文献综述-激光加工

关于激光加工技术的文献综述*摘要：激光是20世纪的重大发明之一，因其具有单色性、相干性和平行性，特别适用于材料加工，激光加工是激光应用最有发展前途的领域。本文主要论述了激光加工技术的发展历史、应用原理、关键技术、发展趋势及前景。关键词：激光加工，历史，原理，技术，前景激光是最重大的发明之一，具有巨大的技术潜力。它具有强度高、方向性好、单色性好的特点，因此特别适合进行材料加工。[1]激光先进制造技术是最为广泛和活跃的激光应用领域之一,具有柔性、高效、高质量等综合优势,可应用于从计算机芯片到大型飞机、航空母舰等几乎所有的加工制造领域,在减量化、轻量化、再制造、节能、环保等方面发挥越来越重要作用。[2]1.发展历史1960年，梅曼(T·Maiman)发明了第一台红宝石激光器，标志着量子光学由理论发展到技术工程。1964年，帕特尔(C．Patel)发明了第一台CO2激光器；1965年，贝尔实验室发明了第一台YAG激光器。1968年后高功率CO2激光器发展迅速，1971年出现了第一台商用1kWCO2激光器。激光加工用于工业生产，首先要有可靠稳定的、光束能量可调的、光束模式合适的激光器。70年代初，YAG激光器开始作为微型件切割、焊接的重要光源，并逐步在生产中得到应用，如电子工业中的各种焊接、切割、退火及钟表行业中的打孔等。70年代后期，电子、钟表工业中出现了正规的激光加工工艺。尤其是集成电路的发展，迫切需要采用激光加工工艺提高其加工效率与质量，也助推了新的激光加工工艺的产生、发展和应用。80年代，激光器质量又有了提高，其输出功率大幅提高：CO2激光器由几千瓦发展到上万瓦，YAG激光器由几百瓦发展到数千瓦；这些激光器均实现了连续运行和脉冲运行的工作方式；激光的模式从多模输出发展到基模或接近基模输出；光束发散角也达到几个毫弧度。这样就更进一步推动了激光加工技术的普及与应用。近年来，光纤激光器在技术上取得了巨大的发展，与传统的固体激光器相比较，具有很大的输出功率，光束质量好，转换效率高，柔性传输良好，使得光纤激光器在激光材料加工中具有很大吸引力。飞秒激光器的发展则使超微细（亚微米至纳米级）加工得以实现，并且可在透明材料内部进行加工。激光加工是继机械加工、力加工、火焰加工和电加工之后一种崭新的加工技术，是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工的一门综合性技术。从最小结构的计算机芯片到超大型飞机和舰船，激光加工都将是不可或缺的重要手段，加工制造业是激光应用最基本、最深入的领域。[3]2.应用原理由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上，再加上其强度高，因此其加工的功率密度可达到108~1010W/cm2，温度可达1万摄氏度以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部分。目前常用的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器，如图1、图2所示。激光加工过程大体上可分为如下几个阶段：1）将激光束照射工件（在照射过程中，光的辐射能部分被反射，部分被吸收，部分因热传导而损失）；2）工件材料吸收光能；3）光能转变成热能使工件材料无损加热（激光射到工件材料的深度很小，所以在焦点的中央，工件的表面温度迅速升高）；4）工件材料发生熔化、蒸发、汽化并溅出，从而从工件上去除或破坏掉；5）作用结束以及加工区冷凝。[4]3．主要技术3.1激光切割技术一般激光切割时，切割头中安装可以将激光聚焦到一个很小光斑的透镜。激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射切割材料，在超过激光的阈值功率密度的前提下，激光束大部分能被材料吸收，由此引起激光照射点的温度急剧上升，达到一定温度后被切材料开始汽化或者燃烧。