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激光加工范文第1篇

[關鍵詞]激光；金屬材料；工藝

中圖分類號：TG665 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）18-0020-01

一、激光加工技術的特點

激光是一種相干光源，具有單色性、平行性和相干性的特點，能量密度高，方向性好。激光束聚焦在被加工材料表面的某一點時，激光的光能會瞬間轉化為熱能，產生上萬攝氏度的高溫，再堅硬的材料都會在瞬間達到熔點溫度迅速熔化，溫度再繼續(xù)升高達到沸點，材料發(fā)生汽化，使得被切除的地方形成了一個小孔洞，被切除的余料在汽化過程中被蒸發(fā)掉，沒有殘余。激光加工材料的過程實際上是待加工材料局部因溫度急劇迅速升高持續(xù)發(fā)生液化和汽化現(xiàn)象的過程。

激光加工技術可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的鈑金加工方法難以完成的零件加工。當要在一個箱體較大的鋼件上鉆許多大小不一的孔時，傳統(tǒng)鈑金工藝方法無法做到，但激光加工技術就能夠輕松完成。而且，在連續(xù)加工同樣的零件時，激光加工技術比傳統(tǒng)工藝技術的準確度更高，速度更快，市場競爭力更強。

在二維平面中，激光加工更有柔性。例如在使用激光切割機切割時，工件是固定的，切割機的割頭是可移動的，這樣不僅可以避免加工出現(xiàn)死角，提高加工材料的利用率，還能夠簡化加工設備。激光加工設備不是靠控制零件、設置模具或改變加工路線來進行加工的，而是由計算機系統(tǒng)整體控制來完成的，因此，激光加工工藝中不存在刀具的磨損、變形等問題，過程可以能夠通過數(shù)控來完成，而且完成精度高，質量好。

二、激光加工技術在金屬材料加工工藝中的應用

1、激光切割

1）激光切割能夠有效的利用編程軟件的優(yōu)點，極大的提高薄板型材料的利用率，減少材料的使用與浪費，同時減輕工人的勞動強度與力度，達到理想的效果。另一方面，優(yōu)化排料的這一功能性，可以省略薄板切割的開料環(huán)節(jié)，有效的降低材料的裝夾，減少加工輔助的時間。因此，促使切割方案更合理的安排，有效的提高加工效率及材料的節(jié)?。?）在日益發(fā)展的市場環(huán)境中，產品的開發(fā)速度即意味著市場。激光切割機的應用，可以有效的減少模具的使用數(shù)量，節(jié)省新產品的開發(fā)周期，促進其開發(fā)的速度與腳步。零件經過激光切割后的質量良好，且生產效率明顯提高，有助于小批量的生產，強而有力的保障了產品開發(fā)周期日漸縮短的市場氛圍，而激光切割的應用可以對落料模的尺寸大小進行精準的定位，為日后的大批量生產鋪墊下堅實的基礎；3）鈑金加工作業(yè)中，幾乎所有的板件痘需要在激光切割機上一次成形作業(yè)，并進行直接的焊接合套，所以激光切割機的應用減少了工序與工期，有效的提高工作效率，能夠實現(xiàn)工人勞動強度與加工成本的雙重優(yōu)化與降低，同時促進工作環(huán)境的優(yōu)化，極大的提高研發(fā)速度與進度，減少模具投入，有效的降低成本；4）激光切割機在鈑金加工中干的普遍應用，能夠有效的縮短新產品等的加工與制造周期，極大的減少模具的投入等；極大的提高工人的加工速率，省去不必要的加工程序；同時，激光切割機在工業(yè)加工中的廣泛應用，能夠有效的加工各種復雜的零件，提高精確度，有助于直接縮短加工周期、提高加工的精準度、略去沖壓模具的更換程序，有效的提高勞動生產率。

2、激光焊接

從目前的發(fā)展態(tài)勢看，激光焊接技術不斷滲透到汽車行業(yè)，為行業(yè)發(fā)展提供了必要的技術支撐。具體而言，這種應用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：首先，傳動件焊接。當前，激光焊接技術可滿足汽車傳動系統(tǒng)中70%的零件的焊接需求。與其它焊接技術相比，激光焊接不僅可以提高零件的使用壽命，而且可以降低零件的使用成本，體現(xiàn)出其獨特的應用價值。其次，焊接組合件。簡單地說，焊接組合件就是將分散的平板工件焊接成體、沖壓成形。通過焊接組合件，既可以減少工件數(shù)量，也可以提高部件性能，還可以減輕車體重量，進而優(yōu)化汽車的整體性能。以雅閣汽車為例，它的車門是由1.4 mm的鋼板和0.7 mm的薄板拼焊沖壓而成，降低了40%的車門重量。

此外，激光焊接技術憑借其堅固性強的特點，還廣泛應用于刀具、刃具、量具制造行業(yè)。例如，我國圓鋸片的年產量超過1 000萬片，不僅滿足了建筑行業(yè)對高質量鋸片的迫切需求，而且保障了國外鋸片市場的有效供給。

