激光强化、修复技术2（共5篇）

第一篇：激光强化、修复技术2

修复的重要意义：金属工模具的失效事实上均因其表层局部材料磨损等原因而报废，而且金属工模具的加工周期很长、加工费用极高（尤其是精密复杂模具或大型模具制造加工费高达数十万元乃至数百万元）。因此，对金属工模具真正承受磨损作用的特定部位进行表面强化（“用劲用在点子上”），以大幅度延长、提高工模具的使用寿命，无疑是一种具有重要经济意义的方法。另外，大多数工模具只因表面很薄一层材料被磨损后即失效报废，因此，只须对模具及关键金属零部件表面磨损局部区域进行修复，并在修复过程中把模具表面真正实际承受磨损的表面“换成”特殊高耐磨材料（“好钢用在刀刃上”），就可“变废为宝”，不仅使模具得到修复，而且由于修复后的新模具表面“刃口部位”使用了特殊高耐磨材料，修复后的模具的使用寿命还将较原模具大幅度提高，经济效益巨大（例如：修复一根电厂电机大型轴包括各种准备时间在内也仅需数天时间，但可创造上百万元的经济效益）。

模具工作面金属医生/激光强化处理技术及装备

可对金属工件出现磨损、划伤、针孔、裂纹、缺损变形、硬度降低、沙眼、损伤等缺陷进行沉积、封孔、补平等修复功能。还可在金属表面形成耐磨层、耐蚀层、耐热层、耐氧化层、耐冲击层、防滑层、高粘合层、可焊层、导电层等强化作用。这样就决定了本设备应用的广泛性和先进性。成为各行各业必备的设备。

1、模具制造行业

塑料模表面的打毛，增加美感和使用寿命；头盔塑料模具分型面堆焊修复；铝合金压铸模具分流锥表面强化；模具腔超差、磨损、划伤等修复与强化。

2、塑料橡胶工业

橡塑机械零部件修复，橡胶、塑料件用的模具超差、磨损与修补。

3、航空、航天业

飞机发动机零部件、涡轮、涡轮轴修复或修补，火箭喷嘴表面强化修理，飞机外板部件修复，人造卫星外壳强化或修复，钛合金件的局部渗碳强化，铁基高温合金件的局部渗碳强化，镁合金的表面渗A1等防腐蚀涂层，镁合金件局部缺陷堆焊修补，镍基/钴基高温合金叶片工件局部堆焊修复，如：叶片叶冠阻尼面与叶尖的磨损和导叶的烧蚀等。

4、汽车与机车的制造与维修行业

汽车制造和维修工业中，用于凸轮、曲轴、活塞、汽缸、离合器、摩擦片、排气阀等补差和修复，汽车体的表面焊道缺陷补平修正。

5、船舶、电力行业

电曲轴、轴套、轴瓦、电气元件、电阻器等修复，电气铁路机车轮与底线轨道连接片的焊接，电镀厂导.电辊、金属氧化处理铜铝电极的制作焊接。

6、机械工业

修正超差工件和修复机床导轨、各种轴、凸轮、水压机、油压机柱塞、气缸壁、轴颈、轧辊、齿轮、皮带轮、弹簧成形用的芯轴、塞规、环规、各类辊、杆、柱、锁、轴承等。

7、铸造工业

铁、铜、铝铸件砂眼气孔等缺陷的修补，铝模型磨损修复。

8、化学工业

反应器搅拌轴及浆可焊上耐磨耐蚀层。用此方法可加工泵柱塞、泵叶轮、泵壳体、密封环、轴套、阀门密封面、阀杆、阀芯、风机叶片、压缩机十字头、耐酸泵柱塞叶轮、套筒及环状零件等。

9、金属、动力、冶金、煤炭工业

送风机零件、翻斗车零件、分粒过滤网、各种冲磨及冲头、煤炭运输丝杆、传送零件、蒸汽阀、重载荷轴承以及轧辊的表面强化、管材生产线V形传辊的表面强化、线材生产线导卫锟的表面强化、轧辊的表面毛化处理、轧辊表压挤伤沟（坑）的在线修复、轧辊颈轴磨损的修复、钼顶头的表面强化、燃烧机、加热机、退火罐、排气管道、冶金炉风嘴、铸磨等修复。

