隨著加工技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，目前常規(guī)激光加工的技術(shù)，如鉆孔、切斷、表面改性等，都有不同程度的進(jìn)展。 gp@X(d  
(一)鉆孔 zY_?$9l0  
早期激光鉆孔采用定點(diǎn)沖擊法：即在一個(gè)位置上用脈沖激光束不停地加工，直至孔通。這種加工方法，使加工的孔深和孔徑均受到限制。 NL`}rj  
高重復(fù)頻率YAG激光器進(jìn)入實(shí)用階段后，出現(xiàn)了旋切鉆孔法(Trepanning)，即用專用光學(xué)旋轉(zhuǎn)頭或數(shù)控自動(dòng)生成圓軌跡進(jìn)行激光套料加工。這不僅消除了孔徑限制，且由于有輔助吹氣，加工區(qū)呈半敞開式，熔融物易排出，故孔表面質(zhì)量好。 $=&a0O#  
對(duì)于分布有大量相同規(guī)格小孔的零件，特別是回轉(zhuǎn)體，當(dāng)前又發(fā)展了飛行打孔法(Drilling on the fly)，即激光對(duì)一個(gè)孔位加工一個(gè)脈沖后，不管孔是否打通，工件都利用光脈沖間隙快速運(yùn)動(dòng)(移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng))到下一個(gè)孔位，如此進(jìn)行多次循環(huán)對(duì)同一位置多次沖擊，直至完成所有孔的加工。其優(yōu)點(diǎn)是激光脈沖間隙的時(shí)間被用作零件孔的位移，可大大提高加工速度。鉆孔速度目前為每秒數(shù)10孔，預(yù)計(jì)可達(dá)每秒500孔 (亞毫米孔徑)。技術(shù)的關(guān)鍵在于激光到達(dá)，工件必需運(yùn)動(dòng)到位，這對(duì)非均布孔來(lái)說(shuō)有很大難度。用CNC閉環(huán)控制系統(tǒng)控制，當(dāng)孔加工速率更高時(shí)，為保證圓的孔形，在激光作用時(shí)間內(nèi)，激光束必須與零件同步運(yùn)動(dòng)。激光飛行打孔在航空零件加工中已得到了應(yīng)用，環(huán)形燃燒室的冷卻孔加工是典型的應(yīng)用實(shí)例。此外，高速飛機(jī)的機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的前沿，氣流極易與翼表面分離，形成紊流增大而氣動(dòng)力損失，為此，設(shè)計(jì)了有吸氣功能的層流翼(短艙)套，其表面是由1mm厚的鈦合金板制成，上面分布了1200萬(wàn)至10億個(gè)錐孔，外表面孔徑0.06mm，內(nèi)表面孔徑為0.1mm，孔間距為0.3～1mm，層流翼套的小孔也是用飛行打孔法完成的。 Xm#rkF[,  
對(duì)于微米量級(jí)孔徑的篩孔，用準(zhǔn)分子激光或調(diào)Q的YAG激光快速掃描加工(每秒可加工數(shù)千孔)可得到滿意的結(jié)果。 !j8.JP}!)  