3、激光打孔

激光打孔是一項傳統(tǒng)的、實用的激光材料加工技術。與其它技術相比，激光打孔具有精度高、效率高、效益高等優(yōu)勢，成為當前制造行業(yè)不可或缺的技術元素。從20世紀末，激光打孔技術的發(fā)展速度明顯加快，多元化傾向明顯加強。而且，隨著技術的不斷完善，孔徑越來越小，而性能卻越來越高。粗略地計算，如果我們在飛機機翼上打上5萬個半徑為0.032 mm的小孔，就可以因為氣流阻力的減小而節(jié)省40%的油量。在我國，激光打孔技術也有著相對較長的發(fā)展歷史。早在20世紀60年代，我國就將該技術應用于鐘表制造行業(yè)，目前其累計產值已超過23億元人民幣。然而，與發(fā)達國家相比，我國還存在著一定的差距?，F(xiàn)如今，發(fā)達國家已將激光打孔技術廣泛應用于醫(yī)藥制造、食品加工、飛機制造等行業(yè)領域，為其帶來了巨大的物質和精神財富。

4、激光打標

激光打標技術是一項應用性極強的激光材料加工技術。它通過高密度、高能量的激光，對工部件實行局部照射，并依靠汽化、液化等各類化學反應，將標識永久性地留在工部件表面。當前，金屬制品是激光打標技術應用最為廣泛的行業(yè)領域。如刃具、量具、軸承等金屬制品，都需要依賴激光打標技術為其打印標記。而且，激光打標可在絲毫不影響晶體的性能的情況下，將看似不可能的標記打印變?yōu)楝F(xiàn)實。此外，隨著技術的不斷進步，一些非金屬制品，如大理石、玻璃、陶瓷等，也可以應用激光打標技術進行打標。近些年來，激光系統(tǒng)不斷完善，目前平均最高功率可達250 WYAG，極大地加深了標記的深度，提高了標記的質量。而且，激光打標技術作為一種嶄新的產品防偽手段，受到社會各界越來越廣泛的關注。

三、結語

綜上，隨著社會工業(yè)的不斷發(fā)展以及激光加工技術的進步，激光加工技術必然會成為金屬加工技術應用中的重要加工手段，因此，值得廣大同行的關注與重視，在實際生產中予以大力的推廣。

參考文獻：

激光加工范文第2篇

摘 要：激光加工產業(yè)作為國家重點發(fā)展的高端裝備制造業(yè)，國家一直給予了較大的政策支持，其相關技術是政府重點扶植的高新技術?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》明確將激光技術列為重點發(fā)展的高新技術。結合專業(yè)建設需求，對市場進行調研，為了培養(yǎng)與社會主義現(xiàn)代化建設要求相適應，具備激光加工設備裝配、調試、使用、維護及激光加工設備操作能力的高素質應用型專門人才，同時使激光加工技術的專業(yè)建設及課程設置能更好的體現(xiàn)高職教育的特點。

關鍵詞：激光加工技術；專業(yè)建設；職業(yè)院校

為了培養(yǎng)服務激光加工設備制造和激光加工行業(yè)，培養(yǎng)與社會主義現(xiàn)代化建設要求相適應的德、智、體、美全面發(fā)展，適應生產、建設、管理和服務第一線需要，具備激光加工設備裝配、調試、使用、維護及激光加工設備操作能力的高素質應用型專門人才。同時使職業(yè)院校培養(yǎng)的學生更能符合企業(yè)對人才的需求。筆者特將企業(yè)對學生的基本技能等方面進行了調研。

1 情況說明

針對位于武漢?中國光谷東湖高新技術開發(fā)區(qū)的等十多家大型激光公司進行調研。調研主要采用了隨機抽樣的方式，發(fā)放問卷共50份，共計收回問卷43份，有效問卷40份，這次調研得到了公司的大力支持，報告內容豐富，結果客觀公正。

2 調研結果及分析

2.1 企業(yè)對院校崗位的設置要求以及崗位對職工性別的要求

從激光加工技術專業(yè)的崗位設置情況來看，激光控制板焊接工、激光腔體裝配工、激光機械構件裝配工、激光器光學構件裝配及調試工、激光器售后服務人員等為主要崗位，不同的崗位對職工性別的要求有很大的差異。每個崗位的具體要求如表1。

2.2 企業(yè)要求學生所需要掌握的基礎知識

由于激光加工技術是國家重點支持和推廣的一項高新技術，應用市場相當廣泛，在汽車制造、半導體、航天航空等領域應用較多，在其它領域還有較大的發(fā)展空間。因此，要求學生所要掌握的基本知識也有較高的要求。學生所需要掌握知識的基本情況如表2。

2.3 企業(yè)要求學生所需要掌握的基本技能

高等教育的技能培養(yǎng)目標，除了考慮具體行業(yè)和職業(yè)崗位的需求外，還必須考慮學生日后會遇到的職業(yè)變更、技術更新及個人發(fā)展的需要。既要重視“專業(yè)技能”，又要重視“通用技能”的培養(yǎng)，以適應未來社會生活中知識更新的需要，為學生今后的發(fā)展和接受繼續(xù)教育奠定一個較為寬厚的基礎。從調研的結果來看，企業(yè)對學生的專業(yè)技能和通用技能的要求都比較高，幾乎要求每位學生必須掌握電工基本技能、激光加工工藝技能、常見光學儀器的使用調試等基本技能。學生所要掌握的基本技能具體情況如圖1。

