制造加工業(yè)中的激光技術

摘要闡述了激光的概念，解釋了激光加工的含義和基本原理，并介紹了常見的激光加工技術，描述了目前激光加工技術在制造加工業(yè)中的應用。

中圖分類號:TN24文獻標識碼:A

“激光”一詞譯自英語“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，直譯就是“受激輻射放大的光”。 我國科學家錢學森教授最先提出“激光”這一名稱，揭示了激光的本質:受激輻射放大。

激光加工就是把激光的方向性好和輸出功率搞的特性應用到材料的加工領域中去。用聚焦的方法將激光束會聚，其功率密度可高達105kw/cm2，能量足以熔化和氣化任何一種已知的高強度工程材料，可以進行非接觸加工、微細加工。

1 激光加工的基本原理

激光加工大多數(shù)是基于光對非透明體材料的熱作用過程，此過程大致可分為:

1.1 光的吸收及能量傳輸

光束輻射到被加工材料表面時，總是部分被吸收，部分被透射。對于不透明的固體材料，其透射率為零，因此材料的吸收率A:A=1-R(式中R為材料發(fā)射率)。所以在激光加工中，為有效利用光能，根據(jù)不同的加工材料選擇合適的激光波長，另外，還要使被加工面做發(fā)黑處理，以增加材料對光能的吸收。

1.2 材料的無損加熱和破壞

材料的加熱是光能轉換成熱能的過程。對于金屬物質，由于金屬的淺膚效應，激光束在金屬物質表面層厚度為0.01 ~0.1m的范圍內被吸收，使自由電子的熱運動能增加，在極短的時間內與晶格碰撞，將熱運動能轉化為晶格的熱振動能，從而使得金屬物質的溫度上升，再進行熱傳導;非金屬物質的導熱性能一般比較差，在激光的照射下晶格直接吸收光能而使熱振蕩加劇，但光波較短時光能激勵原子殼層上的電子，通過碰撞把這種激勵傳播到晶格上，使光能轉化成熱能。

激光束達到能夠使被加工材料表面達到熔化或氣化溫度的功率密度時，材料表面氣化蒸發(fā)或熔化濺出，材料產生破壞。但當激光功率密度太小時，能量分布擴散，加熱體積增大，焦點處熔化的深度變小，所以材料被氣化量取決于激光功率密度。當然，材料的熱膨脹系數(shù)也是衡量激光對其加工可行性的重要因素之一。

2 常見的激光加工技術

目前已成熟的激光加工技術主要有:

(1)激光快速成型技術是將計算機內的三維數(shù)據(jù)模型進行分層切片得到各層截面的輪廓數(shù)據(jù)，計算機據(jù)此信息控制激光器有選擇性地燒結一層接一層的粉末材料(或切割一層又一層的片狀材料)，形成具有微小厚度的的片狀實體，再采用熔結、聚合、粘結等手段，逐層堆積成一體，制造出所設計的新產品樣件、模型或模具。該技術已廣泛應用在電子、機械、航空等領域。

(2)激光打孔和切割技術都是基于聚焦后的激光具有極高的功率密度而使工件材料瞬時氣化蝕除。該技術大大提高了加工效率，減小熱影響層，目前廣泛應用于微型小孔譬如火箭發(fā)動機和柴油發(fā)動機的燃料噴嘴加工;精密零件窄縫的切割與劃線等。

(3)激光焊接技術就是將工件的加工區(qū)“燒熔”使其黏合。紅寶石激光器適合于點焊，YAG激光器適合縫焊。激光焊接過程極短，而且沒有焊渣，有利于微型精密儀表的焊接。

(4)激光打標技術是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料發(fā)生化學反應，引起表層材料氣化或色變，留下無法褪除的標志，對于產品可以起到防偽的特殊作用。

(5)激光去重平衡技術是用激光割除高速旋轉工件上不平衡的過重部分，消除旋轉工件上不平衡的離心力，達到動平衡，同時可以進行旋轉不平衡的測量和校正。該技術廣泛應用于發(fā)動機曲軸和高精度轉子制造方面。

(6)激光蝕刻技術主要是采用激光將字體或簡單圖案的邊緣勾畫在材料表面上，刻寫的圖案有點狀或線條狀。計算機鍵盤上的字母就是采用了激光蝕刻技術，基本永不磨損。

3 激光加工在制造加工業(yè)中應用的領域

3.1 機械制造領域

激光加工技術一直是國家重點支持的高新技術，在制定中長遠期發(fā)展規(guī)劃時，又將激光加工列為關鍵支撐技術，因為它涉及到國防建設、高新技術產業(yè)化和科技前沿發(fā)展等等。

近年，光纖激光器和全固態(tài)激光器正批量進入打標生產企業(yè)，使得零件在固定位置和流水線上都能打標;20世紀80年代中期，激光焊接技術開始被應用到汽車領域。自1993年大眾汽車首次在車頂蓋焊接中采用YAG激光焊接，如今激光焊接已經作為一種成熟、應用廣泛的技術被越來越多的汽車生產廠家所采用。在國內，激光加工技術在汽車機械制造業(yè)中也初步得到了應用，我國長春第一汽車制造廠激光切割16種紅旗轎車的覆蓋件，并擁有8條CA141解放牌汽車發(fā)動機缸體激光熱處理生產線。

