激光加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

彭凱 彭玉海 侯紅玲

摘 要：激光加工技術(shù)的飛速發(fā)展，使得其在制造業(yè)中的作用越來(lái)越重。文章概述國(guó)內(nèi)外對(duì)于激光加工技術(shù)，尤其是激光切割技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。然激光加工技術(shù)的理論體系還不完善，提出試驗(yàn)與模擬手段相結(jié)合：用試驗(yàn)的方法來(lái)找尋加工過(guò)程的變化規(guī)律和主要影響因素，建立理論模型，再采用有限元的方法通過(guò)加載試件的邊界條件對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

關(guān)鍵字：激光加工; 模擬分析; 發(fā)展展望

激光加工技術(shù)與原子能、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)并稱為20世紀(jì)四項(xiàng)重大發(fā)明。自21世紀(jì)進(jìn)入光電子時(shí)代，作為高能光電子的激光加工技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活。這一技術(shù)在我國(guó)也得到了迅速的發(fā)展，并成為我國(guó)新興產(chǎn)業(yè)、改造傳統(tǒng)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

1 激光技術(shù)的應(yīng)用

激光具有高亮度、方向性強(qiáng)、單色性好及相干性強(qiáng)的特性，能適應(yīng)多種材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度要求和特種材料等方面起著無(wú)可替代的作用。激光也被譽(yù)為是“萬(wàn)能加工工具”、“未來(lái)柔性制造系統(tǒng)（FMS）的共同加工手段”，是當(dāng)代具有代表性的先進(jìn)制造技術(shù)之一。

1.1 激光焊接

激光焊接熱影響區(qū)小，熱變形可以忽略，焊接的材料不會(huì)被氧化，且受損率低，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊的材料，及熔點(diǎn)很高和易氧化的材料。例如：在汽車的生產(chǎn)過(guò)程中，需要將車身和拼版的坯板焊接在一起，利用單邊激光焊接僅需5mm的特點(diǎn)，將點(diǎn)焊改為激光焊接。據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用激光焊接，每輛車就可以節(jié)省近40kg的材料。

1.2 激光切割

激光切割是一種應(yīng)用最廣泛且較成熟的激光加工技術(shù)，在許多特殊材料中都得到廣泛應(yīng)用，如航天航空工業(yè)對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品的需求量的增加，使得用激光切割復(fù)合材料變得越來(lái)越重要，用機(jī)械切割2.45mm厚的環(huán)氧基復(fù)合材料，需要手工修整和熱封，加工一個(gè)零件需要12～14h，而采用數(shù)控激光切割僅需5min ， 效率提高150倍。

1.3 激光打標(biāo)打孔

在加工過(guò)程中，采用激光打標(biāo)，零件無(wú)接觸，間接的保證了零件的加工精度和表面光滑度，適合一些需要進(jìn)行表面特殊加工的零件。采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔，脈沖寬度約為0.1～1ms，適用于打微型孔和異形孔。激光打孔已廣泛用于表類的寶石軸承、化纖噴絲頭、金剛石拉絲模等工件的加工。如鐘表的寶石軸承孔直徑0.12～0.18mm，深0.6～1.2mm，采用激光打孔，每分鐘就可以加工幾十個(gè)工件，極大地提高了生產(chǎn)效率。

2 激光加工技術(shù)的發(fā)展

21世紀(jì)，隨著電子信息等高新技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需求的個(gè)性化與多樣化，未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)將會(huì)向精密化、柔性化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化、清潔化、集成化以及全球化的方向發(fā)展。

2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展

由于我國(guó)激光加工技術(shù)起步較晚，基礎(chǔ)較差，再加上受到我國(guó)設(shè)備的限制，無(wú)法與國(guó)外同行在一個(gè)層面上競(jìng)爭(zhēng)。但是，這些年來(lái)，通過(guò)校企合作，有效的推動(dòng)科研成果的發(fā)展，同時(shí)為國(guó)家培養(yǎng)了大批的激光技術(shù)人才，使我國(guó)的激光產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展擴(kuò)大。20世紀(jì)90年代初，我國(guó)在武漢建立了國(guó)家級(jí)激光加工工程研究中心，北京、上海等地方和部委聯(lián)合建立激光加工工程研究中心，另外，很多地方政府以及眾多科研機(jī)構(gòu)也建立了激光加工研究中心。

目前，我國(guó)的激光加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但是就總體而言還處于相對(duì)比較落后的水平。激光器質(zhì)量、激光加工工藝、導(dǎo)光系統(tǒng)和精密定位系統(tǒng)等方面的技術(shù)還不夠先進(jìn)，這些都是制約我國(guó)激光加工技術(shù)發(fā)展壯大的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.2 國(guó)外發(fā)展