同时，由切割头喷出一股与光束同轴的气流，从切口底部吹出汽化或燃烧的材料，并形成孔洞继而穿透。随着激光束与被切材料的相对运动，最终形成切缝，从而使激光穿透变为激光切割。影响激光切割的因素有很多，主要包括3个方面:切割材料特性、激光光学特性、加工工艺参数。具体来说，有以下几个因素:激光功率、切割速度、辅助气体种类流量及压力、离焦量和入射角等等。[5]3.2激光焊接技术激光焊接技术是把激光束经过聚焦后形成高能量密度的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，将材料熔化后形成特定熔池，从而达到焊接的目的。目前，用于大功率激光焊接的激光器主要是CO2气体激光器和Nd:YAG固体激光器两种。CO2气体激光器输出的激光波长为10.6μm，它是以CO2混合气体作为激光活性介质，通过放电产生激励。Nd:YAG固体激光器输出的激光波长为1.06μm,它是以掺有钕(Nd)或钇(Yb)金属离子的YAG晶体作为激光活性介质，主要通过光泵浦来发射激光。同CO2激光器相比，Nd:YAG激光器主要优势是光束可以通过光纤进行传播，且其波长短，有利于材料表面的吸收，尤其对焊接铜合金和铝合金等材料更为优越。[6]3.3激光打标技术激光打标系统的工作原理是：通过打标软件或其他辅助软件在计算机中编辑好打标所需的图形、文字，并转换为打标软件所能识别的文件格式，再通过振镜系统伺服控制卡转换成扫描振镜所能识别的电信号。这些电信号按一定的频率分别传输到扫描振镜头和声光电源的输入端口。在一系列电信号的控制下，振镜在X,Y二维进行有序摆动，使激光输出点扫描出相应的图形和文字；与此同时声光电源在相应电信号的控制下使声光Q开关产生所需的频率调制信号，从而将连续激光调制成一定频率的激光脉冲，最后将激光输出点扫描出的图形和文字刻蚀在工件上。计算机对激光打标系统的控制是通过控制振镜系统来实现的。振镜系统是由伺服控制卡与摆动电机组成的高精度伺服控制系统，输入一个驱动信号，摆动电机就会按一定电压与角度的转换比例摆动一个角度。控制卡除输出两路振镜控制信号及一路激光控制脉冲信号外，还提供了脚踏开关接口。[7]3.4激光快速成形技术激光快速成形技术是20世纪末发展起来的一种材料制备新技术，以快速成形原理与激光熔覆制造思想为基础，通过结合计算机辅助设计、激光加工、凝固技术、数控技术、材料以及力学等学科先进技术，将激光快速成形技术获得的独特凝固组织通过逐层堆积并扩展到整个三维实体零件，从而使传统的材料成形多步制造工艺集成为一步制造，极大地提高了工件制造效率以及材料性能并节省了成本，被认为是制造领域的一次重大变革，代表先进制造技术和材料制备技术的最新发展方向，目前，已应用于金属、陶瓷、塑料以及各种复合材料的制备和零件修复中。激光快速成形技术具有以下突出特点：利用“离散+堆积”的増材成形思想，通过同步送丝或激光熔覆数字化成形一步实现工件的精确成形；属近净成形制造技术；适用的材料种类不受限制；制造工艺与所生产零件的尺寸、复杂程度无关，能够快速生产传统制造工艺难以制备的形状复杂的零件。[8]激光快速成形技术可用于陶瓷材料，氧化物陶瓷具有优异的室温和高温力学性能、良好的抗氧化、抗腐蚀以及耐磨性，然而，陶瓷具有较高的熔点和硬度以及较大的脆性，传统烧结制备工艺程序复杂且制备的材料致密度低、强度较低、色泽差，特别是难以制备形状复杂的零件，后续加工量大。因此，近年来世界各国开始尝试将金属材料的激光快速成形技术应用到氧化物陶瓷上来。SHISHKOVSKY等采用SLM技术合成出了Al2O3-ZrO2复合陶瓷，然而制备的工件内部含有大量的空隙和裂纹。最近Fraunhofer实验室对SLM技术进行了改进，通过增加YAG激光器预热陶瓷粉末，制备出无裂纹，密度接近100%的Al2O3-ZrO2复合陶瓷。HAGEDORN[9]等基于上述研究成果，采用SLM技术成功制作了3单位的全瓷固定支架，但表面质量较差。近年来，随着大功率半导体激光器的发展，采用半导体激光器作为激光光源的LENs系统逐渐出现，激光工作台从最初的三轴工作台发展到五轴工作台以及高性能多自由度机床乃至工业机器人，极大地提高了工件成形的精度和复杂性。