激光精密加工的应用现状.docVIP

　　 激光精密打孔随着技术的进步，传统的打孔方法在许多场合已不能满足需求。例如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔；在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔等，用常规的机械加工方法无法实现。而激光束的瞬时功率密度高达108W/cm2，可在短时间内将材料加热到熔点或沸点，在上述材料上实现打孔。与电子束、电解、电火花、和机械打孔相比，激光打孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。国外在激光精密打孔已经达到很高的水平。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔，可以加工直径从20um到80um的微孔，并且其直径与深度之比可达1：80。激光束还可以在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔、方孔等，这是普通机械加工无法做到的。 　　激光精密切割与传统切割法相比，激光精密切割有很多优点。例如，它能开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小，并可以节省材料15% ~30%。由于激光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力，故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精密切割。瑞士某公司利用固体激光器进行精密切割，其尺寸精度已经达到很高的水平。 　　激光精密切割的一个典型应用就是切割印刷电路板PCB（PrintdCircuitsBoards）中表面安装用模板（SMTstencil）。传统的 SMT模板加工方法是化学刻蚀法，其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚，并且化学刻蚀法工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。采用激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成品模板进行再加工，特别是加工精度及缝隙密度明显优于前者（见图6），制作费也由早期的远高于化学刻蚀到现在的略低于前者。但由于用于激光加工的整套设备技术含量高，售价亦很高，目前仅美国、日本、德国等少数国家的几家公司能够生产整机。 　　一、常规激光加工技术的发展与应用 　　随着加工技术的创新和进步，目前常规激光加工的技术，如钻孔、切断、表面改性等，都有不同程度的进展。 　　(一)钻孔 　　早期激光钻孔采用定点冲击法：即在一个位置上用脉冲激光束不停地加工，直至孔通。这种加工方法，使加工的孔深和孔径均受到限制。 　　高重复频率YAG激光器进入实用阶段后，出现了旋切钻孔法(Trepanning)，即用专用光学旋转头或数控自动生成圆轨迹进行激光套料加工。这不仅消除了孔径限制，且由于有辅助吹气，加工区呈半敞开式，熔融物易排出，故孔表面质量好。 　　对于分布有大量相同规格小孔的零件，特别是回转体，当前又发展了飞行打孔法(Drilling on the fly)，即激光对一个孔位加工一个脉冲后，不管孔是否打通，工件都利用光脉冲间隙快速运动(移动或转动)到下一个孔位，如此进行多次循环对同一位置多次冲击，直至完成所有孔的加工。其优点是激光脉冲间隙的时间被用作零件孔的位移，可大大提高加工速度。钻孔速度目前为每秒数10孔，预计可达每秒500孔 (亚毫米孔径)。技术的关键在于激光到达，工件必需运动到位，这对非均布孔来说有很大难度。用CNC闭环控制系统控制，当孔加工速率更高时，为保证圆的孔形，在激光作用时间内，激光束必须与零件同步运动。激光飞行打孔在航空零件加工中已得到了应用，环形燃烧室的冷却孔加工是典型的应用实例。此外，高速飞机的机翼和发动机进气道的前沿，气流极易与翼表面分离，形成紊流增大而气动力损失，为此，设计了有吸气功能的层流翼(短舱)套，其表面是由1mm厚的钛合金板制成，上面分布了1200万至10亿个锥孔，外表面孔径0.06mm，内表面孔径为0.1mm，孔间距为0.3～1mm，层流翼套的小孔也是用飞行打孔法完成的。 　　对于微米量级孔径的筛孔，用准分子激光或调Q的YAG激光快速扫描加工(每秒可加工数千孔)可得到满意的结果。 　　（二)切割 　　激光切割近期仍以CO 2 激光为主，随着器件功率的加大，切割深度和速度都有大幅度提高。为提高加工质量，采用高压吹气(压力达1.6～2.0MPa)，用 3.4kW的功率的CO 2 激光可切割5～6mm厚度的铝板，切口光滑，正、背面不留熔渣。值得提出的是采用两束激光复合切割材料，能取得更低的能耗。图1是两种激光复合切割的实验装置示意图。试验表明，用CO(270W)激光与KrF (30W)激光复合切割，比单用一束CO(300W)激光切割碳钢可提高速度30%，切割厚度可增加40%以上。 　　(三)焊接 　　激光焊接在仪器仪表业中早有应用，近期研究方向主要集中在航空航天工业中的高温合金、钛合金和铝、镁等难焊接合金的加工；汽车工业中的大厚度、变厚度钢材的深穿透焊接方面。 　　大型客机发动机短舱的吊挂采用2.5kW CO 2 激光焊接技术；发动机的压