世界各國(guó)都在大力發(fā)展光制造技術(shù)，如美、日、歐等一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家強(qiáng)調(diào)“應(yīng)該在這樣一個(gè)新的重要技術(shù)領(lǐng)域與其他國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)中走在前面”。激光在制造業(yè)中所表現(xiàn)的低成本、高效率和巨大的應(yīng)用潛力，已成為各國(guó)之間互相競(jìng)爭(zhēng)的動(dòng)力。

美國(guó)通過(guò)“精密激光機(jī)械加工（PLM）協(xié)會(huì)”來(lái)激勵(lì)新工藝技術(shù)的發(fā)展，力求使美國(guó)工業(yè)激光器技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先的地位;日本將激光切割和激光焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于電子、汽車等小件大批量生產(chǎn);英國(guó) Exitech 公司和德國(guó) Microlas公司先后推出了微結(jié)構(gòu)加工用準(zhǔn)分子激光微加工裝備。

2.3國(guó)內(nèi)外的最新研究

近年來(lái)，隨著激光加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于激光切割的研究工作也取得了巨大成果。

武偉超等，采用脈沖CO2激光器，對(duì)2mm厚2A 12 鋁合金進(jìn)行了切割試驗(yàn)，研究熱影響區(qū)的尺寸和顯微組織，熱影響尺寸僅為 0.1～0.2mm 左右，同時(shí)分析了熱影響區(qū)對(duì)試件單向拉伸性能和疲勞壽命的影響。

葛亞瓊等利用高功率脈沖固體Nd：YAG激光對(duì)4mm厚的5A06鋁合金板材進(jìn)行切割試驗(yàn)，分析了輔助氣體Ar、N2對(duì)激光切割質(zhì)量的影響：輔助氣體壓力對(duì)切縫寬度的影響不明顯。B.S.Yilbas等介紹了塊參數(shù)分析預(yù)測(cè)切口寬度尺寸方面的研究，他們根據(jù)切口寬度百分比的大小變化來(lái)制定不同的激光輸出功率水平。發(fā)現(xiàn)切口寬度尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)結(jié)果基本相符合，尤其當(dāng)激光輸出功率≤350W時(shí)其影響更明顯。

王永軍等為確定激光切割工藝對(duì)TC4鈦合金板材疲勞性能的影響，進(jìn)行激光切割試驗(yàn)，結(jié)果表明：激光切割TC4鈦合金的切縫表面存在大量熔融金屬凝固后形成的溝槽和微觀裂紋，激光切割產(chǎn)生的熱影響區(qū)構(gòu)成了疲勞源區(qū)，導(dǎo)致激光切割試件的疲勞壽命大幅下降。

3結(jié)束語(yǔ)

激光加工技術(shù)在不斷地發(fā)展，然而我國(guó)與國(guó)際水平的差距卻是有所增大，高端的激光加工設(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口。雖說(shuō)國(guó)內(nèi)外對(duì)激光加工技術(shù)的研究已經(jīng)取得了巨大成就，但是由于其過(guò)程的復(fù)雜性和多樣性，使得激光加工技術(shù)還沒(méi)有形成較為成熟的理論和體系。目前，激光加工的有限元模擬并未取得重大進(jìn)展，也沒(méi)有任何一個(gè)軟件將激光加工包容在內(nèi)。

激光加工技術(shù)理論的完善需要試驗(yàn)與模擬手段的結(jié)合：通過(guò)試驗(yàn)的方法來(lái)獲取數(shù)據(jù)，并從中找尋加工過(guò)程的變化規(guī)律和主要影響因素，再采用有限元的方法通過(guò)加載試件的邊界條件對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬分析。模擬與試驗(yàn)手段的結(jié)合發(fā)展，不但可以節(jié)省試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，還可以達(dá)到相互印證的目的。而在計(jì)算機(jī)上對(duì)激光加工過(guò)程的模擬受到邊界條件的設(shè)定、瞬時(shí)高溫的加載及實(shí)際加工的情況等因素的影響，讓模擬的過(guò)程變得復(fù)雜而艱難。在未來(lái)制造業(yè)中，激光加工技術(shù)是一種不可或缺的加工手段，因此我們的研究工作不能松懈。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫會(huì)來(lái)等.激光加工技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[A].第十屆全國(guó)機(jī)床學(xué)術(shù)會(huì)議[C].2002（12）：87.

項(xiàng)目基金：陜西省教育廳2014年科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“鋁合金激光切割性能研究（14JK1147）”