激光加工

1．激光加工系統(tǒng)的組成及其特性 

激光加工機(jī)床如激光打孔機(jī)和激光切割機(jī)除具有一般機(jī)床所需有的支承構(gòu)件、運(yùn)動(dòng)部件以及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置外，主要應(yīng)備有激光加工系統(tǒng)，它是由激光器、聚焦系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)三部分組成的。 

1．激光器 

激光器由激光光源、光泵、聚光器和諧振腔組成，應(yīng)用于加工的激光器主要有： 

(l) 固體激光器 具有穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但能量效率低一般＜3％，由于輸出能量小，主要用于打孔和點(diǎn)焊及薄板的切割。（摻釹釔化鋁石榴石）等作為工作物質(zhì)。YAG是固體激光中能發(fā)出最大功率的離子激光。YAG的結(jié)晶母材是由釔、鋁和石榴石構(gòu)成的，其中微量的釹離子剛起激光作用。YAG的激光波長(zhǎng)為1.06μm，相當(dāng)于二氧化碳?xì)怏w激光坤長(zhǎng)的1/10。它的綠色的激光束可在脈沖或連續(xù)波的情況下應(yīng)用，具有波長(zhǎng)短、聚光性好適于精密加工特別是在脈沖下進(jìn)行孔加工最為有效，也可用于切削、焊接和光刻等。且由于聚光性好，可通過(guò)光導(dǎo)纖維傳格能量，適用于內(nèi)腔加工等特定切合，其能量效率不及CO2氣體激光源最多不超過(guò)3％，目前產(chǎn)品的輸出功率大多在600W以下，最大已達(dá)4kW。另一種紅寶石激光源的波長(zhǎng)更短為0.69μm，穩(wěn)定性好，但能量效率0.1％～0.3％，主要用于打孔和點(diǎn)焊。 

1）光泵是使工作物質(zhì)發(fā)生粒子反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激輻射的激勵(lì)光源，因此光泵的發(fā)射光譜應(yīng)與工作物質(zhì)的吸收光譜相匹配。常用的光泵有脈沖氙燈和氪燈，脈沖氙燈的發(fā)光強(qiáng)度和頻率較高，適用于脈沖工作的團(tuán)體激光器，而氪燈的發(fā)光光譜能與YAG的吸收光譜很好匹配，是YAG連續(xù)激光器的理想光泵。為改善照射的均勻性，光泵可用雙燈、三燈或四燈。 

2）聚光器罩在光泵的外圍，它是把光泵發(fā)生的光有效地、均勻地集中到工作物質(zhì)上。聚光器中常用的是圓柱聚光器和橢圓聚光器，也有球形、橢球和緊包形的聚光器。其要求為聚光均勻、散熱好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、內(nèi)壁反射率高，表面粗糙度Rα0.04μm以下，通常聚光效率達(dá)80％。 
3）諧振腔是光學(xué)反饋元件，它的作用是位光放大介質(zhì)產(chǎn)生光振蕩。其類(lèi)型對(duì)激光輸出能量和發(fā)散角有很大影響，常用的平行平面諧振腔由圖l中反射鏡1與4組成，諧振腔的長(zhǎng)度為激光半波長(zhǎng)的整倍數(shù)，反射鏡平行度＜10"。 
(2) 氣體激光器 常用的工作物質(zhì)有分子激光的二氧化碳（CO2）和離子激光的氬氣（Ar），后者輸出功率為25W，它的10ns級(jí)短脈沖，使熱影響區(qū)小，用于半導(dǎo)體、陶瓷和有機(jī)物的高精度微細(xì)加工。而CO2激光器的功率在連續(xù)方式工作時(shí)可達(dá)45kW，脈沖式可達(dá)5kW，故在加工中應(yīng)用最廣。 
1) CO2氣體激光器的波長(zhǎng)為10.6μm，處于紅外線領(lǐng)域，因而其激光束為不可見(jiàn)光。它是在氦的體積分?jǐn)?shù)約80％，氮的體積分?jǐn)?shù)約15％和CO2的體積分?jǐn)?shù)約5％的混合氣體中進(jìn)行放電形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的分子激光。它的能量效率通常為5％～10%高效裝置甚至可達(dá)10％～15％。