學生所需掌握的基本技能2.4 企業(yè)要求學生具有的基本素質

由于基本的工作能力、良好的職業(yè)道德、職業(yè)意識和職業(yè)精神，是大學生作為社會人、單位人應該具備的基本素質。在這些方面，很多大學畢業(yè)生缺乏對崗位應有的熱愛與理解，思想素質和心理素質都有待提高，適應職業(yè)崗位需要的時間較長，明顯缺乏應有的基本工作能力。因此，在校期間應該培養(yǎng)學生具備吃苦耐勞、團結協(xié)作、誠實守信的精神，要讓學生明白先做人后做事的哲理。

3 結論

激光設備種類向技術含量更高的高端設備（光纖激光器、半導體激光器等）發(fā)展，大功率激光設備所占市場份額越來越大。激光加工應用領域向航空、輪船、高速鐵路等高端制造業(yè)、太陽能等新能源利用、集成芯片制造精密加工行業(yè)發(fā)展。通過調研發(fā)現(xiàn)，激光加工技術專業(yè)具有良好的發(fā)展局面，企業(yè)對學生的要求也越來越高，高職教育人才的培養(yǎng)模式得到了企業(yè)的充分肯定，同時還有許多地方還需要進一步完善。主要體現(xiàn)以下幾個方面：

（1）應該加強學生對專業(yè)基礎知識和基本理論的學習，如：工程光學、機械制圖與CAD、單片機原理與應用、機械加工技術、光電探測與處理技術、激光設備調試維護與加工工藝訓練、精密機械基礎、工業(yè)控制技術、光學零件加工等基礎課程?？梢試L試實行“教考分離”等措施，以進一步提高教育教學的質量，以適應未來社會生活中知識更新的需要，為學生今后的發(fā)展和接受繼續(xù)教育奠定一個較為寬厚的基礎。

（2）學院可以輪流安排教師到企業(yè)為期半年或者一年的實踐，這樣可以使教師知識不斷更新；同時也可以安排在校學生要盡量多的到企業(yè)頂崗實習，通過實習，可以使學生更加清楚在校期間應該怎樣去學習，使學生從被動的接受學習轉化為主動的去鉆研，從而提高學生的專業(yè)技能。

（3）為了得到企業(yè)的認可，學校應該和企業(yè)聯(lián)合對學生進行職業(yè)資格認定，以進一步深化和推廣“激光訂單班”、“激光定崗班”、“激光醫(yī)療班”等辦學模式。

（4）綜合素質有待提高。信息收集與處理能力、準確定位能力、抓住機遇的能力、表達溝通能力、自我推銷能力、自我保護能力等，是決定大學生能否實現(xiàn)勞動者和生產資料的結合，達到人職匹配的重要因素。

（5）進一步加強學生具備良好的道德品質和團隊合作精神的教育。

參考文獻

［1］王中林，李建新.基于訂單班的產學研結合人才培養(yǎng)模式［J］.職業(yè)教育研究，2008，（4）:2729.

［2］肖坤.高職院校人才培養(yǎng)方案的制訂探析［J］.教育與職業(yè)，2008（33）:1719.

激光加工范文第3篇

關鍵詞：中職;精品課程建設;激光加工設備 

精品課程是指具有一流教師隊伍、優(yōu)化的教學內容、獨特的教學方法和模式、完善的配套教材、健全的教學管理機制等特點的示范性課程。我校與時俱進，以激光加工技術這一新型特色專業(yè)的《激光加工設備》課程為切入點，通過省級精品課程建設的引領和示范，帶動了其他課程建設的全面提升，為培養(yǎng)知識型和技能型人才發(fā)揮了重要作用。 

一、中職精品課程的內涵 

中職精品課程主要包括六個方面的內容：一是要逐步形成一支以主講教師為主體、人員穩(wěn)定、年齡結構合理、教學效果優(yōu)良、素質過硬、實訓指導教師占比合理的教師隊伍;二是課程內容體系優(yōu)化，課程內容具有前瞻性、科學性，及時反映本學科的最新知識和技術;三是教學方法和模式獨特，手段先進，善于運用任務驅動式、教練式等好的獨特的教學方法，教學效果明顯，相關課程標準、教案、習題、實驗指導、參考文獻目錄等要網(wǎng)上開放，實現(xiàn)優(yōu)質教學資源共享;四是教材完善配套，要有精品系列教材體系;五是大力開展實踐性、實驗性教學，組織形式和內容要豐富;六是管理機制健全，擁有相應的激勵和評價機制，鼓勵更多的教師承擔精品課程建設，保證精品課程建設工作的順利開展。 

二、中職精品課程建設的措施 

1.以特色、新型、專業(yè)的優(yōu)勢學科為切入點 

根據(jù)《關于安徽省中等職業(yè)教育精品課程建設的實施意見》，我校立即行動起來，首先精選了激光加工技術專業(yè)的激光加工設備課程作為精品課程來創(chuàng)建。大家知道，作為服務于當下新興產業(yè)的激光加工技術，以其“高效、節(jié)能、環(huán)保”等優(yōu)勢凸顯它的獨特作用，目前，我校此專業(yè)的教學水平在全國占據(jù)領先位置。激光加工設備正是整個課程體系中的核心課程，特色鮮明、特點突出，學校作了綜合布局，重點建設、精心打造，以此為突破口，拓展到激光加工技術專業(yè)的其他課程，進行整體性、綜合性的課程建設。如《激光基礎》、《激光加工工藝》等課程。 

