激光加工技術(shù)的發(fā)展解析

一、常規(guī)激光加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

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。
(一)鉆孔
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。
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。
對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，這對非均布孔來說有很大難度。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。
對于微米量級孔徑的篩孔，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。
(二)切割
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。

(三)焊接
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。