2) 氣體激光的激勵(lì)雖也可用光泵的方法，但大多用直流放電（圖2）或高頻放電的方式。 
3) 諸振腔由放電管兩端的鏡面構(gòu)成，一端是鍍金凹鏡，另一端是鍺或砷化鎵平鏡，它們也兼作密封之用。 
CO2激光器的輸出功率與放電管的長(zhǎng)度成正比，低速軸流式的氣體流速慢，輸出功率小，約50～70W/m，但其輸出功率穩(wěn)定，易得到單模，一般用于百瓦級(jí)激光器。對(duì)于千瓦級(jí)的CO2激光器則采用氣體循環(huán)速度達(dá)100m/s的高速軸流式的激光器或氣流及放電與激光光軸垂直的雙軸直交型以及氣流、放電與激光光軸三者互相垂直的三軸直交型可達(dá)到使激光器小型化。 
2. 聚焦系統(tǒng) 
其作用是把激光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)精確地聚焦至工件上大放具有調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置和觀察顯示的功能。CO2激光器輸出的是紅外線，故要用鍺單晶、砷化鎵等紅外材料制造的光學(xué)透鏡才能通過(guò)。為減少表面反射需鍍?cè)鏊倌ぁ�圖3為應(yīng)用于CO2激光切割機(jī)的透射式聚焦系統(tǒng)。圖中在光束出口處裝有噴吹氧氣、壓縮空氣或惰性氣體N2的噴嘴，用以提高切割速度和切口的平整光潔。工作臺(tái)用抽真空方法使薄板工件能緊貼在臺(tái)面上。

3．電氣系統(tǒng) 
電氣系統(tǒng)包括激光器電源和控制系統(tǒng)兩部分，其作用是供給激光器能量（固體激光器的光泵或CO2激光器的高壓直流電源）和輸出方式（如連續(xù)或脈沖、重復(fù)頻率等）進(jìn)行控制。此外，工件或激光束的移動(dòng)大多采用CNC控制。 
為了實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)位置的自動(dòng)調(diào)整，尤其當(dāng)激光切割的工件表面不平整時(shí)，需采用焦點(diǎn)自動(dòng)跟蹤的控制系統(tǒng)，它通常用電感式或電容式傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)反饋來(lái)控制聚焦點(diǎn)的位置，其控制精度的要求一般為±0.05～0.005mm。 
2．激光加工的合理工作參數(shù) 
1．激光打孔尺寸及其精度的控制 
(1) 孔徑尺寸控制 采用小的發(fā)散角的微光器（0.001～0.003rad），縮短焦距或降低輸出能量可獲得小的孔徑。對(duì)于熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好的材料可實(shí)現(xiàn)孔徑0.01～lmm的微小孔加工，最小孔徑可達(dá)0.00lmm。 
(2) 孔的深度控制 提高激光器輸出能量，采用合理的脈沖寬度（材料的導(dǎo)熱性越好；宜取越短的脈沖寬度），應(yīng)用基模模式（光強(qiáng)呈高斯分布的單模）可獲得大的孔深。對(duì)于孔徑小的深孔宜用激光多次照射，并用短焦距（15～30mm）的物鏡打孔。 
（3）提高激光加工孔的圓度 激光器模式采用基模加工，聚焦透鏡用消球差物鏡，且透鏡光軸與激光束光軸重合，工件適當(dāng)偏離聚焦點(diǎn)以及選擇適當(dāng)?shù)募す饽芰康瓤商岣呒庸�圓度。 
（4）降低打孔的錐度 通常孔的錐度隨其孔深孔徑比增大而增加，采用適當(dāng)?shù)募す廨敵瞿芰炕蛐∧芰慷啻握丈洌�較短的焦距，小的透鏡折射率及減少入射光線與光軸間的夾角等措施可減小孔的錐度。 
（5）硬脆材料激光打孔的實(shí)用參數(shù) 用YAG激光加工機(jī)對(duì)紅寶石和金剛石打孔，當(dāng)孔徑為0.05mm時(shí)，所用的單個(gè)脈沖的激光能量分別為0.05～1J，每秒的脈沖數(shù)約為20個(gè)；加工Si3N4、SiC和Al2O3等陶瓷，當(dāng)孔徑為0.25～l.5mm時(shí),所用單個(gè)脈沖激光能量在5～8J，每秒的脈沖數(shù)為5～10個(gè)，脈沖寬度0.63ms，輔助氣體用空氣或N2。 
2．激光切割的合理工作參數(shù) 
除精細(xì)切割如切割硅片可用YAG固體激光器外，激光切割一般采用CO2以激光器，其工作參數(shù)主要有切割速度、切縫寬度和切割厚度。 
（l）激光切割速度 它隨激光功率和噴氣壓力增大而增加，而隨被切材料厚度增加而降低。切割6mm厚度碳素鋼鋼板的速度達(dá)到2.5m／min，而厚度為12mm的鋼板僅為0.8m/min。切割15.6mm厚的膠合板為4.5m/min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度則達(dá)27m/min。 
（2）切縫寬度 一般在0.5mm左右，它與被切材料性質(zhì)及厚度、激光功率大小、焦距及焦點(diǎn)位置、激光束直徑、噴吹氣體壓力及流量等因素有關(guān)，其影響程度大致與對(duì)打孔直徑的影響相似。切割精度可達(dá)±0.02～0.01mm。 
（3）切割厚度 它主要取決于激光輸出功率。切割碳素鋼時(shí)，1kW級(jí)激光器的極限切割厚度為9mm，1.5kW級(jí)為12mm，2.5kW級(jí)為19mm；2.5kw級(jí)切割不銹鋼的最大切割厚度則為15mm。對(duì)于厚板切割則需配置3kw以上的高功率激光器。 
（4）輔助氣體提高切割效率和切口質(zhì)量 由于金屬表面的激光反射率可高達(dá)的95%，使激光能量不能有效地射入金屬表面。噴吹氧氣或壓績(jī)空氣能促進(jìn)金屬表面氧化，可提高對(duì)激光的吸收率來(lái)提高切割效率。增加吹氧壓力還可使切縫減小，切割石英時(shí)，吹氧可防止再粘結(jié)。切割易燃材料時(shí)，可噴惰性氣體防止燃燒，切割帶有金屬夾層的易燃材料，宜采用伍紹空氣。當(dāng)吹氣壓力未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，增加壓力可增大切割厚度。 
對(duì)于熔點(diǎn)低、分解點(diǎn)低及導(dǎo)熱性差的塑料、纖維、木材、布料等，一般應(yīng)采用長(zhǎng)焦距的鍺透鏡來(lái)聚焦激光束。 
3．激光加工的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 
1．優(yōu)化激光工作參數(shù)。建立加工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù) 
通過(guò)控制激光照射的能量密度和照射時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)型的加工，例如激光打孔和切割等以去陳金屬為目的，利用的是金屬的蒸發(fā)現(xiàn)象，同時(shí)為了保證加工精度，又要求照射時(shí)間能使加工部位快速蒸發(fā)，又能防止加工部位以外的金屬不致因傳熱引起升溫或熔化；激光焊接時(shí)，要求在不致發(fā)生熱變形的短時(shí)間內(nèi)，使焊接部位的溫度盡可能超過(guò)金屬熔化溫度而又不到金屬蒸發(fā)溫度；激光淬火時(shí)，又要求溫度控制在金屬相變點(diǎn)以上，熔點(diǎn)以下的范圍內(nèi)，圖1示出不同加工方法所需的激光能量密度和照射時(shí)間。為了充分發(fā)揮激光加工的優(yōu)點(diǎn)，需針對(duì)不同加工對(duì)象和加工類(lèi)型進(jìn)一步優(yōu)化激光工作參數(shù)，以便能獲得高的效率和加工質(zhì)量。

