激光加工就是利用材料在激光照射下瞬時(shí)急劇熔化和氣化,并產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波,使熔化物質(zhì)爆炸式地噴濺和去除來(lái)實(shí)現(xiàn)加工的。

自1960年激光出現(xiàn)以來(lái),激光已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、信息及科學(xué)研究中,而激光加工技術(shù)則是激光應(yīng)用中的一個(gè)十分重要而又最具活力的方面。

1.激光加工的特點(diǎn)

由于激光具有單色性好、方向性好、相干性好和高亮度的特征,給激光加工帶來(lái)其他方法所不具備的特點(diǎn)。

(1)激光加工過(guò)程中,激光束能量密度高,加工速度快,并且是局部加工,對(duì)非激光照射部位沒(méi)有影響或影響極小,因此,其熱影響區(qū)小,工件變形小,后續(xù)加工量小。

(2)由于激光束易與導(dǎo)向,聚集和發(fā)散,可以任意改變光束的方向,所以極易與數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人進(jìn)行連接,構(gòu)成各種加工系統(tǒng),對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工。

(3)可以通過(guò)透明的介質(zhì)對(duì)密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。

(4)可以對(duì)多種金屬、非金屬進(jìn)行加工,特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的材料。

(5)屬于無(wú)接觸加工,因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。并且加工速度快、無(wú)噪聲、對(duì)工件不污染。

(6)激光加工不但生產(chǎn)效率高,加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠,而且無(wú)公害、綠色環(huán)保。

2.激光加工的應(yīng)用

(1)激光切割

激光切割以其切割范圍廣、切割速度快、切縫窄、切割質(zhì)量好、熱影響區(qū)小、加工柔性大等特點(diǎn)在現(xiàn)代工業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。

1)金屬材料的激光切割

激光可切割碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁及其合金、鈦及其合金等。

2)非金屬材料的激光切割

激光可切割木材、塑料、橡膠、紙、纖維與布料、陶瓷、石英、玻璃。

3)其他特種材料的激光切割

對(duì)于具有高硬度、高熔點(diǎn)的碳化鎢及碳化鈦等硬質(zhì)合金,采用激光切割,不但能提高生產(chǎn)率(相對(duì)電火花切割),而且還可以提高切邊的硬度。

(2)激光焊接

激光焊接是用激光束將被焊金屬加熱至熔化溫度以上熔合而成焊接接頭,從而達(dá)到連接的目的。

按激光束的輸出方式不同,可以把激光焊分為脈沖激光焊和連續(xù)激光焊。若根據(jù)激光焊時(shí)焊縫的形成點(diǎn),又可以把激光焊分為熱導(dǎo)焊和深熔焊。前者使用激光功率低,熔池形成時(shí)間長(zhǎng),且熔深淺,多用于小型零件的焊接;后者使用的激光功率密度高,激光輻射區(qū)金屬熔化速度快,在金屬熔化的同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的冷化,能獲得熔深較大的焊縫,焊縫的深寬比較大。

激光焊接有以下特點(diǎn)。

1)熱導(dǎo)焊的特點(diǎn):

①焊接速度快、深度大、變形小。

②能在室溫或特殊的條件下進(jìn)行焊接,焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。

③可焊接難熔材料,如鈦、石英等。并能對(duì)異種材料施焊,效果良好。

④可進(jìn)行微型焊接,并能應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn),大幅度提高生產(chǎn)率。同時(shí)熱影響區(qū)小,焊點(diǎn)無(wú)污染,焊接質(zhì)量高。

⑤可焊接難以接近的焊點(diǎn),施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接,具有很大的靈活性。

2)深熔焊的特點(diǎn)

①可以實(shí)施高的加工速度,并利用光的無(wú)慣性,在高速加工過(guò)程中可急停和重新開(kāi)始。由于能量高度集中,加工速度高,因此可獲得高深寬比的狹焊縫和窄的近熱影響區(qū),整個(gè)焊接接頭變形很小。

②焊接過(guò)程不需要電極和填充材料,焊接區(qū)幾乎不受污染;再加上激光深熔焊機(jī)制產(chǎn)生的純化作用,可形成較純、低雜質(zhì)焊縫。

③容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接,并可在高速下焊接復(fù)雜形狀的工件。

④可以焊接一般方法難以焊接的材料。甚至可以進(jìn)行金屬與非金屬,不同種類(lèi)的金屬之間的焊接。

⑤通過(guò)分光裝置可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)激光器供多個(gè)工作臺(tái)進(jìn)行不同的工作,一機(jī)多用。

