材料激光加工技術(shù)論文

1、 激光在材料加工領(lǐng)域中的 研究與應(yīng)用 材料激光加工技術(shù)論文 學(xué)院 ： 材料學(xué)院班級 ： 姓名 ： 學(xué)號 ： 摘要：激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）的原理進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一種加工新技術(shù)，涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科。由于激光加工熱影響區(qū)域小，光束方向性好，其幾乎可以加工任何材料。常用來進(jìn)行選擇性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特點(diǎn)，其發(fā)展前景廣闊。 關(guān)鍵詞：激光 材料加工 論文正文： 激光是本世紀(jì)的重大發(fā)明之一，具有巨大的技術(shù)潛力， 自1960年第一臺激光器問世以來，激光的研究及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。從原理

2、上說，激光能適應(yīng)任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特別場合和特種材料的加工制造方面起著無可替代的作用。激光因具有單色性、相干性和平行性三大特點(diǎn)，特別適用于材料加工。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，國外已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù)。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。其高相干性在高精密測量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲及通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光的高單色性，可在光化學(xué)領(lǐng)域?qū)σ恍┫嗑嗪芙哪芗壸鬟x擇激發(fā)，進(jìn)行重金屬的同位素分離；激光的高方向性和高亮度可廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以

3、及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來，激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工行業(yè)。 激光加工技術(shù)是一種高度柔性和智能化的先進(jìn)加工技術(shù), 它集成了數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果, 技術(shù)涉及范圍廣。激光加工技術(shù)是指各種以高能密度激光束為手段, 通過激光束與材料之間的物理和化學(xué)等作用, 實(shí)現(xiàn)改變物質(zhì)形態(tài)或性質(zhì)的先進(jìn)材料加工技術(shù)。激光加工涉及激光物理、材料、電子、機(jī)械和工程傳熱等多門學(xué)科, 綜合了激光、制造、控制和計算機(jī)應(yīng)用等多項技術(shù), 已成為多學(xué)科交叉和多技術(shù)綜合的一種典型的先進(jìn)制造技術(shù)。激光加工具有非接觸、無污染、熱影響區(qū)域小、加工精度高以及

4、可選區(qū)加工等特點(diǎn), 而且在特定的加工情況下是其他制造方法不可替代的。因此, 激光加工技術(shù)在許多行業(yè)中都得到了重要而廣泛的應(yīng)用。激光加工系統(tǒng)與計算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。 激光加工的原理是是將激光束照射到工件的表面，以激光的高能量來切除、熔化材料以及改變物體表面性能。由于激光加工是無接觸式加工，工具不會與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對象受熱影響的范圍較小而且不會產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。激光具有的寶貴特性決

5、定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢：由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工的目的。它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點(diǎn)的材料。 激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。使用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟(jì)

6、效益好。眾所周知鉆孔、切割、焊接以及淬火，是加工金屬材料時最常用的操作。自從引進(jìn)了激光后，在加工的強(qiáng)度、質(zhì)量以及范圍等方面開創(chuàng)了全新的局面。除了金屬材料外，激光還能加工許多非金屬材料。用激光束對材料進(jìn)行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。激光加工有許多優(yōu)點(diǎn)：激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化，即使熔點(diǎn)高、硬度大和質(zhì)脆的材料(如陶瓷、金剛石等)也可用激光加工；激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；工件不受應(yīng)力，不易污染；可以對運(yùn)動的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；激光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級,作用時間可以短到納秒和皮秒,同時,大功率激光器

7、的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級，因而激光既適于精密微細(xì)加工,又適于大型材料加工；激光束容易控制,易于與精密機(jī)械、精密測量技術(shù)和電子計算機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加工的高度自動化和達(dá)到很高的加工精度；在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工。目前已成熟的激光加工技術(shù)包括：激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光去重平衡技術(shù)、激光蝕刻技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù)?，F(xiàn)將其特點(diǎn)整理如下： 1、激光快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、cad/cam技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果，根據(jù)零件的cad模型，用激光束將光

8、敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復(fù)雜的零件，該技術(shù)已在航空航天、電子、汽車等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2、激光焊接強(qiáng)度高、熱變形小、密封性好，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊，以及熔點(diǎn)很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心臟起搏器，其密封性好、壽命長，而且體積小。激光熱處理 用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小,可處理形狀復(fù)雜的零件和部件,可對盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理