(二)切割 iN\m:m  
激光切割近期仍以CO 2 激光為主，隨著器件功率的加大，切割深度和速度都有大幅度提高。為提高加工質(zhì)量，采用高壓吹氣(壓力達(dá)1.6～2.0MPa)，用 3.4kW的功率的CO 2 激光可切割5～6mm厚度的鋁板，切口光滑，正、背面不留熔渣。值得提出的是采用兩束激光復(fù)合切割材料，能取得更低的能耗。圖1是兩種激光復(fù)合切割的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。試驗(yàn)表明，用CO(270W)激光與KrF (30W)激光復(fù)合切割，比單用一束CO(300W)激光切割碳鋼可提高速度30%，切割厚度可增加40%以上。 WTWONO>  
(三)焊接 i3 ?cL4  
激光焊接在儀器儀表業(yè)中早有應(yīng)用，近期研究方向主要集中在航空航天工業(yè)中的高溫合金、鈦合金和鋁、鎂等難焊接合金的加工;汽車工業(yè)中的大厚度、變厚度鋼材的深穿透焊接方面。 B<^yT@Wc  
大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的吊掛采用2.5kW CO 2 激光焊接技術(shù);發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)靜子是由激光切割葉型孔后再用激光將葉片和外環(huán)焊在一起構(gòu)成，用2kW連續(xù)輸出的YAG激光設(shè)備加工，焊接速度達(dá)7m/min。 8<0
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在汽車行業(yè)中，激光焊接所占比例已逐年上升，從車身面板同樣材料的焊接發(fā)展到不同厚度和不同表面涂層的金屬板件的焊接。法國(guó)SCIAKY公司建立了一個(gè) 6kW的 CO 2 激光加工站，用分光鏡將激光束分到12個(gè)工位同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)焊，5秒鐘可焊一件，不僅節(jié)省了6～12個(gè)電阻點(diǎn)焊機(jī)器人，而且因減少搭接寬度使汽車重量減輕 56kg。 \_GG6  
激光焊接技術(shù)研究的前沿，一是大功率或超大功率焊接時(shí)，對(duì)出現(xiàn)的等離子體的控制，采用側(cè)向吹氣壓縮法，將等離子云壓在熔池形成的縫中來(lái)改善等離子云的屏蔽行為。另一個(gè)動(dòng)向是采用模糊邏輯的方法，對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行智能控制，這對(duì)變厚度變參量的焊接過(guò)程具有重要意義。 #GoZH?MAF  
二、激光領(lǐng)域加工方法的新進(jìn)展 yE+Wb[H[  
(一)激光快速成型 NA@<v{z  
激光快速成型技術(shù)是激光技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一項(xiàng)高新制造技術(shù)，主要功能是將三維數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化成實(shí)體，具有很大效益。其基本原理是先在計(jì)算機(jī)中生成產(chǎn)品的CAD三維實(shí)體模型，再將它“切成”規(guī)定厚度的片層數(shù)據(jù)(變換成一系列二維圖形數(shù)據(jù))，用激光切割或燒結(jié)辦法將材料進(jìn)行選區(qū)逐層疊加，最終形成實(shí)體模型。成型原理如圖2所示。  S(*u_  
逐層疊加有以下幾種方法： K9z 1'k QH  
1.液相樹脂固化法(SL)。材質(zhì)是光敏樹脂，紫外波段激光作平面選區(qū)掃描照射，使樹脂按指定區(qū)域固化(懸空部分需設(shè)支撐)。機(jī)床作下沉運(yùn)動(dòng)，使已成型部分浸沒(méi)于液面之下。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是零件表面光滑，變形小;缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，樹脂價(jià)高且保存期短。 OO$YwOKS  
2. 選區(qū)燒結(jié)法(SLS)。材質(zhì)有石蠟、塑料、尼龍、陶瓷、包覆金屬和裸金屬等，均為粉末狀態(tài)。用50～100W的CO 2 激光器作燒結(jié)工具，激光束作二維選區(qū)掃描，使粉末“燒結(jié)”成型。機(jī)床須具備送粉、鋪粉、刮平及預(yù)熱等功能。這種方法價(jià)格便宜，精度較高(±0.1mm)，可直接代替木模制砂型。金屬零件的快速制造，金屬粉末燒結(jié)的關(guān)鍵是防氧化和熱傳導(dǎo)，一種方法是在金屬粉末外涂覆粘合劑，用激光選區(qū)照射，粘合劑熱溶粘接成型后，將零件由粉末中取出，再往縫隙中灌注金屬最后制成零件。另一種新研究的方法是用無(wú)涂覆的金屬粉末直接燒結(jié)制造零件，如用銅、鎳或鋁粉，顆粒度在 22.5～90μ m間用600W的YAG激光燒結(jié)。采用這種方法加工的零件材質(zhì)會(huì)出現(xiàn)空隙，為改善空隙，也有采用選區(qū)激光直接噴涂疊加成型，原材料為粉狀 Inconel625，用3kW射頻激勵(lì)的CO 2 激光作光源。 _-MILkx\  
3.疊層粘接法(LOM)。材質(zhì)是紙，經(jīng)背面涂粘接劑等處理。選用25～50W的 CO 2 激光平面切割機(jī)構(gòu)，機(jī)床完成紙帶的送進(jìn)鋪平及滾壓(粘接)等功能。成型零件尺寸較大，強(qiáng)度較高，但精度較低，腔形零件腔內(nèi)排廢紙難，零件抗潮性差。為此，采用后置表面涂覆環(huán)氧加鋁粉處理，可大大提高紙質(zhì)的耐溫、耐潮濕變形和強(qiáng)度等性能。 0Ncx':]5  
快速成型零件還有幾種不用激光作工具的方法，如三維打印(FDM)法，固基光敏液相掩模造模造型(SGC)法以及電弧或噴涂添加法等。 3:H[S_q  
上述諸多快速成型法為零件由設(shè)計(jì)到生產(chǎn)提供了經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、快速的工藝路線。 Ui:
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(二)激光成形與校形 VPC7Dh%.  
