近年來隨著超快光學、光纖激光器及大功率激光 器的迅速發展，激光技術在輸出功率、加工效率、精 度和質量等方面都得到了完善提升，進一步加深了激 光技術在材料加工、光電檢測、高速通信、生物醫療、 國防工業等眾多領域的發展，促進了相關產業的技術 革新和產業升級。激光技術本質上是融合光學、 機械學、電子學、計算機學等學科為一體的高新技術， 因其具備高單色性、相關性及平行性等獨特優勢，且 有著極好的空間和時間控制性能，其應用領域范圍不斷擴展。激光技術在材料加工領域的應用頗為廣泛，應用 的工業激光器主要有 CO2 激光器、Nd: YAG 激光器、 光纖激光器、碟片激光器和半導體激光器，目前交付 使用的高功率高光束質量光纖激光和碟片激光器最 大輸出功率高達 100 kW，軸快流 CO2 激光器最大功 率為 20 kW，研制的新一代二極管泵浦金固態激光 器，具有極高的能量轉換效率，且體積小，波長短， 使用更方便。 通常將應用到材料加工領域的激光技術稱為激 光加工技術，因激光可精確聚焦至微米級，能量密度 高（可達 105 ~1015 W/cm2 ），因此激光加工技術可對 新型材料、復合材料、金屬化合物以及非金屬材料等 進行高效、高質、高水平加工，且加工過程中對材料 的損傷程度低[11]。激光加工技術具有以下幾點優勢：① 工藝集成性強，材料加工步驟繁瑣，包括打磨、 切割、打孔、焊接等多道工序，普通技術加工耗時長， 且容易浪費資源，激光加工技術可實現在同一臺設備 完成多種加工工藝，從而大大提升工作效率，提升經 濟效益；② 材料適用范圍廣，激光加工技術可對不 同種類材料加工，既可對硬質合金材料、耐熱合金材 料等高強度、高硬度、高熔點的金屬材料加工，又可 加工高硬度、脆性大的非金屬材料，如寶石、陶瓷、 玻璃等，同時激光加工技術對工作環境要求比較低， 可以在大氣、真空甚至個別特殊極端工作環境下工 作；③ 加工精度及效率高，由于激光的能量密度高， 可瞬時完成加工任務，因此熱影響區小，同時加工方 式為非接觸式，工件變形小，能夠極大保證加工質量， 降低加工成本。 2.1 激光切割技術 激光切割是利用高能量密度的激光束加熱工件， 使工件材料在極短時間內達到熔點或沸點，通過輔助 氣體吹走切割縫內的熔渣，達到切割的目的。激光切 割通用性強，可以對新型材料、金屬材料、玻璃和半 導體等脆性材料進行精準切割，且加工后工件熱影響 和材料變形小，切割后的工件可直接使用無需二次加 工。相比與傳統切割技術，激光切割過程噪音較小， 且能節省 15%~30%的原材料。隨著激光技術的日臻 成熟，超快激光可實現微米級加工精度，表面粗糙度 可達到或優于 Ra0.4 μm。激光切割技術與機器人、計 算機軟硬件相結合，向智能制造發展，能實現多坐標 聯動，完成復雜工件的精準高效切割。目前國內外汽車制造企業大量引入激光切割技術，使汽車安全性 能得到進一步提升。圖 1 所示為激光切割在材料加 工領域的應用。目前，在切割金屬薄板方面，光纖激 光器的應用最為廣泛，其切割效率和切割質量均具有 顯著優勢。
在金屬材料激光切割方面以高速飛行器尾翼不同厚度的 Q235 鋼板為實驗對象，進行激 光切割工藝試驗，研究表明隨切割速度與輔助氣壓的增大，切縫表面質量整體呈先升高后降低的趨勢， 與鋼板厚度無明顯關系。對 0.8 mm 和 1.6 mm 的 TC4 鈦合金民用大飛機蒙皮板材進行激光切割工藝試驗表明，切割速度是影響切割質 量的主要因素，熱影響區深度受切割工藝的影響較 大，熱影響區深度越深，材料的拉伸性能越差，試 樣斷口形貌屬于塑性斷裂。針對 8 mm 厚 AA2219 鋁合金開展了光纖激光切割工藝實驗表明，激光功率和輔助氣壓是影響切縫質量的 最主要工藝參數，當激光功率增大至 5.4 kW、輔助氣壓取值范圍增大至 1100~1500 kPa 時，切縫掛渣 量最少。在非金屬材料激光切割方面，將 355 nm 的納秒激光器和 1064 nm 的皮秒激光器用于藍寶石 的切割實驗，結果表明用納秒激光器在紫外波段對藍寶石基片造成損傷的峰值功率密度閾值為 0.5× 109 W/cm2 ，加工效率低且存在明顯的熱效應，而脈寬為 15 ps 的皮秒激光對藍寶石基片造成損傷的峰值 功率密度閾值為 0.5×1012 W/cm2 ，加工幾乎不產生熱 效應，切割質量優。圖 2 為通過皮秒激光對 0.55 mm 的藍寶石進行高質量的分層掃描切割。用紅外皮秒激光加工 CFRP 炭纖維增強復合材料，將 材料的熱損傷降到了 5 μm，并發現 HAZ 會隨著激光 平均功率的增大，先減小再增大；
HAZ 隨脈沖重復頻率的增加而增大；HAZ 隨掃描速度的增大逐漸減 小，最后 HAZ 會逐漸趨于一個穩定值。針對低溫共燒陶瓷 Ferro A6M LTCC 基板進行激光切割工藝研究表明當激光參數設置為空占比為 30%，頻率為 10 kHz，速度為 4 mm/s 時，得到的切割效果較好。在切割工藝對切割質量的影響因素方面，通過國志激光 YMM-12000 光纖激光器對 20 mm 厚的 Q235b 鋼板進行切割工藝實驗，表明影響切割 質量的主要工藝參數為激光功率和輔助氣壓，當激光功率增大到 4 kW，輔助氣壓取值范圍增大到 1400~ 1500 kPa 時，切縫掛渣量最少。對 1.7 mm 厚飛機鈦合金蒙皮材料進行激光切割實驗，當激光功率為 1000 W，輔助氣壓為 1.2 MPa、切割速度為 3000 mm/min 時，切割面粗糙度最小，激光切割提高 了切面的硬度。以 Kapton 復合膠膜為實驗對象進行激光切割實驗，得到最優工藝參數為噴嘴走速為 80 mm/s，激光功率為 70%，激光頻率為 6500 kHz，伺服電機加速度為 450 mm/s2 ，工藝改進后激光切割 Kapton 復合膠膜孔切透率由原有的 9%提 升至 97.4%。
激光加工技術的應用展望
激光加工技術有著傳統加工技術無法比擬的應用優勢，同時其符合當前生態文明建設，實現綠色與可持續發展的要求，具有巨大的發展潛力和廣闊的市 場。隨著激光加工技術應用領域的不斷拓展，仍存在 一些關鍵問題亟待解決，如激光設備的成本普遍偏高， 專門針對激光增材制造的金屬粉末開發不足，表面改性的激光加工工藝研究有待進一步深入等，因此針對 上述問題開展技術研究，將促使激光加工技術更好應 用于材料加工領域，從而助力中國制造業快速發展。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
