激光加工厂：一文了解激光加工技术的原理及应用

1 激光加工的原理

　　激光是一种强度高、方向性好、单色性好的相干光。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(微米甚至皿微米)小斑点上，加上它本身强度高.故可以使焦点处的功率密度达到105～1013 W/cm2.温度可达1万°C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 激光加工的特点

　　激光加工的特点主要有以下几个方面：一是几乎对所有的金属和非金属材料都可以进行激光加工；二是激光能聚焦成极小的光斑.可进行微细和精密加工.如微细宅缝和微孔的加工：三是可用反射镜将激光束送往远离激光器的隔离室或其他地点进行加工；四是加工时不需要刀具，属于非接触加工。无机械加工变形：五是无需加工工具和特殊环境，便于自动控制连续加工.加工效率高，加工变形和热变形小。

　　3 激光加工技术在农用汽车工业中的应用

　　3.1 激光切割

　　激光切割大多采用大功率的CO2激光器，对于精细的切割也可采用YAG激光器。激光可以切割金属，也可以切割非金属。在激光切割过程中。由于激光对被切割材料不产生机械冲击和压力，再加上激光切割切缝小，便于自动控制，故在实际中常用来加工玻璃、陶瓷及各种精密细小的零部件。激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割质量好、热影响区小、加工柔性性大等优点，在现代工业中得到广泛应用。在农用汽车下业中.车身覆盖件三维轮廓采用激光切割可以提高切割效率8～20倍，节省材料15％～30％，从而大幅度降低生产成本。且加工精度高，产品质量可靠。

　　3.2 激光焊接

　　当激光的功率密度为105～107 W／cm2，照射时间约为1／100 s左右时，可进行激光焊接。激光焊接一般无需焊料和焊剂，只需工件加工区域"热熔"在一起即可。激光焊接速度快，热影响区小，焊接质量高，即可焊接同种材料.也可焊接异种材料，还可透过玻璃进行焊接。

　　农业汽车工业中，激光技术主要用于车身拼焊、焊接和零件焊接。激光拼焊是在车身设计制造中，根据车身不同的设计和性能要求，选择不同规格的钢板.通过激光裁剪和拼装技术完成车身某～部位的制造.例如前挡风玻璃框架、车门内板、车身底板、中立柱等。激光拼焊具有减少零件和模具数量、减少点焊数目、优化材料用量、降低零件重量、降低成本和提高尺寸精度等好处.目前已被许多大的农业汽车制造商和配件供应商所采用。激光焊接主要用于车身框架结构的焊接.例如顶盖与侧盖车身的焊接，而传统焊剂方法的电阻点焊已逐渐被激光焊接所代替。采用激光焊接技术。工件连接之间的接合面宽度可以减少，既可降低板材使用量。又可提高车体刚度，零件焊接部位几乎没有变形。焊接速度快.而且不需要焊后热处理。目前，激光焊接零部件常见于变速器齿轮、气门挺杆、车门铰链等。

　　3.3 激光淬火

　　当激光功率密度约为103-105 W/cm2时。便可实现对铸铁、中碳铁甚至低碳钢等材料进行激光表面淬火。淬火层深度一般为0.7～1.1 mm，淬火层硬度比常规淬火约高20％。激光淬火变形小。能解决低碳钢的表面淬火强化问题。在激光淬火过程中，很大的过热度和过冷度会使淬硬层的晶粒极细、位错密度极高且在表层形成压应力.进而大大提高工件的耐磨性、抗疲劳、耐腐蚀、抗氧化等性能。延长工件的使用寿命。

　　激光淬火技术在农用汽车中的应用主要包括农用汽车发动机气缸套内壁、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座等。意大利菲亚特公司采用HPL一10型激光器处理发动机汽缸套内壁，降低了油耗，节省了成本；德国奥格斯堡一纽伦堡机械制造有限公司1984年就建立激光淬火生产线，对大型发动机缸套进行激光淬火，淬火带的布局有交叉网纹式、螺旋线式和正弦波式，大大提高缸套耐磨性：长春一汽对CAl41汽车发动机汽缸套进行激光淬火处理，大修里程提高到20x100000km：青岛中发激光技术有限公司采用激光网络工艺加工发动机缸孔、曲轴等零件表面，寿命提高3-5倍。

　　3.4 激光熔覆

　　激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种重要方法。它是利用高能激光束(104～106 W／cm2)在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固(冷却速度通常为102～106 oC／s)，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以弥补机体缺少的高性能。这种复合材料能充分发挥两种材料的优势。

　　弥补相互间的不足。激光熔覆技术在农用汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的表面熔覆。发动机排气门的密封锥形面熔覆stellite合金后。耐磨性能比基本材料提高5倍。

　　3.5 激光合金化

　　激光合金化(1aser Surface Alloying，LSA)是金属材料表面局部改性处理的一种新方法。是在高能量激光束的照射下.使基体材料表面的一薄层与根据需要加入的合金素同时快速熔化、混合，形成厚度为10～l 000μm的表面融化层，使材料表面在很短时间内形成具有要求深度和化学成分的表面合金化层。这种合金化层由于具有高于基材的某些性能.所以能达到表面改性处理的目的。在农用汽车工业方面，激光表面合金化工艺可以明显改善工件表面的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。延长在各种恶劣工作条件下工作的农用汽车零部件如轴承、轴承保持架、汽缸、衬套等的使用寿命。

