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摘要阐述了激光的概念,解释了激光加工的含义和基本原理,并介绍了常见的激光加工技术,描述了目前激光加工技术在制造加工业中的应用。
中图分类号:TN24文献标识码:A
“激光”一词译自英语“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”,直译就是“受激辐射放大的光”。 我国科学家钱学森教授最先提出“激光”这一名称,揭示了激光的本质:受激辐射放大。
激光加工就是把激光的方向性好和输出功率搞的特性应用到材料的加工领域中去。用聚焦的方法将激光束会聚,其功率密度可高达105kw/cm2,能量足以熔化和气化任何一种已知的高强度工程材料,可以进行非接触加工、微细加工。
1 激光加工的基本原理
激光加工大多数是基于光对非透明体材料的热作用过程,此过程大致可分为:
1.1 光的吸收及能量传输
光束辐射到被加工材料表面时,总是部分被吸收,部分被透射。对于不透明的固体材料,其透射率为零,因此材料的吸收率A:A=1-R(式中R为材料发射率)。所以在激光加工中,为有效利用光能,根据不同的加工材料选择合适的激光波长,另外,还要使被加工面做发黑处理,以增加材料对光能的吸收。
1.2 材料的无损加热和破坏
材料的加热是光能转换成热能的过程。对于金属物质,由于金属的浅肤效应,激光束在金属物质表面层厚度为0.01 ~0.1m的范围内被吸收,使自由电子的热运动能增加,在极短的時间内与晶格碰撞,将热运动能转化为晶格的热振动能,从而使得金属物质的温度上升,再进行热传导;非金属物质的导热性能一般比较差,在激光的照射下晶格直接吸收光能而使热振荡加剧,但光波较短时光能激励原子壳层上的电子,通过碰撞把这种激励传播到晶格上,使光能转化成热能。
激光束达到能够使被加工材料表面达到熔化或气化温度的功率密度时,材料表面气化蒸发或熔化溅出,材料产生破坏。但当激光功率密度太小时,能量分布扩散,加热体积增大,焦点处熔化的深度变小,所以材料被气化量取决于激光功率密度。当然,材料的热膨胀系数也是衡量激光对其加工可行性的重要因素之一。
2 常见的激光加工技术
目前已成熟的激光加工技术主要有:
(1)激光快速成型技术是将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据,计算机据此信息控制激光器有选择性地烧结一层接一层的粉末材料(或切割一层又一层的片状材料),形成具有微小厚度的的片状实体,再采用熔结、聚合、粘结等手段,逐层堆积成一体,制造出所设计的新产品样件、模型或模具。该技术已广泛应用在电子、机械、航空等领域。
(2)激光打孔和切割技术都是基于聚焦后的激光具有极高的功率密度而使工件材料瞬时气化蚀除。该技术大大提高了加工效率,减小热影响层,目前广泛应用于微型小孔譬如火箭发动机和柴油发动机的燃料喷嘴加工;精密零件窄缝的切割与划线等。
(3)激光焊接技术就是将工件的加工区“烧熔”使其黏合。红宝石激光器适合于点焊,YAG激光器适合缝焊。激光焊接过程极短,而且没有焊渣,有利于微型精密仪表的焊接。
(4)激光打标技术是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料发生化学反应,引起表层材料气化或色变,留下无法褪除的标志,对于产品可以起到防伪的特殊作用。
(5)激光去重平衡技术是用激光割除高速旋转工件上不平衡的过重部分,消除旋转工件上不平衡的离心力,达到动平衡,同时可以进行旋转不平衡的测量和校正。该技术广泛应用于发动机曲轴和高精度转子制造方面。
(6)激光蚀刻技术主要是采用激光将字体或简单图案的边缘勾画在材料表面上,刻写的图案有点状或线条状。计算机键盘上的字母就是采用了激光蚀刻技术,基本永不磨损。
3 激光加工在制造加工业中应用的领域
3.1 机械制造领域
激光加工技术一直是国家重点支持的高新技术,在制定中长远期发展规划时,又将激光加工列为关键支撑技术,因为它涉及到国防建设、高新技术产业化和科技前沿发展等等。