9、可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。3、激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米量到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。準(zhǔn)分子激光打標(biāo)是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，特別適用于金屬打標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)亞微米打標(biāo)，已廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。激光打孔 4、采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔,脈沖寬度為0.11毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.0051毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等工

10、件的加工。5、激光去重平衡技術(shù)是用激光去掉高速旋轉(zhuǎn)部件上不平衡的過重部分，使慣性軸與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達(dá)到動平衡的過程。激光去重平衡技術(shù)具有測量和去重兩大功能，可同時進(jìn)行不平衡的測量和校正，效率大大提高，在陀螺制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。對于高精度轉(zhuǎn)子，激光動平衡可成倍提高平衡精度，其質(zhì)量偏心值的平衡精度可達(dá)1%或千分之幾微米。 6、激光蝕刻技術(shù)比傳統(tǒng)的化學(xué)蝕刻技術(shù)工藝簡單、可大幅度降低生產(chǎn)成本，可加工0.1251微米寬的線，非常適合于超大規(guī)模集成電路的制造。 7、激光微調(diào)技術(shù)可對指定電阻進(jìn)行自動精密微調(diào)，精度可達(dá)0.01%0.002%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調(diào)包括薄膜電阻(0

11、.010.6微米厚)與厚膜電阻(2050微米厚)的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)。 8、激光存儲技術(shù)是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計算機(jī)信息的一種技術(shù)，是信息化時代的支撐技術(shù)之一。 9、激光劃線技術(shù)是生產(chǎn)集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，其劃線細(xì)、精度高(線寬為1525微米，槽深為5200微米)，加工速度快(可達(dá)200毫米/秒)，成品率可達(dá)99.5%以上。 10、激光清洗技術(shù)的采用可大大減少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。 11、激光熱、表處理技術(shù)包括：激光相變硬化技術(shù)、激光包覆技術(shù)、激光表面合金化技術(shù)、激光退火技術(shù)、激光沖擊硬化技術(shù)、激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)、激光上釉技術(shù)，這些技術(shù)對改變材

12、料的機(jī)械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。于航空、航天、兵器、核工業(yè)、 汽車制造業(yè)中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。 12、激光退火技術(shù)是半導(dǎo)體加工的一種新工藝,效果比常規(guī)熱退火好得多。激光退火后, 雜質(zhì)的替位率可達(dá)到98%99%, 可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/21/3, 還可大大提高集成電路的集成度, 使電路元件間的間隔縮小到0.5微米。 13、激光沖擊硬化技術(shù)能改善金屬材料的機(jī)械性能, 可阻止裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展, 提高鋼、鋁、鈦等合金的強(qiáng)度和硬度, 改善其抗疲勞性能。 14、激光強(qiáng)化電鍍技術(shù)可提高金屬的沉積速度, 速度比無激光照射快1000倍, 對微型開關(guān)、精密儀器零

13、件、微電子器件和大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)和修補(bǔ)具有重大義意。使用改技術(shù)可使電度層的牢固度提高昂1001000倍。 15、在造船、汽車制造等工業(yè)中,常使用百瓦至萬瓦級的連續(xù)co2激光器對大工件進(jìn)行切割,既能保證精確的空間曲線形狀,又有較高的加工效率。對小工件的切割常用中、小功率固體激光器或co2激光器。在微電子學(xué)中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區(qū)小。用激光可對流水線上的工件刻字或打標(biāo)記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。 16、激光上釉技術(shù)對于材料改性很有發(fā)展前途, 其成本低, 容易控制和復(fù)制, 有利于發(fā)展新材料。激光上釉結(jié)合火焰噴涂、等離子噴涂、離子沉積等技術(shù), 在控制組織