2.加強了師資隊伍建設，實施了名師工程 

創(chuàng)建精品課程《激光加工設備》，是由我校一位激光加工技術專業(yè)省級專業(yè)帶頭人作為項目負責人，三位從事激光專業(yè)教學一線的老師作為主講，以及有豐富教學經驗的機械類、電工電子類、軟件操作類等集機光電、軟件控制為一體的共十位老師，組成立一支具有一流教學水平、業(yè)務素質高、團隊精神強、作風過硬的教師隊伍。這支隊伍中，在省級以上教師個人單項比賽中獲得二等獎以上有三人次，指導學生參加省級以上技能大賽獲得三等獎以上的有九人次，國家級裁判員一人次。與此同時，以專業(yè)帶頭人為核心，帶動了一批年輕老師，他們年富力強，富有干勁、闖勁和激情，軟件操作熟練，積累了大量地課內外與精品課程建設有關的資料信息，為完成既定的任務做出了貢獻。 

3.優(yōu)化了教學內容、教學方法和教學手段 

精品課程建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，內容涉及教師、學生、教材、教學手段、教學方法、教學模式和教學管理制度，等等。建設過程中，我校從實際出發(fā)，著眼于整體來建設精品課程： 

一是結合《激光加工設備》的特點，改革不適應人才培養(yǎng)的體系和結構，使教學內容與課程的全面建設相適應。如將《激光加工設備》課程刪繁就簡，以學生能夠接受的知識技能作為前提，具有針對性地進行整體教學內容的選擇。 

二是教學內容先進，廣泛吸收目前先進的職業(yè)教育教學經驗，使之符合中職學校人才培養(yǎng)的目標要求。 

三是教學方法以導、學、教、做、評為主線，將教練式教學、師徒制教學等方法融入課堂教學中，最大限度地將對應的激光產業(yè)、企業(yè)和學校教學相對接，將校企合作引向了深入。 

四是借力現(xiàn)代信息技術教學與管理，在校園網(wǎng)上開辟精品課程網(wǎng)頁，實現(xiàn)了優(yōu)質教學資源的共享。 

4.編寫了理實一體化系列教材，豐富了教學資源 

教材建設是精品課程建設的重要組成部分，系列化的優(yōu)質教材與精品課程相呼應非常有必要。在武漢弗萊茵科技有限公司的大力支持下，以我校主講為主體，整合部分高校、激光加工企業(yè)，以及全國開設激光加工技術專業(yè)的50多所中職院校的優(yōu)質資源，歷經六年時間一起編寫了本專業(yè)理實一體化系列教材共11本，如《激光基礎》、《激光加工設備》、《激光加工工藝》、《激光加工實訓技能指導》（上、下冊）、《AutoCAD技術及應用》、《EzCAD2.0》、《設備控制技術》等。同時，配合激光加工設備的教學，又相繼開發(fā)了多功能旋轉激光標刻機、多功能激光內雕機等4種課程的教學軟件，以及3門核心課程的全部教學課件，極大地豐富了教學內容。 

5.建立了行之有效的評價機制，規(guī)范了操作程序   本文由wWw.DYlw.net提供，第一論 文 網(wǎng)專業(yè)教育教學論文和以及服務，歡迎光臨dYLW.nET

激光加工范文第4篇

關鍵詞:激光技術;金屬材料;加工工藝;應用

引言

隨著科技水平的進步，工業(yè)制造過程中對高精度金屬材料的需求越來越高。如何快速有效地加工出具有特殊結構的金屬材料成為擺在金屬加工領域的一道難題。激光是一種特殊的光，與普通的光源相比具有單色性、相干性和方向性。近年來激光技術得到了迅速的發(fā)展，已經廣泛應用到科學研究及工業(yè)實踐中。激光加工技術是一種先進的材料加工技術，經過長期的發(fā)展和經驗積累，激光加工技術已經逐漸成熟并得到廣泛的應用。

1激光材料加工技術的原理

激光材料加工時利用激光的單色性、相干性和平行性的特點，將激光聚焦到需要切割或焊接的點上，在材料的局部形成高溫［1］。激光材料加工通常需要利用一組透鏡或者反射鏡片將激光束聚焦到需要加工的弓箭表面上，達到所需要的功率密度。通過合理地選擇和調節(jié)加工透鏡對激光功率進行調控。為了達到要求的幾何形狀的激光光束，可以相應地選擇特定的加工透鏡進行調節(jié)。通過改變光束的特性可以實現(xiàn)簡單的加工形狀例如點狀、環(huán)形燈;而復雜的幾何加工形狀需要通過全息照相成像系統(tǒng)來進行調節(jié)。功率密度是激光材料加工工藝中一個非常重要的工藝參數(shù)，它決定了材料加工的質量和速度，不同的加工要求需要選擇不同的功率密度參數(shù)。較低的功率密度適用于對材料的熱處理，例如退火、表面合金化和焊接等。而較高的功率密度則適用于對材料的切割、打孔及表面非晶質化的加工。