10、水泥工业

水泥干燥设备、鼓风机叶片、传送零部件、齿轮轴、滚炉拖轮、各类轴承、轴套等强化或修复。

11、建筑业

建筑机械零部件、水泥搅拌浆、砖成型机的桥与心轴强化等修复

12、造纸工业

造纸烘缸、压辊、轴颈、齿轮轴、皮带轮等修复。

13、印刷工业

印刷机油墨滚筒、印刷辊轮表面强化与修复

14、食品工业

食品机械零部件的维修，食品模具修补是最佳的方法。若用其他焊接修补会烧伤模具。

15、印染工业

印染机械零部件的修复，特别是对印染设备修复与防腐，更有它的特色。

16、其它行业 兵器工业

在电力、石油、冶金、汽车等许多工业部门及兵器工业中，材料表面的耐烧蚀涂层的研究越来越受到人们的重视。如大口径火炮的内膛表面，在射击时遭受火药爆炸产生的高温气体的强烈烧蚀，是影响炮管使用寿命的一个重要因素，通常比磨损或疲劳破坏严重得多。

长期以来，炮管镀铬作为一种防烧蚀的方法在国内外广泛应用，但镀铬层往往存在许多固有裂纹，而且很脆，加之镀铬层的显微组织为沿镀铬层厚度方向生长的柱状晶，其耐蚀性能较差，容易脱落。采用电火花表面合金化的方法获得的耐烧蚀涂层与镀铬涂层和未处理的基材相比，基材３次烧蚀循环就严重氧化脱落一层氧化皮；镀铬层处理后烧蚀２次循环时产生明显宏观裂纹并开始剥落，至２７次循环时，镀铬层几乎全部脱落；而电火花强化层至３０次烧蚀循环后，仅表面颜色变暗，涂层厚度无明显减薄，更无裂纹和剥落现象。这表明电火花表面合金化是获得耐烧蚀涂层的好办法。航空工业中的应用

•如今我们采用金属医生技术对多种航空航天、汽车、电机等上使用的铝合金部件的疏松、气孔和表面裂纹等缺陷进行了修复。经过装机使用，效果非常好。

•铝合金表面修复

铝及其合金表面自然形成一层强韧性的氧化膜，由此造成在实际焊接过程中很难防止暴露区域的氧化行为。电阻点焊焊接铝合金也是非常困难的，尽管该技术可以实现铝合金的焊接，因为表面氧化膜的存在导致表面电阻发生变化[12]。与铁不同，铝只有一种同素异形体，这样在冷却时就无相转变发生而造成显微结构的变化。铝合金强化的方式主要有变形强化、固溶强化和析出强化。常规焊接方法一般会在焊接时由于热输入的热量会恶化变形强化或析出强化的铝合金。

•弧焊和点焊是铝合金焊接中较常采用的焊接技术。最近由于激光技术的迅速发展，激光焊接技术得到迅猛的发展并在铝合金的焊接上的应用越来越广泛。然后，由于铝合金种类的不同而存在不同的问题。如，有研究表明在焊接AA6xxx系列铝合金由于存在较大的凝固温度区间而极易形成诸如裂纹等缺陷，在焊接AA5083时由于Mg含量在3~6%之间极易形成疏松缺陷。以上缺点的存在，导致铝合金的激光焊接比较于钢铁材料的焊接而言要复杂得多。

•而且，氧与铝之间的高活性会导致铝合金产品在铸造过程中极易发生疏松和气孔等缺陷，如图1为某型号发动机铸造件表面上形成的缩孔，图2为ZL104铝合金中形成的疏松缺陷。疏松和气孔的存在会严重降低制件的服役性能，甚至造成事故。但由于这些铝合金制件多为薄壁件且一般已经加工成成品，常规的焊补手段很难做到对基材不产生热损伤。而金属医生技术却可以很好的解决这一问题。?如今我们采用金属医生技术对多种航空航天、汽车、电机等上使用的铝合金部件的疏松、气孔和表面裂纹等缺陷进行了修复。经过装机使用，效果非常好。图3为我们在某航空发动机部件上使用金属医生技术进行修复后的截面图。

图1 航空发动机上铸造Al合金表面的气孔缺陷

图2 ZL104合金上形成的疏松

图3 Al-Si合金表面的HEMAA涂层

钛合金的表面渗碳和修复

•钛及其合金由于其突出的综合性能而广泛应用于航空航天、化学、汽车制造以及核工业领域。但钛合金由于不耐磨，因此需要进行表面渗碳处理以提高其表面耐磨性。

常规渗碳方法有电镀、渗碳炉渗碳、放电加工、ＰＶＤ、ＣＶＤ等方法，但这些方法均没有易加工、处理温度低、可高速以及大面积处理等优点。采用电火花渗碳形成渗碳层，其渗层深约５μｍ，经电子探针和Ｘ射线分析确认是碳向钛基体梯度渗入生成的ＴｉＣ层。该方法属于扩散处理的一种，得到的硬化层与涂层处理得到的硬质层不同，具有与一般的梯度膜同样良好的致密性，硬度为Ｈｖ２２００ 基材约为Ｈｖ２００。经摩擦实验发现，电火花加工处理可降低钛的摩擦系数，提高耐磨性。另外，经处理的表面耐盐水和硫酸的腐蚀性能也优于纯钛。•另外，我们还对飞机的钛合金防冰壳体、铁基高温合金以及镁合金零部件进行了电火花强化处理。•表面渗碳