近年,光纤激光器和全固态激光器正批量进入打标生产企业,使得零件在固定位置和流水线上都能打标;20世纪80年代中期,激光焊接技术开始被应用到汽车领域。自1993年大众汽车首次在车顶盖焊接中采用YAG激光焊接,如今激光焊接已经作为一种成熟、应用广泛的技术被越来越多的汽车生产厂家所采用。在国内,激光加工技术在汽车机械制造业中也初步得到了应用,我国长春第一汽车制造厂激光切割16种红旗轿车的覆盖件,并拥有8条CA141解放牌汽车发动机缸体激光热处理生产线。
3.2 纺织加工领域
激光加工在纺织服装行业也被广泛应用,主要体现在对各种布料的裁剪雕花工艺中,尤其是在裁剪过程中,由于具有切割精确、切口平滑、易操作、自动化程度高、效率高、材料省、成本低等优势,深得用户推崇。特别是中高端激光裁剪设备及解决方案的应用,不断促使行业水平和工艺进步。
现在很多大型服装企业都使用激光绣花、激光喷花以及激光标花,在服装服饰、皮衣皮鞋、服装配件上进行切割、雕刻精美图案。不仅能够充分表现各种面料的本色质感、立体感强等优势,还能满足顾客对各种皮革制品、服饰配件等款式多样性的需求。
3.3 塑料加工领域
随着科技技术的不断发展,塑料制品广泛应用于汽车、电子、医疗器械以及航空这样的高科技领域,目前塑料的材料质量和加工技术是首要解决的两大问题。
譬如当被粘接的塑料工件是精密度非常高的材料(如半导体)或要求密封无菌的环境(如医疗器械和食品包装)时,就可以使用激光焊接技术。另外对于那些很难使用其它焊接方法粘接的复杂几何体或微小的制品如医疗导尿管,唯有考虑使用激光焊技术。
3.4 农业加工领域
(1)育种。我们选用适当波段的激光来照射种子或者其它植物器官,以诱发后代的突变,进而选择优良的变异个体,培育出优良的新品种。上世纪科学家们就发现,用红宝石激光器发出的激光来照射玉米、大豆等种子,能有效地提高发芽率。农作物种子经过激光照射后,能大大提高产量,如果在全球大范围使用这项技术,日益严重的缺粮问题粮食就能圆满解决。
(2)改良水果品种。甜柚果肉柔嫩,味甜水多,但缺点是果内籽多。现在可用激光改造柚子树性能,使得柚子里面含的籽大量减少,甚至部分实现无核化。而且还可以根据消费者的不同爱好,适当“调节”果肉的味道及其中的含糖量。不仅可以使果肉更甜,含可溶性固性物更高,还能提高其产量。
(3)除草。杂草是农业生产的大敌,平均每年由于杂草带来的粮食产量损失高达7.5%~25%。传统除草办法的主要是依靠农药除草剂,虽然能有效地杀死杂草,但生产出来的农药残留量太大。目前美国科学家已研制出对农作物和人畜没有危害的除草剂。其主要成分是5-氨基乙酰丙酸,其分子式为NH2CH2CO(CH2)2COOH。黄昏前喷射该除草剂,在激光照射的作用下,杂草吸收后便产生破坏杂草细胞膜的物质,有效地抑制杂草的再生长,甚至对杂草产生致命影响,而不带来任何污染。
(4)剪羊毛。我国也是羊毛主要生产国之一,特别是内蒙的养羊业比较发达,但大多养殖户剪羊毛都是用传统的剪刀,耗费较多的时间和人力,还会影响羊毛的质量。现在已成功研制激光“剪刀”,利用该“剪刀”的光束将羊毛齐根剪断,就像将整张羊毛剥下来,极大地提高了工效。
(5)激光养鱼。激光对渔业的另一种奇妙的应用是“围栏养鱼”。像“跑马圈地”一样,用适当的激光束照射,在海洋中圈出一块水域,鱼群便奇迹般聚集在与光源有一定距离的区域内,如同牲畜被围在栅栏中一般。若改变激光参数或照射方向,则可将有些鱼群驱赶进“栅栏”之中。日本在室内养鱼池试验的基础上,在一定范围的海面上进行了试验,并取得可喜的成果。
参考文献
[1]佐敦稳.现代加工技术.北京航空航天大学出版社,2009.8.
[2]蓝信钜.激光技术.科学出版社,2009.9.
[3]刘其斌.激光加工技术及其应用.冶金工业出版社,2007.8.
[4]张辽远.现代加工技术.机械工业出版社,2008.7.
[5]潘雷,陈树人等.CO2激光除草应用初步研究.农机化研究,2008(6).