14、、提高表面耐磨、耐腐蝕性能方面有著廣闊的應(yīng)用前景。電子材料、電磁材料和其它電氣材料經(jīng)激光上釉后用于測量儀表極為理想。 17、強(qiáng)化處理。激光表面強(qiáng)化技術(shù)基于激光束的高能量密度加熱和工件快速自冷卻兩個過程，在金屬材料激光表面強(qiáng)化中，當(dāng)激光束能量密度處于低端時可用于金屬材料的表面相變強(qiáng)化，當(dāng)激光束能連密度處于高端時，工件表面光斑出相當(dāng)與一個移動的坩堝，可完成一系列的 冶金過程，包括表面重熔、表層增碳、表層合金化和表層熔覆。這些功能在實(shí)際應(yīng)用中引發(fā)的材料替代技術(shù)，將給制造業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。而在刀具材料改性中主要應(yīng)用的是熔化處理，熔化處理是金屬材料表面在激光束照射下成為溶化狀態(tài)，同時迅速凝固，產(chǎn)生新

15、的表面層。根據(jù)材料表面組織變化情況，可分為合金化、溶覆、重溶細(xì)化、上釉和表面復(fù)合化等。 18、激光熔凝是用適當(dāng)?shù)膮?shù)的激光輻照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，獲得較為細(xì)化均質(zhì)的組織和所需性質(zhì)的表面改性技術(shù)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)： 表面熔化時一般不添加任何金屬元素，熔凝層與材料基體形成冶金結(jié)合；在激光熔凝過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結(jié)晶獲得的雜志有較高的硬度、耐磨性和抗腐蝕性；其熔層薄、熱作用區(qū)小，對表面粗糙度和工件尺寸影響不大。有時可不再進(jìn)行后續(xù)磨光而直接使用；提高溶質(zhì)原子在基體中固溶度極限，晶粒及第二相質(zhì)點(diǎn)超細(xì)化，形成亞穩(wěn)相可獲得無擴(kuò)散的單一晶體結(jié)構(gòu)甚至非晶態(tài)，從而使生成的新型合金

16、獲得傳統(tǒng)方法得不到的優(yōu)良性能。 19、微細(xì)加工 選擇適當(dāng)波長的激光，通過各種優(yōu)化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統(tǒng)，獲得高質(zhì)量光束、高穩(wěn)定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性，進(jìn)行高密微痕的刻制、高密信息的直寫；也可利用其光阱的“力”效應(yīng)，進(jìn)行微小透明球狀物的夾持操作。 目前的研究進(jìn)展也已經(jīng)顯示，激光微技術(shù)是有發(fā)展?jié)摿Φ娜S微制造技術(shù)，將可能成為微系統(tǒng)制造的主流技術(shù)之一。德國國家教研部從2002年開始，出臺了為期五年的光學(xué)資助計劃，其中重要的一項內(nèi)容就是激光微制造技術(shù)的研究。該計劃僅2002年的資金投入就是0.478億歐元，后續(xù)幾年的投入按一定比例遞增。德國采取分解式的單元技術(shù)研究，

17、在光的微制造與微納技術(shù)的硬件方面，五年研究規(guī)劃的目標(biāo)定位在新的激光光源和超精細(xì)聚焦系統(tǒng)上，達(dá)到1500.1nm光譜范圍的超紫外輸出和能越過衍射極限、分辨率小于100nm的高重復(fù)性近場透鏡。 激光加工屬于較為前沿的技術(shù)，但經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。由于其激光加工可實(shí)現(xiàn)零誤差，在精密加工上有著無可替代的地位。在未來的某一天，激光加工定會融入到生活應(yīng)用的各方各面。 激光加工用于再制造業(yè)和應(yīng)用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點(diǎn)，并優(yōu)于其它加工技術(shù)。激光加工用于再制造業(yè)是由相變硬化發(fā)展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂層發(fā)展到復(fù)合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術(shù)成為再制造的一項重要手段。它主要是采用5kw10kwco2高功率激光器及其系統(tǒng)。 與國際上激光加工系統(tǒng)相比，我國的激光加工系統(tǒng)差距甚大，僅占全球銷售額的4%左右。主要表現(xiàn)為：高檔激光加工系統(tǒng)很少，甚至沒有；主力激光器不過關(guān)；微細(xì)激光加工裝備缺口較大；而這些領(lǐng)域我國的生產(chǎn) 加工企業(yè)正在積蓄力量穩(wěn)步進(jìn)入，國內(nèi)應(yīng)用市場有很大發(fā)展空間。預(yù)測不久，我國激光加工銷售額將會由2008年的35億