2．發(fā)展激光多工位分時(shí)綜合加工 
根據(jù)激光加工的特點(diǎn)，利用同一激光源，通過(guò)靈活地控制能量密度和照射時(shí)間，在不同工位上分時(shí)實(shí)現(xiàn)多種方式加工，使一些工件的切割、打孔、刻劃、焊接和表面處理等可在一臺(tái)設(shè)備上集成地進(jìn)行綜合加工。 
3. 研究大功率、高壽命和小型化的微光裝置 
提高激光功率需解決以下一系列問(wèn)題如： 
l）研制適用于大功率激光的光學(xué)器件材料。由于大功率激光束透過(guò)的窗口材料和透鏡等光學(xué)器件時(shí)，它們要承受高壓的擊穿力，并因吸收激光使溫度上升而引起破壞。因此應(yīng)根據(jù)不同的激光波長(zhǎng)研制適用的光學(xué)器件材料。 
2）提高電源的穩(wěn)定性和壽命，對(duì)于CO2氣體激光要解決大功率激光器的放電穩(wěn)定性；對(duì)于YAG固體激光器要研制大容量、長(zhǎng)壽命的光泵激勵(lì)光源，如采用半導(dǎo)體光泵可使能量效率大幅度地增長(zhǎng)。 
3）大功率激光裝置的小型化。同軸型CO2激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益大而均勻，放電穩(wěn)定，為了加大輸出功率需增大長(zhǎng)度，雖可對(duì)激光管采用折疊式和應(yīng)用高速鼓風(fēng)機(jī)來(lái)加速氣流進(jìn)行改善，但功率增大仍受限制。 
雙軸直交型增大了放電截面積，可以采用折疊式射束通道使外型縮小，但需超高速送風(fēng)（50～15Om/s）的鼓風(fēng)機(jī)，并要求反射鏡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防止光損失等。