激光加工的原理和特点(激光加工的原理、应用现状与展望)

激光是最重要的发明之一，具有巨大的技术潜力。它具有强度高、方向性好、单色性好的特点，特别适合材料加工。激光加工是激光应用中最有前途的领域，国外已经发展了20多种激光加工技术。激光加工技术取得了很大进展，从早期主要用于小孔和微焊接的低功率发展到高功率二氧化碳激光器和高重复频率钇铝石榴石激光器。该激光器具有良好的空间控制和时间控制，可以自由控制对，对图像的材质、形状、大小和加工环境，特别适合自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术的结合，可以形成高效的自动化加工设备，成为企业实施适时生产的关键技术，为高质量、高效率、低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

1激光加工的原理

1.1激光器的特性

激光是一种光，它具有一般光的共性(折射、反射、干涉等)。)。由于激光发射主要是受激辐射，光发射基本上是在有组织的、相互关联的发光材料中产生的，发射的光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的相位相关性，因此激光具有强度高、单向性好、相干性好和方向性好的特点[1]。

1.2激光加工的原理

由于激光的发散角小，单色性好，理论上可以聚焦在大小与光波长相近的小光斑上，且强度高，因此加工功率密度可达108 ~ 1010瓦/平方厘米，温度可达10000摄氏度以上。在如此高的温度下，任何材料都会瞬间熔化和蒸发，并在高速下爆炸喷射，同时会产生强烈的定向冲击。因此，激光加工是一个综合过程，工件在高温下熔化，在光热作用下被冲击波甩出。

1.3激光加工设备及加工流程

激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统和机械系统。目前，常用的激光器根据活性介质的类型可分为固态激光器和气体激光器，如如图1和图2所示。

激光加工过程大致可分为以下几个阶段：

1)用激光束照射工件(在照射期间，由于热传导，光的辐射能被部分反射、部分吸收和部分损失)；

2)工件材料吸收光能；

3)光能转化为热能，加热工件材料而不损伤(激光照射工件材料的深度很小，所以工件表面温度在焦点中心迅速上升)；

4)工件材料熔化、蒸发、汽化和飞溅，从而从工件上去除或破坏；

5)处理区域的动作结束和冷凝。

1.4激光加工的特点

1)激光加工的光斑尺寸可以聚焦到很小甚至微米级，输出功率可以调节，适合精密加工；

2)激光加工是非接触加工，没有机械力作用在工件上，不会损坏对工件，也不会发生刀具损耗；

3)激光加工速度快，热影响区，小，易于实现加工过程的自动化；

4)激光加工设备简单；

5)激光加工可以在透明介质对的密封容器中通过工件进行

激光加工的应用现状

由于激光加工具有其他加工技术无法比拟的优势，因此被广泛应用于材料加工和零件制造的许多行业，如激光快速成型技术、激光切割技术、激光打孔技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光熔覆技术、激光透镜制造技术、激光划线技术、激光热处理和表面处理技术等。

2.1激光快速成型技术

根据零件的计算机辅助设计模型，激光快速成型技术利用激光束将光聚合物材料一层一层地固化，准确地堆积成样品，无需模具和工具就能快速准确地制造出复杂形状的零件，如如图3所示。该技术已广泛应用于航空航天、电子、汽车等工业领域。美国，日本和德国先后开发了多种快速成型技术，如液态光敏树脂固化、熔融沉积成型、固体层压制造、分层固化、选择性激光烧结、3D喷射印刷等技术[2]。

2.2激光切割技术

激光切割技术使用高重复频率的脉冲激光或连续输出的激光，并将材料置于激光热源的照射下，这导致被照射材料的温度急剧上升，从而熔化和蒸发被切割的材料。通过工件和激光束之间的相位对运动，熔化或蒸发的材料被平行于光轴的强气流吹走，形成平滑的狭缝，如如图4所示。它可以切割金属和非金属。它可以切割无机物和有机物。

2.3激光钻孔技术

激光打孔技术的基本原理与激光切割技术相同，它使材料在激光热源的照射下产生一系列热物理现象。使用激光，几乎可以在任何材料上打小孔，如如图5所示。目前，激光打孔技术已应用于火箭发动机和柴油机燃料喷嘴的加工，钟表仪器宝石轴承的打孔等。在国外，激光精密钻孔已经达到了很高的水平。瑞士一家公司使用固态激光在飞机涡轮叶片上钻孔，可加工直径在20m至80m之间的微孔，直径与深度之比可达1: 80。激光束还可以在陶瓷等脆性材料上加工出各种微小的异形孔，如盲孔和方孔[3]。

2.4激光焊接技术

激光焊接是将聚焦的高强度激光直接辐射到材料表面，材料吸收的光能通过热传导扩散到内部，使工件达到一定的熔池深度实现焊接，如图如图6所示。激光焊接的主要优点是能焊接多种金属，焊接位置窄，深腔焊接不变形，熔池周围不凹陷，极硬钢板材料补焊，薄板材料不击穿，焊接工艺优良，焊缝整齐美观。国外使用固体YAG激光进行缝焊和点焊已经达到很高的水平。在激光焊接方面，世界领先的国家是德国，瑞士，美国和日本。目前，高强度铝合金的激光焊接已成功应用于空客飞机制造。(节选)