种柔性成形新技术——利用不均匀加热引起的热应力代替外力，实现金属板料的成形。由于激光弯曲工艺不需要成形模具和成形外力，特别适合于单件、小批量硬脆材料的成形，对弹性元件的精确成形和控制具有明显的优势。而且，激光光源易控制，所以，激光弯曲可不受加工环境、工件几何形状的。通过优化工艺参数、精确控制加热区域的大小和位置，可以实现对弯曲成形的精确控制。

        3.4 激光打孔技术

        利用激光的功率密度高的特点，将其聚焦，使加工材料瞬间被加热熔化、汽化，熔化物质被蒸气的剩余压力排挤出来，形成孔洞。激光打孔适应性强，软、脆、硬材料均可适用，且由于其是非接触式加工，不存在刀具磨损问题，大批量加工时可降低成本。

        4 激光加工的最新研究进展

        4.1 激光微调

        在一些工业生产中，既要满足快速，又要达到精密生产。要实现这一目标，可行的方法是，先用高速大规模加工进行初加工，使其形成一定的精度，然后再用一个微调工序，使其满足精度要求。如今，激光微调技术广泛用于大规模集成电路的制造中，它是高速高精密生产的唯一方法。

        4.2 激光辅助化学气相沉积

        激光辅助化学气相沉积是在化学气相沉积过程中引入激光，来促进或控制化学气相沉积过程的一种薄膜沉积技术。若用普通的化学气相沉积法加工，可以看到明显的膜-基界面，镀层也存在鼓泡、剥落等问题。从相关研究可以看出，在不改变原有工艺、主要设备的情况下，利用激光的表面加热功能使薄膜与基底实现合金化可以消除膜-基界面，而且激光加热可以对薄膜进行重融实现致密化，能消除针孔、微孔。

        4.3 激光冲击强化处理

        激光冲击强化技术，也称激光喷丸技术，通过高功率密度、短脉冲的激光辐照金属材料表面，利用受激光激发的等离子体产生的强烈冲击波，在目标工件的表层形成残余压应力，以提高目标工件的疲劳强度。

        参考文献

        [1]姚蔡翔.激光加工的原理、应用现状与展望[J].山东工业技术，2013（15）：12-14

        [2]刘顺洪 等.激光制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社

        [3]张国顺.现代激光制造技术[M].北京：化学工业出版社

        [4]张永彬，宾韧，郎定木，蒲朕.铀上激光辅助化学气相沉积铝薄膜研究[J].真空科学与技术学报，2013（11）

        [5]姚振强，Yao Y Lawrence，王飞，.先进激光制造技术研究新进展[J].机械工程学报，2003（12）：57-60

        [6]邓树森.激光加工技术及其应用[J].物理，1995（2）：99-102

        作者简介

        张臣（1996-），郑州大学机械工程专业，2014级本科生。

        吴恒鑫（1995-），郑州大学机械工程专业，2014级本科生。下载本文