　　3.6 激光无模成形

　　激光无模成形是利用激光束扫描金属薄板时.在作用区域内产生强烈温度梯度而诱发热应力，使板料实现塑性弯曲变形。德国将激光成形用于农用汽车制造业.进行了农用汽车覆盖件的柔性校正和其他异型件的成形，并对弯曲成形过程进行计算机闭环控制，弯曲角精度可达到±0.20。

　　3.7 激光打标

　　激光打标是指利用高能量激光束照射工件表面。光能瞬时变成热能.使工件表面迅速产生蒸发。从而在工件表面刻出所需要的文字和图形。以作为永久的防伪标志。

　　4 结语

　　我国农用汽车工业技术与国外相比还存在较大差距。大力开展激光加工基础理论与关键技术的研究.对于提升我国农用汽车工业制造水平和国际竞争力，发展民族工业具有重要的意义。

激光是应用于微加工领域的有效工具，激光可以会聚于微小的目标区域并实现“冷加工”的效果。在目标区域内激光和材料的相互作用将由多个参数加以控制，诸如波长、脉冲能量和脉冲宽度等，参数组合决定脉冲的峰值能量密度。不同的参数组合可以产生打标、切割、穿孔、退火、淬硬等操作所需的加工条件。

为提高脉冲激光器的输出功率，增加能量密度，控制热效应，行业研发了多种调制技术，主要包括调 Q 技术、锁模技术、可调谐技术、啁啾脉冲放大技术（又称 CPA 技术）及主振荡功率放大技术（又称 MOPA 技术）等，具体情况如下：
①调 Q 技术的工作原理是在工作物质的粒子数反转状态形成后并不使其产生激光振荡，待粒子数积累到足够高的程度后，突然瞬时打开开关，从而可在较短的时间内形成十分强的激光振荡和高功率、窄脉宽脉冲激光输出； 

②锁模技术是指共振腔内不同纵向模式间存在确定相位差，由此获得一系列在时间上等间隔的激光超短脉冲序列，配合特殊的快速光开关技术，可进一步从脉冲序列中选出单一的超短激光脉冲； 
③可调谐技术是指在一定范围内连续可控输出波长。目前，激光晶体（固体激光器的增益介质）已经达到了上百种，如蓝宝石、YAG 晶体等。固体激光器倍频技术最为成熟，光波段实现了紫外到红外的全覆盖，为激光波长可调谐奠定了坚实基础； 
④CPA 技术是指用展宽器将飞秒脉冲在时域上展宽，成为几百皮秒或纳秒量级的长脉冲，经多级放大充分提取增益介质中的储能后，再用具有相反色散的脉宽压缩器将长脉冲压缩至接近其初始的脉宽值； 
⑤MOPA 技术是将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光，通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大，从而实现对种子光源的高功率放大。激光器的MOPA 结构是解决超快激光兼具高峰值功率和高光束质量的最优方式。
用于微加工领域的激光器选择取决于诸多因素，其中包括材料属性、加工形状、所需精度等，为了满足微细加工日益严苛的精度要求，短波长、窄脉宽、高功率将成为应用于微加工领域激光技术的主要发展趋势。
激光加工特点及微加工应用
激光加工是激光技术的工业应用，将一定功率的激光聚焦于被加工物体上，使激光与物体相互作用，加热、熔化或气化被加工物质，达到加工目的。激光加工是一种典型的无接触式加工，与其他加工方式相比具有后续工艺少、可控性好、易于集成、加工效率高、材料损耗小、环境污染低、高柔性、高质量等显著优点。
近年来，激光加工不断替代传统加工方式，以激光器为基础的激光工业发展迅速，目前已被广泛应用于工业制造、通讯、信息处理、军事及教育科研等领域，形成了遍布全球的产业链条，产业分工的成熟度和深入程度不断提升。随着未来应用产品向超精超微方向发展，激光在微加工领域的应用将越来越广泛。

激光切割

工作原理：

利用经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、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而将工件割开。

应用领域及特点：

切割速度快，表面光滑美观，一次性加工，工件变形小，无工具磨损，清洁污染小，可加工金属、非金属及非金属复合材料、皮革、木材、纤维等适用于汽车车身厚薄板、汽车零件、理电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及冬种不允许焊接污染和变形的器件的精细加工。

激光焊接

工作原理：

利用高能量密度的激光束辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。

应用领域及特点：

焊接性变小，不受磁场影响，空间限制小，无电极污染，适用于自动高速焊接，可焊接不同属性的金属，可在封闭空间工作，适用于圆形锯片、压克力、弹簧垫片、电子机件用铜板、部分金属网板、铁板、钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm 以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的铁合金等。

激光打标

工作原理：

利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记。

应用领域及特点：

为非接触加工，可在任何异型表面标刻，工件不会变形和产生内应力，加工精度高，加工速度快，清洁环保，成本低廉，适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的标记。

激光雕刻

工作原理：

激光照射材料表面，材料吸收能量后瞬间熔化或者气化，形成刻线。

应用领域及特点：

自动跳号，热影响区域小，线条精细，耐清洗耐磨损，环保节能，节省材料，可用于木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂等材料的蚀刻。

激光表面处理

工作原理：

利用激光加热金属材料表面，实现表面热处理。

应用领域及特点：

加工速度快，部件变形小，精确加工，实现自动淬火的处理效果，适合于缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等汽车零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业等领域也有广泛应用。