⑥適用于在透明物體制成的密封容器里焊接劇毒材料。激光不受電磁場(chǎng)影響,不存在X射線防護(hù),不需要真空保護(hù)。

激光焊接目前也存在著價(jià)格昂貴;對(duì)焊接件加工組裝、定位要求很高;激光器的電光轉(zhuǎn)換及整體效率很低等缺點(diǎn)。

(3)激光淬火

激光淬火是以高能量密度(104～105W/cm2)的激光束快速掃描工件表面,使其表面極薄一層的小區(qū)域內(nèi)快速吸收能量而使溫度急劇上升(升溫速度可達(dá)到105～106℃/s),而此時(shí)工件其他部位仍處于冷態(tài)。由于熱傳導(dǎo)的作用,表面熱量迅速傳導(dǎo)工件其他部位,在瞬時(shí)(冷卻速度可達(dá)105℃/s)可進(jìn)行自冷淬火,從而完成工件表面的相變硬化。

1)激光淬火的特點(diǎn)

①激光束能量密度高,淬火過(guò)程工件表面急冷急熱,淬硬層馬氏體晶粒極細(xì)。硬度比常規(guī)淬火高15%～20%。

②工件變型極小,適合于精度零件的處理。淬火后可以不用矯直及精磨等工序。

③可以對(duì)內(nèi)孔、深孔、盲孔、凹孔等形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行硬化處理。還可以根據(jù)需要調(diào)整硬化層的深淺,一般可達(dá)0.1～1mm。

④激光淬火無(wú)污染、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn),經(jīng)濟(jì)效益顯著。

⑤激光淬火的不足:硬化深度有限,一般在1mm內(nèi);設(shè)備費(fèi)用高。

2)激光淬火的應(yīng)用

激光淬火技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),尤其在交通運(yùn)輸工具、紡織機(jī)械、重型機(jī)械、精密零件等行業(yè)廣泛應(yīng)用。在諸多的應(yīng)用中,尤以在汽車(chē)制造領(lǐng)域最為普遍,產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值也最大。

我國(guó)各地幾乎都有不同規(guī)模的激光加工中心,為各行業(yè)及其零件進(jìn)行激光熱處理。如:西安內(nèi)燃機(jī)配件廠,北京內(nèi)燃機(jī)集團(tuán),大連機(jī)車(chē)車(chē)輛廠,長(zhǎng)安一汽集團(tuán),青島中發(fā)激光技術(shù)有限公司等。

激光淬火技術(shù)正在我國(guó)迅猛的發(fā)展,前景非常廣闊。

(4)激光的其他加工技術(shù)

激光焊接及激光淬火是比較傳統(tǒng)的加工方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,激光加工技術(shù)正在或已經(jīng)在其他新的應(yīng)用方面得到了發(fā)展。

1)激光微細(xì)加工技術(shù)

隨著工業(yè)和技術(shù)的不斷發(fā)展,有些制品孔的直徑和溝槽尺寸越來(lái)越小,而這些尺寸的公差要求卻越來(lái)越嚴(yán)格,只有用激光方法才能滿足對(duì)零件提出的從1μm～1mm的所有要求。

激光微細(xì)加工技術(shù)主要分為:光刻法;刻蝕法;LIGA技術(shù)。

(2)激光熔覆與激光合金化

激光熔覆是材料表面改性技術(shù)的一種重要方法,它是利用高能激光束(104～106W/cm2)在金屬表面輻照,通過(guò)迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固,冷卻速度通常達(dá)到102～106℃/s,在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的材料,從而形成一種新的復(fù)合材料。

激光合金化,是金屬材料表面局部改性處理的一種新的方法。它是指在高能量激光束的照射下,使基體材料表面的一薄層與根據(jù)需要加入的合金元素同時(shí)快速熔化、混合,形成厚度為10～1000μm的表面熔化層,這種合金層具有高于基材的某些性能,所以能夠達(dá)到表面改性處理的目的。

隨著人們對(duì)激光合金化的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入,激光合金化技術(shù)的應(yīng)用也愈來(lái)愈廣泛。目前,大量應(yīng)用在提高鋼鐵的抗熱腐蝕性能、止裂性能和抗硫化氫腐蝕性能,它可以改善鑄鋼和鑄鐵的強(qiáng)韌性、耐腐性。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人們的不斷研究和探索,激光合金技術(shù)將向機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、建筑用鋼、特殊鋼方面延伸,從而,必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

目前激光材料成形和激光沖壓成形技術(shù)也廣泛的得到了應(yīng)用。