2激光材料加工技術在金屬材料加工中的具體應用

2．1激光切割激光切割技術是利用聚焦鏡將激光束聚焦在被加工材料的表面，利用激光產生高溫使材料融化。同時利用與激光光束同方向的壓縮空氣將熔化材料吹走，使激光束在被加工材料上沿著一定的軌跡運動，形成具有特定形狀的切縫。激光切割技術是應用最廣泛的一種激光加工技術，可以應用到多種材料如有機玻璃、木材、塑料、合金鋼和碳鋼的加工。在計算機程序控制下，通過脈沖使激光器放電，從而形成高密度的能量光斑，瞬間熔化或氣化被加工材料。激光切割的切割精度很高，定位精度可以達到0．05mm，重復定位精度0．02mm，同時切割速度可以達到70m/min，遠遠大于線切割的切割速度［2］。2．2激光焊接根據(jù)焊接對象的不同激光焊接分為深熔焊接和傳導焊接，它們主要用于機械制造和電子電氣行業(yè)的焊接工作。激光焊接技術在汽車制造領域得到了大規(guī)模的應用，為整個行業(yè)的發(fā)展提供了有力的支撐。激光焊接技術可以滿足汽車傳動系統(tǒng)中70%的零部件的焊接需求，與其他傳統(tǒng)的焊接方式相比，激光焊接的工作成本低廉，焊接效果較好。此外，激光焊接還可應用于組合件的焊接工作中。通過組合件的焊接，不僅提高了零部件的性能，還可以降低汽車的重量，優(yōu)化汽車的整體性能。此外激光焊接還廣泛應用于刀具、刃具等器材的制造中。

3激光材料加工技術的優(yōu)勢

3．1加工速度快在激光材料加工技術中，激光切割的應用最為廣泛。在汽車工業(yè)當中，激光加工技術廣泛應用于鈑金零部件的加工。隨著大功率激光器的開發(fā)應用，激光切割的應用對象幾乎包括了所有的金屬和非金屬材料。利用激光加工技術可以快速地對復雜及三維零部件進行快速有效地切割加工。激光切割技術的設置時間較短，對不同的工件和外形也有很好的適應性。激光精加工和微加工技術應用到汽車工業(yè)制造中，優(yōu)化了汽車結構，提高了汽車的性能。3．2加工精度高激光焊接技術將非常細小的高強度激光照射到工件表面，使工件在局部高溫融化，達到焊接的目的。與傳統(tǒng)的焊接方式相比，激光焊接具有很強的方向性和針對性，并且在實施過程中不會有污染氣體的出現(xiàn)，有效地保護了工作人員。對高強鋼的加工來說，3D激光切割技術是最常用也是最經濟的加工方法［3］。激光切割技術使材料只會在局部形成較高的溫度，避免了材料因大面積受熱導致性能出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。與電阻焊接相比激光焊接可以有效降低焊縫的寬度，提高了焊接質量。

4結語

綜上所述，激光技術是一項新興的技術手段，激光技術以其獨特的特點在材料加工領域得到了廣泛的應用。激光材料加工時利用激光的單色性、相干性和平行性的特點，在材料的局部形成高溫，達到對材料進行加工的目的。激光切割和激光焊接是最為常見的兩種激光材料加工技術，這些技術在汽車制造、特種產品制造領域起到了獨特而無法替代的作用。激光材料加工技術具有工作效率高，加工精度高等優(yōu)點，在金屬材料加工中起到了獨特的作用。

參考文獻:

［1］田延龍．激光技術在金屬材料加工工藝中的應用探析［J］．科技創(chuàng)新與應用，2013(10):25．

［2］黃翔，徐君，張永良．金屬材料加工工藝中激光技術應用分析［J］．城市建設理論研究(電子版)，2014(23)．

激光加工范文第5篇

關鍵詞：激光打孔，旋切法，重鑄層，旋切路徑，旋切速度，旋切圈數(shù)

中圖分類號：TG665

文獻標志碼：A

文章編號：0253-987X（2015）03-0095-09

激光是光的受激放大輻射，與其他光源相比具有極好的方向性、極高的亮度和相干性。聚焦后的激光束作用于材料表面，可引起靶材發(fā)生熔化、氣化、焦化、噴射或燃燒等現(xiàn)象，使材料表面出現(xiàn)質量遷移，這種激光燒蝕效應可以被用來進行激光加工（刻蝕、焊接、打孔、切割等），而且具有高效、高精度、高質量、應用范圍廣、節(jié)能環(huán)保等特點，并能實現(xiàn)柔性加工和超微細加工。激光加工技術在汽車、航空航天、微電子、鋼鐵冶金等領域已得到了廣泛的應用，在有些行業(yè)已經達到了較高的水平。

微小孔在制造業(yè)中有很大的需求量，如汽車噴油嘴噴孔、航空發(fā)動機熱端部件的海量氣膜冷卻孔、噴墨打印機噴頭等，而現(xiàn)有的加工技術，如電花火加工和電解加工，或是已經無法滿足更高的工業(yè)要求，或是效率太低，而激光加工能夠以更高的效率加工出孔徑更小、質量更好的微小孔。在西方發(fā)達國家的企業(yè)，如美國的GE公司、英國的羅羅公司，激光微小孔加工技術已經被非常成功地應用于航空發(fā)動機的制造中，然而，這些技術被嚴格封鎖，成為制約我國工業(yè)制造技術發(fā)展的瓶頸。