德国通快公司开发了DMD505LENs设备，系统采用五轴数控。[10]4.激光器4.1半导体激光器半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长、功耗低、可靠性高等优点。与传统的固体及气体激光器相比有很大的优势，在国防、工业、科研领域都得到了广泛应用。随着输出功率的不断提高，半导体激光器的应用领域也随之不断扩大。特别是随着工业加工领域对大功率激光需求的不断增长，半导体激光器在激光市场中的份额进一步增加。近年来，随着电光转换效率的提高、输出光束质量的改善和输出功率的增加，大功率半导体激光器越来越多地被直接应用于材料加工领域，以达到提高稳定性、减少能源消耗和降低运行、维护成本的目的。半导体激光器的结构形式多种多样，有双异质结半导体激光器、条形半导体激光器、量子阱半导体激光器、分布反馈半导体激光器等。激光加工用半导体激光器的光束变换在工业用大功率直接半导体激光器的研制方面，德国的Laerline、Rofin、Trumpf等公司处于世界先进水平。Laerline的LDL80系列直接半导体激光器功率为1200W，焦距为100mm时光斑尺寸为0.4mm×0.4mm；功率为100mm，焦距为100mm,时光斑尺寸为0.4mm×0.1mm。Rofin公司DL-Q系列直接半导体激光器功率为1400W焦距在66mm时光斑尺寸为0.8mm×1.3mm。而且DL-Q系列的半导体激光器能够很好地适应激光焊接、熔覆、钎焊、表面处理等方面的应用，光束可以聚焦成矩形、方形甚至圆形；Trumpf公司的TruDiode系列半导体激光器2009年能够实现1~3kW的激光输出，2010年已经能够实现4kW的激光输出。[11]4.2CO2激光器高重复频率CO2激光器的主体包括：(一)主放电电极和预电离电极组成的气体放电系统，(二)由气体循环风机和热交换器等组成的气体循环冷却系统。这两个系统布放在激光器真空腔体内。激光器腔体采用不锈钢材料精密焊接而成，光学谐振腔等零件组合部位采用高真空硅橡胶圈密封连接。主放电电极采用改进后的张氏电极，为避免高重复频率条件下阴极表面溅射而引起的放电不稳定性，电极材料选用45碳钢，主放电电极间距10mm，电极宽度10mm，电极长度120mm。激光谐振腔采用典型的平凹腔结构，后腔镜为曲率半径4m的无氧铜基底的表面镀金全反镜，输出镜为部分透射的ZnSe平面镜。在密闭的高重复频率横向激励大气压CO2激光器腔体内，循环系统的通道是由风机、放电区、热交换器和导流装置构成的闭环结构。激光器电路由激光器电极、高压电源、脉冲形成单元、脉冲调制触发电路和脉冲触发信号等几个单元构成。高速涡轮增压风机启动后，激光器腔体内的气体经风道出口急速通过主电极。高压开启后，脉冲形成单元内的储能电容迅速充电至设定电压。触发信号经升压后，触发高压闸流开关管栅极,使之迅速导通。在闸流管导通瞬间，预电离组件中的电容感应出高压，在阴极与预电离之间形成电晕，主放电极之间的电子密度急剧增长，进而在主电极间形成气体辉光放电，构成均匀激励场。激光脉冲通过谐振腔的选择放大后振荡输出。[12]4.3光纤激光器光纤激光器可分为掺杂光纤激光器和受激散射光纤激光器两大类。受激散射光纤激光器的发光原理是非线性效应,主要是受激拉曼散射和受激布里渊散射,它们具有高饱和输出功率,没有菜浦源的限制,在光纤陀螺、光纤传感、波分复用及相干光通信系统中有着广泛的应用。掺杂激光器的增益介质主要是掺稀土光纤,激光产生原理是受激福射。如掺银(Tm3+)光纤激光器的发射波长为1.4^1111波段,也是重要的光纤通信光源。[13]其他的掺杂光纤激光器,如在2.1,波长工作的掺钬(Ho3+)光纤激光器,由于水分子在2.0,附近有很强的中红外吸收峰,对临近组织的热损伤小、止血性好,该波段对人眼也是安全的,在医疗和生物学研究上有广阔的应用前景。[14]5.特点激光加工的特点1）激光加工