[6]中国激光网.http://www.laser.hc360.com.
中图分类号:TN24文献标识码:A
“激光”一词译自英语“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”,直译就是“受激辐射放大的光”。 我国科学家钱学森教授最先提出“激光”这一名称,揭示了激光的本质:受激辐射放大。
激光加工就是把激光的方向性好和输出功率搞的特性应用到材料的加工领域中去。用聚焦的方法将激光束会聚,其功率密度可高达105kw/cm2,能量足以熔化和气化任何一种已知的高强度工程材料,可以进行非接触加工、微细加工。
1 激光加工的基本原理
激光加工大多数是基于光对非透明体材料的热作用过程,此过程大致可分为:
1.1 光的吸收及能量传输
光束辐射到被加工材料表面时,总是部分被吸收,部分被透射。对于不透明的固体材料,其透射率为零,因此材料的吸收率A:A=1-R(式中R为材料发射率)。所以在激光加工中,为有效利用光能,根据不同的加工材料选择合适的激光波长,另外,还要使被加工面做发黑处理,以增加材料对光能的吸收。
1.2 材料的无损加热和破坏
材料的加热是光能转换成热能的过程。对于金属物质,由于金属的浅肤效应,激光束在金属物质表面层厚度为0.01 ~0.1m的范围内被吸收,使自由电子的热运动能增加,在极短的時间内与晶格碰撞,将热运动能转化为晶格的热振动能,从而使得金属物质的温度上升,再进行热传导;非金属物质的导热性能一般比较差,在激光的照射下晶格直接吸收光能而使热振荡加剧,但光波较短时光能激励原子壳层上的电子,通过碰撞把这种激励传播到晶格上,使光能转化成热能。
激光束达到能够使被加工材料表面达到熔化或气化温度的功率密度时,材料表面气化蒸发或熔化溅出,材料产生破坏。但当激光功率密度太小时,能量分布扩散,加热体积增大,焦点处熔化的深度变小,所以材料被气化量取决于激光功率密度。当然,材料的热膨胀系数也是衡量激光对其加工可行性的重要因素之一。
2 常见的激光加工技术
目前已成熟的激光加工技术主要有:
(1)激光快速成型技术是将计算机内的三维数据模型进行分层切片得到各层截面的轮廓数据,计算机据此信息控制激光器有选择性地烧结一层接一层的粉末材料(或切割一层又一层的片状材料),形成具有微小厚度的的片状实体,再采用熔结、聚合、粘结等手段,逐层堆积成一体,制造出所设计的新产品样件、模型或模具。该技术已广泛应用在电子、机械、航空等领域。
(2)激光打孔和切割技术都是基于聚焦后的激光具有极高的功率密度而使工件材料瞬时气化蚀除。该技术大大提高了加工效率,减小热影响层,目前广泛应用于微型小孔譬如火箭发动机和柴油发动机的燃料喷嘴加工;精密零件窄缝的切割与划线等。
(3)激光焊接技术就是将工件的加工区“烧熔”使其黏合。红宝石激光器适合于点焊,YAG激光器适合缝焊。激光焊接过程极短,而且没有焊渣,有利于微型精密仪表的焊接。
(4)激光打标技术是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料发生化学反应,引起表层材料气化或色变,留下无法褪除的标志,对于产品可以起到防伪的特殊作用。
(5)激光去重平衡技术是用激光割除高速旋转工件上不平衡的过重部分,消除旋转工件上不平衡的离心力,达到动平衡,同时可以进行旋转不平衡的测量和校正。该技术广泛应用于发动机曲轴和高精度转子制造方面。
(6)激光蚀刻技术主要是采用激光将字体或简单图案的边缘勾画在材料表面上,刻写的图案有点状或线条状。计算机键盘上的字母就是采用了激光蚀刻技术,基本永不磨损。
3 激光加工在制造加工业中应用的领域
3.1 机械制造领域
激光加工技术一直是国家重点支持的高新技术,在制定中长远期发展规划时,又将激光加工列为关键支撑技术,因为它涉及到国防建设、高新技术产业化和科技前沿发展等等。