•钛合金在制作成转动部件后进行应用非常具有吸引力，如汽车的阀门、化工用的泵阀以及飞机使用的部件。然而钛合金的耐磨性非常差，因为它在运动过程中极易发生粘着磨损。

钛及钛合金的渗碳可以在非氧化性气氛的环境下实现。根据Ti-C相图可以发现，Ti-C相图有别于Ti-O相图与Ti-N相图，C在Ti中的固溶度非常小。TiC化合物的厚度一般在1～10μm。但一旦TiC形成后，再形成更深的渗碳层就非常不容易。渗碳温度一般在1050℃的温度下进行，同时需要有渗碳介质存在才能完成渗碳过程。

图4为Ti-C相图。其中γ相为TiC1-x，此处x在一定范围内变化。

传统的渗碳处理工艺是不能完成对指定区域的渗碳。而金属医生恰好可以实现在常温下对指定区域的渗碳。

•钛合金表面的渗碳实验采用碳棒作电极，钛合金作为基体材料。图5为渗碳结束后得到的硬度分布曲线，表层的显微硬度可以到达Hv1500，由表及里存在梯度逐渐降低到基材的位置。在合金化过程中将发生如下化学反应过程：

C+α―Ti→αTi(C)(1)C+Ti→TiC(2)

如今该工艺已经成功的应用到化工厂阀门表面的渗碳和某型号飞机用钛合金部件的表面强化处理上。图6即为我们对某化工厂阀门表面进行渗碳处理的实物图，图7中黑色区域即为渗碳强化处理区域。

图4Ti-C相图图5 TC4钛合金表面渗碳层的显微硬度

图6 采用金属医生进行合金化渗碳处理的阀门（黑色区域为处理部位）

钛合金的修复

航空航天部件上使用的钛合金基本上是采用热处理强化的高强度钛合金进行制造的。这些部件由于在操作运转、腐蚀、磨擦等工况的作用发生磨损和损伤。然而，每年均有大量昂贵的鱼雷、药筒以及刮伤的钛合金部件由于摩擦而表面形成缺陷需要修复。同时有一部分钛合金存在铸造缺陷需要进行修复。一部分钛合金部件可以采用传统的焊接技术进行修复。由于传统的焊接方法会对基材产生大量的热损伤，而且这种热损伤常常是有害的，会造成部件的变形、腐蚀敏感性增强、热影响区的强度下降、吸氢/氮/氧等后果。而且，一些高强钛合金如武器或飞机发动机上使用的Ti-6A-2Sn-4Zr-6Mo合金、被认为是不可焊合金。基于以上原因，这些部件的修复一般不考虑采用常规的焊接技术进行修复的办法。图7为由于磨损和龟裂造成的缺陷。图8为在Ti6Al4V基材上进行金属医生后得金相照片。

图7磨损与减尺后的Ti6Al4V-涡轮销轴

图8在Ti6Al4V表面上制备出的金属医生涂层

电厂中的应用

•金属医生是一种微脉冲焊接技术，它利用电路短路产生的高脉冲电流，瞬间将电极材料的尖端熔化，从而在微小的局部区域进行小面积的增厚。由于放电局限于电极的尖端和工件表面上的微小区域，使得该工艺的热输入量非常小，不会造成对基材组织的影响，或者对基材的组织影响非常小。金属医生在难修复或难于制备涂层的材料上，尤其是在热影响区的影响不得不考虑的场合，显示出无可比拟 的优越性。金属医生不需要进行前/后热处理。因此，该技术在修复大型、高附加值、难拆卸的设备部件上的应用价值越来越明显。由于不见在尺寸恢复/强化时处于环境温度，从而避免产生热变形和热应力等问题。本文主要介绍使用金属医生技术在电站汽轮机、核电站、水利部门、航空航天上由于腐蚀而造成的部件的损伤失效的性能恢复与强化上的典型应用。

•山东某电厂蒸汽轮机壳体密封面采用电火花修复技术进行了修复，取得了良好的经济效益。该厂１０万千瓦发电机组蒸汽机转速为 10000r/min，工作压力为 1.47MPa。由于铸铁壳体密封面因高压蒸汽冲蚀泄露，末级排气部位高压蒸汽（686 ～ 784kPa）串入压力为-89.6kPa 的真空密封带。采用电火花设备成功修复了严重冲蚀的铸铁密封面，保证了设备的正常运行。