目前，國內激光加工微小孔技術的研究還存在諸多未解決的問題，其中2個重要的問題就是孔形優(yōu)化和孔壁重鑄層，相比之下，后者更不易解決。重鑄層是激光加工中熔化后的材料未被完全排出而冷卻粘結在孔壁上的殘余熔化物，因為冷卻速度過快，熱應力會導致重鑄層中出現(xiàn)微裂紋，在一定條件下這種微裂紋會在零件服役過程中向基體內部擴展，這對整機設備的安全性是一種潛在的嚴重威脅。

本文的工作主要針對孔形優(yōu)化和孔壁重鑄層展開。在激光參數(shù)優(yōu)化方面，大量已公開的文獻資料表明，更窄的激光脈沖寬度和更高的峰值功率有助于加工出重鑄層更小的微小孔。本課題組前期的研究結果也證實了一點。Chien等人利用正交優(yōu)化方法在718鎳基合金材料上對包括旋切速度、輔助氣壓、脈沖能量在內的8個激光加工參數(shù)進行了優(yōu)化研究，加工出了最小重鑄層厚度為38μm的微小孔，并且認為重鑄層厚度會隨旋切速度的降低而減小。然而，他們給出的最佳旋切速度是1.25mm/s，這與本研究得到的結果相去甚遠。此外，他們還認為重鑄層在孔入口的厚度比在其他孔深位置的都要大，這也和本文的發(fā)現(xiàn)有很大的出入。文獻[7，9]關于輔助氣壓的結論為本研究提供了有益的借鑒。Zhang等人研究了在激光打孔過程中材料發(fā)生的氣化、熔化和熱傳導等現(xiàn)象，指出了加工中因熱傳導損失的熱量對孔質量的影響。文獻[11-12]表明，在長脈沖（如毫秒脈沖）激光微小孔加工過程中，材料的總去除量中液態(tài)噴濺占了相當大的比例，根據(jù)光強和材料的不同，這個比例能高達70%，這既解釋了為什么毫秒激光加工的孔重鑄層一般都很厚，也為本文的減小重鑄層研究提供了原始理論依據(jù)。

1激光打孔方式

脈沖激光打孔方式可分為沖擊式（叩擊式）、旋切式、螺旋式3類，如圖1所示。定點沖擊式加工是在加工過程中激光束與工件位置相對靜止，在一系列脈沖能量沖擊下完成小孔加工，孔徑接近光斑尺寸。與其他方式相比，這是最基礎也是最快的一種激光打孔方式，但孔的質量直接受到光束質量和聚焦光學系統(tǒng)的影響，一般加工出的小孔熱效應明顯，精度和孔壁質量均較差。旋切式加工是利用聚焦光束在工件表面做圓周運動，切除圓內多余材料后形成小孔，加工過程中焦點位置在軸向保持不變。這種光束旋轉可以通過2個機械直線軸差補運動的形式實現(xiàn)，也可以通過旋轉光學棱鏡系統(tǒng)實現(xiàn)：前者適合于各種類型的激光器，原理上可以加工任意孔徑的小孔和異形孔；后者多用于納秒級和更短脈沖的激光器，且只能加工一定直徑范圍內的圓孔。由于旋切加工過程更有利于熔融物質排出，孔壁熱影響區(qū)和重鑄層相對較小，因此孔質量較高。螺旋式加工是在旋切加工的基礎上加入了焦點位置漸近地向工件內部運動的加工方式，這樣加工出來的孔的精度和圓柱度更高一些，但工藝相對較復雜，在大能量激光孔加工中應用較少。

本文結合各加工方式的特點和實驗室條件，選擇以旋切法為研究對象開展工藝優(yōu)化研究。

2實驗裝置

采用英國GSI公司專門為打孔用途設計生產的JK300D型Nd：YAG燈泵浦固體激光器，最大平均輸出功率為300W，最大峰值功率為16kW，脈沖寬度從0.2ms到5ms連續(xù)可調，波長1.06μm。該激光器的優(yōu)點是加工效率高，穩(wěn)定性好，不需要苛刻的操作環(huán)境，因此非常適合工業(yè)應用，但缺點是加工過程存在較嚴重的熱影響，如采用沖擊式直接加工的微小孔，孔壁重鑄層厚度在50μm左右。激光能量通過光纖傳至激光頭，激光頭固定在一臺自制的五軸（3個直線軸，2個旋轉軸）精密運動控制平臺上，其單軸直線定位精度為5μm，重復定位精度為3μm，可在X-Y、X-Z、Y-Z 3個平面內做任意曲線差補運動?？赏ㄟ^旋轉激光頭來改變光束與樣品表面的夾角，而且可從激光頭腔體內吹出與光束平行的高壓輔助氣體（本文采用壓縮空氣）。圖2為實驗用的激光加工系統(tǒng)示意圖。

3旋切路徑優(yōu)化實驗

激光旋切法加工微小孔其實就是一種走刀路徑為圓環(huán)的激光切割。由于激光加工的特殊性，不同的光束路徑會對孔形產生不同的影響。

3.1邊緣起點旋切法

一般的旋切法是直接從圓周上的某一點開始，完成旋切后回到起點，如圖3a所示。這種加工路徑的優(yōu)點是操作簡單、效率高，但是存在一個缺陷，就是容易在孔邊緣產生一個如圖3b所示的缺口。