3.2 紡織加工領域

激光加工在紡織服裝行業(yè)也被廣泛應用，主要體現(xiàn)在對各種布料的裁剪雕花工藝中，尤其是在裁剪過程中，由于具有切割精確、切口平滑、易操作、自動化程度高、效率高、材料省、成本低等優(yōu)勢，深得用戶推崇。特別是中高端激光裁剪設備及解決方案的應用，不斷促使行業(yè)水平和工藝進步。

現(xiàn)在很多大型服裝企業(yè)都使用激光繡花、激光噴花以及激光標花，在服裝服飾、皮衣皮鞋、服裝配件上進行切割、雕刻精美圖案。不僅能夠充分表現(xiàn)各種面料的本色質感、立體感強等優(yōu)勢，還能滿足顧客對各種皮革制品、服飾配件等款式多樣性的需求。

3.3 塑料加工領域

隨著科技技術的不斷發(fā)展，塑料制品廣泛應用于汽車、電子、醫(yī)療器械以及航空這樣的高科技領域，目前塑料的材料質量和加工技術是首要解決的兩大問題。

譬如當被粘接的塑料工件是精密度非常高的材料(如半導體)或要求密封無菌的環(huán)境(如醫(yī)療器械和食品包裝)時，就可以使用激光焊接技術。另外對于那些很難使用其它焊接方法粘接的復雜幾何體或微小的制品如醫(yī)療導尿管，唯有考慮使用激光焊技術。

3.4 農業(yè)加工領域

(1)育種。我們選用適當波段的激光來照射種子或者其它植物器官，以誘發(fā)后代的突變，進而選擇優(yōu)良的變異個體，培育出優(yōu)良的新品種。上世紀科學家們就發(fā)現(xiàn)，用紅寶石激光器發(fā)出的激光來照射玉米、大豆等種子，能有效地提高發(fā)芽率。農作物種子經過激光照射后，能大大提高產量，如果在全球大范圍使用這項技術，日益嚴重的缺糧問題糧食就能圓滿解決。

(2)改良水果品種。甜柚果肉柔嫩，味甜水多，但缺點是果內籽多。現(xiàn)在可用激光改造柚子樹性能，使得柚子里面含的籽大量減少，甚至部分實現(xiàn)無核化。而且還可以根據(jù)消費者的不同愛好，適當“調節(jié)”果肉的味道及其中的含糖量。不僅可以使果肉更甜，含可溶性固性物更高，還能提高其產量。

(3)除草。雜草是農業(yè)生產的大敵，平均每年由于雜草帶來的糧食產量損失高達7.5%~25%。傳統(tǒng)除草辦法的主要是依靠農藥除草劑，雖然能有效地殺死雜草，但生產出來的農藥殘留量太大。目前美國科學家已研制出對農作物和人畜沒有危害的除草劑。其主要成分是5-氨基乙酰丙酸，其分子式為NH2CH2CO(CH2)2COOH。黃昏前噴射該除草劑，在激光照射的作用下，雜草吸收后便產生破壞雜草細胞膜的物質，有效地抑制雜草的再生長，甚至對雜草產生致命影響，而不帶來任何污染。

(4)剪羊毛。我國也是羊毛主要生產國之一，特別是內蒙的養(yǎng)羊業(yè)比較發(fā)達，但大多養(yǎng)殖戶剪羊毛都是用傳統(tǒng)的剪刀，耗費較多的時間和人力，還會影響羊毛的質量。現(xiàn)在已成功研制激光“剪刀”，利用該“剪刀”的光束將羊毛齊根剪斷，就像將整張羊毛剝下來，極大地提高了工效。

(5)激光養(yǎng)魚。激光對漁業(yè)的另一種奇妙的應用是“圍欄養(yǎng)魚”。像“跑馬圈地”一樣，用適當?shù)募す馐丈洌诤Ｑ笾腥Τ鲆粔K水域，魚群便奇跡般聚集在與光源有一定距離的區(qū)域內，如同牲畜被圍在柵欄中一般。若改變激光參數(shù)或照射方向，則可將有些魚群驅趕進“柵欄”之中。日本在室內養(yǎng)魚池試驗的基礎上，在一定范圍的海面上進行了試驗，并取得可喜的成果。

參考文獻

[1]佐敦穩(wěn).現(xiàn)代加工技術.北京航空航天大學出版社，2009.8.

[2]藍信鉅.激光技術.科學出版社，2009.9.

[3]劉其斌.激光加工技術及其應用.冶金工業(yè)出版社，2007.8.

[4]張遼遠.現(xiàn)代加工技術.機械工業(yè)出版社，2008.7.

[5]潘雷，陳樹人等.CO2激光除草應用初步研究.農機化研究，2008(6).

[6]中國激光網.http://www.laser.hc360.com.