激光成型和校形是通過(guò)激光對(duì)材料局部加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力，使板材零件發(fā)生形變的加工方法。根據(jù)對(duì)局部的均勻和不均勻的加熱和冷卻方式，可加工不同形狀的零件(如圖3所示)。 7\;4 d4u  
該加工方法十分經(jīng)濟(jì)，通過(guò)選擇不同的激光參數(shù)，如波長(zhǎng)、作用時(shí)間、功率等可加工所有材料，適合于許多領(lǐng)域，特別是微電子工業(yè)。 VK)vb.:  
(三)微細(xì)加工 +)
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在電子、儀表、航空航天工業(yè)中，激光加工可以高效率高質(zhì)量地完成微細(xì)小孔、劃片微調(diào)、切割、焊接以及標(biāo)記等加工，其中尤以準(zhǔn)分子激光的應(yīng)用最為廣泛。由于材料對(duì)紫外波吸收率高，準(zhǔn)分子激光脈寬窄，因而有極高的功率密度。準(zhǔn)分子激光除作常規(guī)的鉆、切、劃加工外，還可用掩模法直接在工件上生成圖案。激光輻照的地方，材料被光化學(xué)的消融作用而除去，無(wú)論鉆孔、切割或刻劃，都是直壁尖角，沒(méi)有熱影響區(qū)。加工尺寸小，可達(dá)亞微米量級(jí)，精度取決于掩模，效率取決于激光的功率。掩模法又有工件表面直接掩模和掩模投影兩種，如圖4所示。近期在微細(xì)加工領(lǐng)域開發(fā)激光清洗和激光作為夾持工具(鑷子)的研究。激光清洗是指去除超凈超光滑表面污染微粒，其原理是激光能量被微粒或表面或人為的清洗介質(zhì)(如水)吸收后產(chǎn)生爆炸性汽化時(shí)，把微粒從表面上除去。該法可有效地用于半導(dǎo)體器件、激光陀螺的研制中。激光鑷子主要用于有機(jī)材料的 微粒搬運(yùn)和固定，其原理是微米量級(jí)的有機(jī)微粒在激光的束腰處，要受一對(duì)極子力(當(dāng)微粒?1μ m時(shí))或折射力(當(dāng)微粒＞1μ m時(shí))的作用，這些力都是把微粒拉向激光的束腰(光最強(qiáng)處)中心處，因此，可借移動(dòng)或固定激光束來(lái)夾持微粒。 X%>nvp  
(四)納米材料的制備 E}qW'  
納米材料被稱為21世紀(jì)新材料的基礎(chǔ)，所謂納米材料是指材料的顆粒直徑在1～100nm之間的材料。當(dāng)材料顆粒達(dá)到這個(gè)量值時(shí)，由于表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)，導(dǎo)致材料特性發(fā)生變化，如反射率和熔點(diǎn)下降，硬度增高等。應(yīng)用激光技術(shù)可制備納米材料。準(zhǔn)分子激光對(duì)材料有很強(qiáng)的消融作用，如鋁材在強(qiáng)激光照射下，表面出現(xiàn)等離子體云，注入氧氣或氮?dú)猓�便可生成Al 203或AlN的微粒，直徑在3～7nm范圍，每小時(shí)可產(chǎn)生十余毫克。 GvB;o^Wd  
(五)激光復(fù)合加工 x`3F?[#l  