孔緣產生缺口的原因很可能是加工開始時第一個激光脈沖的前沿與材料表面相互作用的特殊性造成的，因為第一個脈沖與材料發(fā)生作用時，材料溫度較低且表面平整，材料對激光的反射率很高。Kar等人的研究也表明，激光與金屬材料作用的起始初段，材料對激光的反射率很高，但是當材料表面溫度超過熔點時，反射率會迅速降低，他們推薦的此時適合的吸收率為85%。反射率高意味著材料需要更長的時間才能吸收足夠的熱量達到熔點，這同時也意味著熱量可以在材料內部通過熱傳導傳播更遠的距離。所以，當輻照范圍內的材料達到熔點后，較小的溫度梯度就會導致光斑范圍外的一部分材料也發(fā)生熔化，這時在氣化壓力和輔助氣流的作用下，液態(tài)材料被排出，所產生的小孔的孔徑必然大于光斑直徑，在旋切加工中，這種較大的起始孔徑就會成為孔緣上的缺口。

對于以上分析，本文通過2個實驗進行驗證：一個是孔徑無限大的旋切實驗，即直線切割；另一個是隨機出光旋切實驗。圖4和圖5分別是這2個實驗結果的掃描電子顯微鏡（SEM）照片。從圖4中可以看出，起點處明顯有一個已成型的小孔，其直徑大于隨后切割時的線寬。如果將實驗中的路徑首尾相連，則起點處自然就形成一個缺口。圖5中6個小孔邊緣均出現(xiàn)了缺口，而且出現(xiàn)的位置不一樣，這是因為在實驗中是先讓運動平臺開始旋轉，然后再隨機手動開啟激光快門開始加工。缺口位置的隨機分布也證明了缺口是由于激光加工中的第一個脈沖造成的。

3.2圓心起點旋切法

為了避免旋切加工的小孔孔緣出現(xiàn)缺口，就必須改變旋切路徑，因此進行了以圓心為起點的旋切加工實驗。路徑形式如圖6a所示，即激光在圓心位置開啟，先通過沖擊方式鉆出一個小孔后，向預設孔邊移動，然后開始旋切，完成加工后光束又回到圓心位置。實驗結果如圖6b所示，可以看出，這種路徑加工出的小孔孔緣完整，缺口已經消失。因此，以圓心為起點的旋切路徑是一種比較好的選擇，本文在接下來的實驗研究中將采取這種旋切路徑。

此外，文獻[15]中采用沿與孔內壁相切的引入線開始旋切加工，也得到了孔緣完整的微小孔，見圖7。這2種引入線的加工效果無明顯差異，但相比之下前者的工藝操作性更簡單一些。

4不銹鋼材料上關于孔壁重鑄層的旋切加工實驗與結果

304不銹鋼是一種綜合性能良好的常用不銹鋼材料，具有耐高溫、耐腐蝕、加工性能好的特點，被廣泛應用于制造有較高要求的設備和零件。本文計劃先在不銹鋼材料上進行規(guī)律探索實驗，然后將所得規(guī)律移植到一種性能優(yōu)越的高溫超合金――定向結晶鎳基合金DZ445。實驗中所用樣品的厚度均為2mm。

激光旋切加工微小孔工藝中涉及2個重要的參數(shù)：旋切速度和旋切圈數(shù)。旋切速度指光束繞圓心旋轉的線速度；旋切圈數(shù)指光束繞圓心旋轉的圈數(shù)。本文將從實驗與理論2個方面研究這2個參數(shù)對孔壁重鑄層厚度的影響規(guī)律，而激光參數(shù)和其他輔助條件則根據(jù)本課題組前期的研究經驗和前述相關文獻的報道，設定為實驗室條件所能達到的最佳值，且在本文實驗中均保持不變。具體參數(shù)如下：脈寬為0.2ms；峰值功率為16kW；脈沖能量為3.2J；頻率為70Hz；離焦量為-0.1mm；輔助氣壓為1MPa。

4.1旋切速度

首先在304不銹鋼上進行了不同旋切速度的微小孔加工實驗，旋切速度依次設為0.01、0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1mm/s，每個速度下重復加工3個孔，每孔旋切2圈，光束與工件表面的夾角為90°，即光束垂直于工件表面。加工完成后，對樣品進行打磨拋光和金相腐蝕，然后用金相顯微鏡觀察并測量孔壁重鑄層厚度，求出各個速度下厚度的平均值。圖8所示為重鑄層厚度隨旋切速度變化的折線圖，從中可以看到，隨著旋切速度的增加，重鑄層厚度明顯變大，特別是在0.1至0.3mm/s之間最為顯著，而當旋切速度小于0.1mm/s或大于0.5mm/s時，重鑄層厚度的變化趨于平緩。由圖8還可以看出，不同的旋切直徑對重鑄層厚度基本沒有影響。圖9所示是旋切速度為0.1和0.3mm/s時加工的小孔的金相圖。

在實驗中還發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象，就是當旋切速度過低時，小孔邊緣會出現(xiàn)如圖10所示的裂紋，而且隨著旋切速度的降低，裂紋現(xiàn)象會變得更加嚴重。這意味著，通過降低旋切速度來減小重鑄層是有限度的。在本實驗中，未出現(xiàn)孔緣裂紋的最小旋切速度是0.1mm/s，此時的重鑄層厚度平均值為2.8μm。

4.2旋切圈數(shù)

