激光加工技术的发展现状及展望

彭凯 彭玉海 侯红玲

摘 要：激光加工技术的飞速发展，使得其在制造业中的作用越来越重。文章概述国内外对于激光加工技术，尤其是激光切割技术的应用和发展。然激光加工技术的理论体系还不完善，提出试验与模拟手段相结合：用试验的方法来找寻加工过程的变化规律和主要影响因素，建立理论模型，再采用有限元的方法通过加载试件的边界条件对加工过程进行模拟分析。

关键字：激光加工; 模拟分析; 发展展望

激光加工技术与原子能、半导体及计算机并称为20世纪四项重大发明。自21世纪进入光电子时代，作为高能光电子的激光加工技术得到广泛应用，极大地改变了人们的生产和生活。这一技术在我国也得到了迅速的发展，并成为我国新兴产业、改造传统制造业的关键技术之一[1]。

1 激光技术的应用

激光具有高亮度、方向性强、单色性好及相干性强的特性，能适应多种材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度要求和特种材料等方面起着无可替代的作用。激光也被誉为是“万能加工工具”、“未来柔性制造系统（FMS）的共同加工手段”，是当代具有代表性的先进制造技术之一。

1.1 激光焊接

激光焊接热影响区小，热变形可以忽略，焊接的材料不会被氧化，且受损率低，可以焊接尺寸和性质悬殊的材料，及熔点很高和易氧化的材料。例如：在汽车的生产过程中，需要将车身和拼版的坯板焊接在一起，利用单边激光焊接仅需5mm的特点，将点焊改为激光焊接。据统计，使用激光焊接，每辆车就可以节省近40kg的材料。

1.2 激光切割

激光切割是一种应用最广泛且較成熟的激光加工技术，在许多特殊材料中都得到广泛应用，如航天航空工业对复合材料产品的需求量的增加，使得用激光切割复合材料变得越来越重要，用机械切割2.45mm厚的环氧基复合材料，需要手工修整和热封，加工一个零件需要12～14h，而采用数控激光切割仅需5min ， 效率提高150倍。

1.3 激光打标打孔

在加工过程中，采用激光打标，零件无接触，间接的保证了零件的加工精度和表面光滑度，适合一些需要进行表面特殊加工的零件。采用脉冲激光器可进行打孔，脉冲宽度约为0.1～1ms，适用于打微型孔和异形孔。激光打孔已广泛用于表类的宝石轴承、化纤喷丝头、金刚石拉丝模等工件的加工。如钟表的宝石轴承孔直径0.12～0.18mm，深0.6～1.2mm，采用激光打孔，每分钟就可以加工几十个工件，极大地提高了生产效率。

2 激光加工技术的发展

21世纪，随着电子信息等高新技术的发展，市场需求的个性化与多样化，未来先进制造技术将会向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化以及全球化的方向发展。

2.1 国内发展

由于我国激光加工技术起步较晚，基础较差，再加上受到我国设备的限制，无法与国外同行在一个层面上竞争。但是，这些年来，通过校企合作，有效的推动科研成果的发展，同时为国家培养了大批的激光技术人才，使我国的激光产业不断发展扩大。20世纪90年代初，我国在武汉建立了国家级激光加工工程研究中心，北京、上海等地方和部委联合建立激光加工工程研究中心，另外，很多地方政府以及众多科研机构也建立了激光加工研究中心。

目前，我国的激光加工技术得到了飞速发展，但是就总体而言还处于相对比较落后的水平。激光器质量、激光加工工艺、导光系统和精密定位系统等方面的技术还不够先进，这些都是制约我国激光加工技术发展壮大的关键问题。

2.2 国外发展

世界各国都在大力发展光制造技术，如美、日、欧等一些工业发达国家强调“应该在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面”。激光在制造业中所表现的低成本、高效率和巨大的应用潜力，已成为各国之间互相竞争的动力。

美国通过“精密激光机械加工（PLM）协会”来激励新工艺技术的发展，力求使美国工业激光器技术在世界上处于领先的地位;日本将激光切割和激光焊接技术广泛应用于电子、汽车等小件大批量生产;英国 Exitech 公司和德国 Microlas公司先后推出了微结构加工用准分子激光微加工装备。

2.3国内外的最新研究

近年来，随着激光加工技术的发展，对于激光切割的研究工作也取得了巨大成果。

武伟超等，采用脉冲CO2激光器，对2mm厚2A 12 铝合金进行了切割试验，研究热影响区的尺寸和显微组织，热影响尺寸仅为 0.1～0.2mm 左右，同时分析了热影响区对试件单向拉伸性能和疲劳寿命的影响。

葛亚琼等利用高功率脉冲固体Nd：YAG激光对4mm厚的5A06铝合金板材进行切割试验，分析了辅助气体Ar、N2对激光切割质量的影响：辅助气体压力对切缝宽度的影响不明显。B.S.Yilbas等介绍了块参数分析预测切口宽度尺寸方面的研究，他们根据切口宽度百分比的大小变化来制定不同的激光输出功率水平。发现切口宽度尺寸实验数据和预测结果基本相符合，尤其当激光输出功率≤350W时其影响更明显。

王永军等为确定激光切割工艺对TC4钛合金板材疲劳性能的影响，进行激光切割试验，结果表明：激光切割TC4钛合金的切缝表面存在大量熔融金属凝固后形成的沟槽和微观裂纹，激光切割产生的热影响区构成了疲劳源区，导致激光切割试件的疲劳寿命大幅下降。

3结束语

激光加工技术在不断地发展，然而我国与国际水平的差距却是有所增大，高端的激光加工设备几乎全部依赖进口。虽说国内外对激光加工技术的研究已经取得了巨大成就，但是由于其过程的复杂性和多样性，使得激光加工技术还没有形成较为成熟的理论和体系。目前，激光加工的有限元模拟并未取得重大进展，也没有任何一个软件将激光加工包容在内。

激光加工技术理论的完善需要试验与模拟手段的结合：通过试验的方法来获取数据，并从中找寻加工过程的变化规律和主要影响因素，再采用有限元的方法通过加载试件的边界条件对加工过程进行模拟分析。模拟与试验手段的结合发展，不但可以节省试验经费和时间，还可以达到相互印证的目的。而在计算机上对激光加工过程的模拟受到边界条件的设定、瞬时高温的加载及实际加工的情况等因素的影响，让模拟的过程变得复杂而艰难。在未来制造业中，激光加工技术是一种不可或缺的加工手段，因此我们的研究工作不能松懈。

参考文献：

[1] 孙会来等.激光加工技术应用及发展趋势[A].第十届全国机床学术会议[C].2002（12）：87.

项目基金：陕西省教育厅2014年科学研究计划项目“铝合金激光切割性能研究（14JK1147）”