不同的激光復(fù)合或激光和其它能源共同對(duì)材料的復(fù)合加工，目前大多用于材料表面改性處理。日本新制鐵公司用CO[_2]激光束和離子束，利用物理氣相沉積技術(shù) (LPVD)制備超硬薄膜。圖5是該裝置的示意圖。用LPVD先制得非晶態(tài)氮化硼，再用0.5～2.0kV輻照氮離子，則可生成超硬的立方氮化硼薄膜。兩種激光復(fù)合加工也可取得特殊效果，如CO+KrF激光切割。可提高工效30%以上，用CO 2 激光切割木制商標(biāo)模或雕刻木質(zhì)、塑料等非金屬裝飾品，切口變黑。據(jù)日本刊物報(bào)道稱，用準(zhǔn)分子激光后續(xù)處理，還會(huì)恢復(fù)材料本色。同樣，如用準(zhǔn)分子激光或其他調(diào)整Q激光作精修工具，可大大提高激光加工的價(jià)值，因此激光復(fù)合加工是很有發(fā)展前途的加工方法。 )s-[d_g  
三、新型工業(yè)激光器 ;*J_V/&?  
工業(yè)激光器主要是指用于加工的激光器，它的發(fā)展是激光加工技術(shù)發(fā)展的前提條件。90年代前，CO 2 激光器和YAG激光器占工業(yè)激光器的96%以上，進(jìn)入90年代，這兩類激光器的發(fā)展主要表現(xiàn)在功率和光束質(zhì)量的提高兩個(gè)方面。CO 2 激光器的功率整整提高了一個(gè)量級(jí)，但是，真正用于生產(chǎn)加工的CO 2 激光器功率，切割一般不超過(guò)3kW，焊接在10kW左右。為提高光束質(zhì)量，快速軸流CO 2 (準(zhǔn)基模輸出)激光器發(fā)展很快，主要用于切割和深穿透焊。對(duì)于YAG激光器，商品器件的功率由500W提高到1000W。采用激光諧振腔內(nèi)加壓縮發(fā)散角裝置，使激光光束發(fā)散角減至5 mrad以下，提高了聚焦功率密度，強(qiáng)化了加工能力。 u)X]]6
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近幾年下述幾種激光器輸出功率和工作穩(wěn)定性方面均有突破性進(jìn)展，使激光加工技術(shù)躍上一個(gè)新的臺(tái)階。 NUN~T (  
(一)YAG激光器 z*oeho  
1.板條(Slab)Nd:YAG激光器 6y0CEly>3#  
該激光器從結(jié)構(gòu)上克服了激光棒的熱變形(熱透鏡效應(yīng))，故有功率大(達(dá)2kW以上)、光束發(fā)散角小(接近衍射極限)的高質(zhì)量激光輸出，提高了加工能力，可進(jìn)行超深加工，如鉆孔深達(dá)76mm，切割厚度達(dá)40mm。 *(+*tjcWa  
2. 激光二極管（LD-Laser Diode）泵浦的Nd:YAG激光器該激光器是用與YAG光譜吸收帶吻合的激光二極管泵浦Nd:YAG，大大減少了非吸收帶光能轉(zhuǎn)化的熱量，其主要特點(diǎn)是電光轉(zhuǎn)換效率高（高達(dá) 20%～40%），能直接獲得紫外波長(zhǎng)的激光，從而為大功率、小型化、低能耗（工作電壓也低）、熱負(fù)荷小和長(zhǎng)壽命穩(wěn)定工作創(chuàng)造了條件。由于其波長(zhǎng)位于紫外波段，光束質(zhì)量好，可進(jìn)行多種優(yōu)質(zhì)加工，四五年內(nèi)有望成為主要的激光加工器件。圖6給出LD泵浦的Nd:YAG激光器的兩種激勵(lì)形式：（a）為端面激勵(lì); （b）為側(cè)面激勵(lì)，其輸出功率達(dá)2kW，頻率2.5kHz。 . .5s2  
（二）準(zhǔn)分子(Excimer)激光器 #B$r|rqamq  
所謂準(zhǔn)分子是在激發(fā)態(tài)下結(jié)合為分子，基態(tài)離解為原子的不穩(wěn)定締合物。用作激光工作介質(zhì)的準(zhǔn)分子有KrF,XeCl,AeF等氣態(tài)物質(zhì)。其發(fā)出的激光屬紫外波段，激光器基本結(jié)構(gòu)與CO 2 氣體激光器相同。紫外波段的準(zhǔn)分子激光加工機(jī)理比較復(fù)雜，通常的解釋是依靠“激光消融”（Laser Ablation）來(lái)蝕除材料。即由于紫外光子能量比材料分子原子間的連接鍵能量大，材料吸收后（吸收率很高），破壞了原有的鍵連接而形成微小的碎片，當(dāng)破壞達(dá)到一定程序后，碎片材料就自行剝落。每個(gè)脈沖可去除亞微米深的材料，如此逐層蝕除材料，達(dá)到加工目的。 4lp90sa  