近年,光纤激光器和全固态激光器正批量进入打标生产企业,使得零件在固定位置和流水线上都能打标;20世纪80年代中期,激光焊接技术开始被应用到汽车领域。自1993年大众汽车首次在车顶盖焊接中采用YAG激光焊接,如今激光焊接已经作为一种成熟、应用广泛的技术被越来越多的汽车生产厂家所采用。在国内,激光加工技术在汽车机械制造业中也初步得到了应用,我国长春第一汽车制造厂激光切割16种红旗轿车的覆盖件,并拥有8条CA141解放牌汽车发动机缸体激光热处理生产线。
3.2 纺织加工领域
激光加工在纺织服装行业也被广泛应用,主要体现在对各种布料的裁剪雕花工艺中,尤其是在裁剪过程中,由于具有切割精确、切口平滑、易操作、自动化程度高、效率高、材料省、成本低等优势,深得用户推崇。特别是中高端激光裁剪设备及解决方案的应用,不断促使行业水平和工艺进步。
现在很多大型服装企业都使用激光绣花、激光喷花以及激光标花,在服装服饰、皮衣皮鞋、服装配件上进行切割、雕刻精美图案。不仅能够充分表现各种面料的本色质感、立体感强等优势,还能满足顾客对各种皮革制品、服饰配件等款式多样性的需求。
3.3 塑料加工领域
随着科技技术的不断发展,塑料制品广泛应用于汽车、电子、医疗器械以及航空这样的高科技领域,目前塑料的材料质量和加工技术是首要解决的两大问题。
譬如当被粘接的塑料工件是精密度非常高的材料(如半导体)或要求密封无菌的环境(如医疗器械和食品包装)时,就可以使用激光焊接技术。另外对于那些很难使用其它焊接方法粘接的复杂几何体或微小的制品如医疗导尿管,唯有考虑使用激光焊技术。
3.4 农业加工领域
(1)育种。我们选用适当波段的激光来照射种子或者其它植物器官,以诱发后代的突变,进而选择优良的变异个体,培育出优良的新品种。上世纪科学家们就发现,用红宝石激光器发出的激光来照射玉米、大豆等种子,能有效地提高发芽率。农作物种子经过激光照射后,能大大提高产量,如果在全球大范围使用这项技术,日益严重的缺粮问题粮食就能圆满解决。
(2)改良水果品种。甜柚果肉柔嫩,味甜水多,但缺点是果内籽多。现在可用激光改造柚子树性能,使得柚子里面含的籽大量减少,甚至部分实现无核化。而且还可以根据消费者的不同爱好,适当“调节”果肉的味道及其中的含糖量。不仅可以使果肉更甜,含可溶性固性物更高,还能提高其产量。
(3)除草。杂草是农业生产的大敌,平均每年由于杂草带来的粮食产量损失高达7.5%~25%。传统除草办法的主要是依靠农药除草剂,虽然能有效地杀死杂草,但生产出来的农药残留量太大。目前美国科学家已研制出对农作物和人畜没有危害的除草剂。其主要成分是5-氨基乙酰丙酸,其分子式为NH2CH2CO(CH2)2COOH。黄昏前喷射该除草剂,在激光照射的作用下,杂草吸收后便产生破坏杂草细胞膜的物质,有效地抑制杂草的再生长,甚至对杂草产生致命影响,而不带来任何污染。
(4)剪羊毛。我国也是羊毛主要生产国之一,特别是内蒙的养羊业比较发达,但大多养殖户剪羊毛都是用传统的剪刀,耗费较多的时间和人力,还会影响羊毛的质量。现在已成功研制激光“剪刀”,利用该“剪刀”的光束将羊毛齐根剪断,就像将整张羊毛剥下来,极大地提高了工效。
(5)激光养鱼。激光对渔业的另一种奇妙的应用是“围栏养鱼”。像“跑马圈地”一样,用适当的激光束照射,在海洋中圈出一块水域,鱼群便奇迹般聚集在与光源有一定距离的区域内,如同牲畜被围在栅栏中一般。若改变激光参数或照射方向,则可将有些鱼群驱赶进“栅栏”之中。日本在室内养鱼池试验的基础上,在一定范围的海面上进行了试验,并取得可喜的成果。
参考文献
[1]佐敦稳.现代加工技术.北京航空航天大学出版社,2009.8.
[2]蓝信钜.激光技术.科学出版社,2009.9.
[3]刘其斌.激光加工技术及其应用.冶金工业出版社,2007.8.
[4]张辽远.现代加工技术.机械工业出版社,2008.7.
[5]潘雷,陈树人等.CO2激光除草应用初步研究.农机化研究,2008(6).
[6]中国激光网.http://www.laser.hc360.com.