為了明確旋切圈數(shù)對孔壁重鑄層的影響，保持旋切速度為0.3mm/s不變，進行了旋切圈數(shù)為1到10的單因素實驗，每個旋切圈數(shù)加工3個孔，然后對樣品進行打磨、拋光、金相腐蝕，再用金相顯微鏡觀察并測量每個孔的重鑄層厚度，最后求出每個旋切圈數(shù)下的厚度平均值。圖11為重鑄層厚度隨旋切圈數(shù)的變化情況，可以看出，總體上重鑄層厚度是隨著旋切圈數(shù)的增加而下降的，而下降速度在旋切圈數(shù)為2～6的范圍內最為顯著，之后趨于平緩，基本穩(wěn)定在4μm。從圖12可以看到，旋切8圈所得小孔的重鑄層厚度明顯小于旋切2圈的厚度。

同樣，隨著旋切圈數(shù)的增加，小孔邊緣也出現(xiàn)了類似圖10的裂紋，并且裂紋長度和密度呈迅速增加的趨勢。圖13是對旋切圈數(shù)分別為1、3、5、7、9的小孔邊緣的裂紋長度進行測量后繪制的孔緣裂紋總長度平均值曲線，其中虛線為數(shù)據(jù)點的多項式擬合曲線。

5鎳基合金材料上關于孔壁重鑄層的旋切加工實驗與結果

材料屬性的差異會導致不同的激光加工結果。為了使實驗數(shù)據(jù)更貼近工程實際并驗證上述實驗中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，在不銹鋼材料實驗的基礎上，針對厚度為2mm的DZ445定向結晶鎳基合金進行了類似實驗。這種材料常被用來制造有較高質量要求的燃氣輪機渦輪葉片。

5.1初步實驗

在系統(tǒng)地開展實驗前，首先嘗試進行了旋切速度為0.05mm/s、旋切4圈的微小孔加工，結果顯示孔邊緣并沒有出現(xiàn)不銹鋼實驗中的微裂紋，這說明在高溫性能更加良好的鎳基合金材料上，通過減速增圈來減小重鑄層的方法仍然是有效的。因此，選擇0.05、0.1mm/s 2個旋切速度分別與5至10的6個旋切圈數(shù)配合進行正交實驗，其他參數(shù)不變。為了減小實驗誤差，每組參數(shù)仍然加工3個小孔，經過金相處理和測量后，分別求出各參數(shù)組下孔的入口和出口重鑄層厚度的平均值，然后進行統(tǒng)計分析，結果如圖14所示。從圖中可以觀察到以下特點：

（1）孔壁重鑄層的厚度隨著旋切圈數(shù)的增加而減?。?/p>

（2）較低的旋切速度可以加工出重鑄層更薄的微小孔；

（3）小孔出口的重鑄層厚度普遍比入口的大。

另外，對此次實驗中所加工小孔的入口孔徑也進行了測量與分析，結果如圖15所示。從圖中可以看到，不同的旋切速度和旋切圈數(shù)對孔徑基本沒有影響。本次實驗中的最小重鑄層出現(xiàn)在旋切速度為0.05mm/s、旋切10圈的小孔的入口處，厚度約為12.6μm。與相同參數(shù)的不銹鋼實驗情況相比，鎳基合金材料上的重鑄層要厚很多，但是所有小孔邊緣都沒有出現(xiàn)微裂紋，這更證明了DZ445鎳基合金的特殊性。

5.2深化實驗

鑒于初步實驗的結果，繼續(xù)進行了更大參數(shù)范圍內的加工實驗，旋切速度降低到0.01mm/s，旋切圈數(shù)擴展到16。對樣品進行金相處理和測量后，結果如圖16和圖17所示。為了更清楚地反映實驗結果的整體變化趨勢，對每組數(shù)據(jù)均進行了線性擬合。圖16為不同旋切速度和旋切圈數(shù)下所加工小孔的孔壁重鑄層厚度變化情況，總體而言，旋切速度為0.01mm/s時所得小孔的重鑄層厚度小于0.05mm/s時所得的重鑄層厚度，而且0.05mm/s時的重鑄層厚度隨著旋切圈數(shù)的增加而下降，但是0.01mm/s時所得的重鑄層厚度卻不隨旋切圈數(shù)的增加而變化。圖17是根據(jù)4.1節(jié)實驗中的部分數(shù)據(jù)與本節(jié)實驗中的部分數(shù)據(jù)綜合繪制出的在不同旋切圈數(shù)和旋切速度下所加工小孔的入口重鑄層厚度變化趨勢圖，從中可以很清楚地看到：重鑄層厚度隨著旋切速度的降低而減??；旋切圈數(shù)的增加也會使重鑄層減小，但是這種趨勢隨旋切速度的降低逐漸開始收斂，這和圖16中觀察到的情況一致。圖18a、18b分別為旋切速度為0.03mm/s、旋切6圈和旋切速度為0.01mm/s、旋切14圈所得小孔的入口金相圖，可以直觀地看出不同旋切速度和旋切圈數(shù)對孔壁重鑄層的影響，其中圖18b也是實驗中的最小重鑄層孔，重鑄層厚度約為4.8μm。另外，當旋切速度為0.01mm/s、旋切圈數(shù)超過14時，孔邊緣只出現(xiàn)了少量裂紋。

6旋切加工中重鑄層厚度變化的機理