激光消融是建立在光化學(xué)作用的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，與其他激光（熱）加工相比，它是在非放熱方式下進(jìn)行的，故又稱為“激光冷加工”。準(zhǔn)分子激光具有波長(zhǎng)短（190～350mm），頻率高（達(dá)5kHz），效率高（達(dá)4%），光束質(zhì)量好（發(fā)散角0.3mrad ，波長(zhǎng)線寬1pm以下），工作壽命長(zhǎng)，光束截面大等優(yōu)點(diǎn)，是很有潛力的工業(yè)激光器。 a62'\wF>D
 
目前商品化的器件功率在200W左右，世界上功率最大的是日本三菱電機(jī)公司1994年研制成功的XeCl激光器，放電管長(zhǎng)3m，束截面為80mm×40mm。 r*F^8_YMK  
（三）CO激光器 .`ZuUr  
CO激光波長(zhǎng)是CO 2 激光波長(zhǎng)的一半，因此，光束的聚焦性和材料的吸收性都優(yōu)于 CO 2 激光。例如3kW的CO激光的切割能力同5kW的CO 2 激光一樣。目前最大CO激光達(dá)20kW。 &mPR[{  
(四)銅蒸氣激光器 ~DL-@*&  
銅蒸氣激光是有望用于微細(xì)加工的一種激光器。它可作為倍頻YAG激光的取代器件。其波長(zhǎng)為511～578nm的可見(jiàn)光，光脈寬20～60ns，重復(fù)頻率 2～32kHz，目前器件有實(shí)用價(jià)值的輸出功率為10～120W，750W的器件也正在研究中�？傊�，激光器技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了激光加工技術(shù)的發(fā)展，它不僅給已有的加工方法帶來(lái)了生機(jī)，而且也開辟了新的加工領(lǐng)域。 :q>uj5%  
激光加工是制造技術(shù)家庭中最具活力的一個(gè)新成員，它以能力強(qiáng)、速度快、附加效益高等特點(diǎn)，活躍在各個(gè)領(lǐng)域。但對(duì)于每一項(xiàng)新開發(fā)的激光加工方法，能否最終轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)力，還取決于是否有加工設(shè)備、工藝技術(shù)及測(cè)試監(jiān)控技術(shù)等與之配套。這些方面近期也有很大發(fā)展，主要體現(xiàn)在多坐標(biāo)數(shù)控化設(shè)備的研究;實(shí)現(xiàn)高速傳輸光束的研究;工藝、控制及檢測(cè)智能化的研究等。我所作為高能束加工國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在進(jìn)行科研生產(chǎn)的同時(shí)，密切關(guān)注激光領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的研究方向，跟蹤世界激光加工的發(fā)展，適時(shí)補(bǔ)充或調(diào)整實(shí)驗(yàn)室研究項(xiàng)目，為發(fā)展激光加工業(yè)作出貢獻(xiàn)，為我國(guó)國(guó)防建設(shè)服務(wù)。