汽轮机类部件激光/金属医生修复

激光再制造技术在钢铁冶金行业中的应用

•钢铁冶金行业是国家的基础行业，同时属于国家的重工业，且其设备繁杂、种类多、吨位重。由于摩擦、磨损等各种原因的存在，要维持设备的正常运转，每年

将消耗大量的备品备件。据统计，2003年济南钢铁股份公司达到年产量334万t钢的规模，而公司每年用于设备修理的备品备件制造费用就高达1.2亿元，备品备件修旧利废数量达150t以上，创经济效益2000万元左右。因此，减少备品备件的消耗和对已使用设备的再制造修复对降低生产成本，提高企业的经济效益具有积极的促进作用，且降低成本的空间很大。其中激光再制造技术对做好备品备件的修理、修复工作，对企业节能降耗具有非常现实的意义。激光再制造技术的主要种类 1.激光淬火

激光淬火技术是利用聚焦后的激光束入射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使受热表层快速冷却到马氏体相变点以下，进而实现工件的表面相变硬化。如大型轧辊表面激光熔凝淬火的最大淬硬层深度可以达到2毫米以上。② 激光熔覆与合金化

激光熔覆技术是采用激光束在选定工件表面熔覆一层特殊性能的材料, 以改善工件表面性能的工艺。对于冶金行业轧辊、导位、输送辊、夹送辊、剪刃等大量易损件来说，激光熔覆与合金化技术的最大好处是将轧辊的整体合金化变成表面合金化或者熔覆，使轧辊等易损件的使用寿命大幅度提高的同时，生产成本增加有限。显然，合金粉末的设计、选择与使用正确与否是该项技术能否成功的关键。③激光焊接

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。其原理是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中。如目前我国钢铁行业处于主导地位的典型冷轧工艺路线是：转炉冶炼－炉外精炼－初轧开坯－热连轧－酸洗－冷轧－退火－平整－镀锌（锡）－成产品。在此典型的冷轧工艺中，带材焊接设备必不可少。在运行过程中，先行钢带与后行钢带必需进行焊接，才能保证生产线的连续作业。硅钢板带在线运行时，需经多次“S”型弯曲变形和承受一定的运行张力，从而对焊缝的性能和质量有很高要求。激光再制造技术在钢铁冶金行业中的应用

1、轧辊的修复与强化

冶金行业生产设备大部分是在高(交变)应力、高热应力的恶劣环境下工作，如连铸辊、校直辊、槽型辊、半钢辊、铸管模、热(冷)轧工作辊、高炉溜槽、料钟等。在这些设备中，各种轧辊无疑是其中最关键的设备零件，其消耗量大，价格昂贵，寿命长短不仅与产品成本密切相关，而且直接决定钢铁制品的质量，尤其是表面质量和板型。采用激光堆焊修复各种轧辊，其中以小型轧辊和局部修复更为擅长。性能如能新件。

激光淬火技术可对各种导轨、大型齿轮、轴颈、汽缸内壁、模具、减振器、摩擦轮、轧辊、滚轮零件进行表面强化。

激光毛化汽车板由于涂漆后反射映像光泽度高，在国外被称为“镜面钢板”，它是生产高级轿车面板的优质板材。因此，激光毛化冷轧薄板（带）是汽车、家电、电子和轻工业生产需求的重要原材料。

2、各种轴类零件磨损、抱瓦、裂纹的修复

各种轴类零件经激光堆焊处理后堆焊层无粗大的铸造组织，堆焊层及界面组织细

密，晶粒细化，无孔、砂眼、夹杂、裂纹等缺陷，性能如同新件。

3、冶金行业中的各种高附加值的大、中、小型齿轮类零件的修复与强化

激光堆焊技术可使各种高附加值的大、中、小型齿轮类零件性能得到恢复。验收指标仍按原制造标准进行。

4、高压高速风机叶片的修复

叶片因其工作环境较为恶劣，叶轮叶片进风口部位易严重腐蚀与磨损，一般使用3 000～4 000 h即因叶轮叶片腐蚀与磨损失去平衡而报废。采用激光堆焊技术可以使修复层与原基材为冶金结合，硬度达到HRC55左右。服役性能如同新件。激光再制造技术的成本分析

激光加工最大的成本在于设备的一次性投资比较昂贵，一旦设备投入之后，在不考虑设备投入成本的前提下，运行成本比较低。由于钢铁冶金设备中的轧辊、轴类零件、叶片以及齿轮等都是高附加值的零件，激光加工的费用均在原值的25%以下。而且激光加工的周期短，可以大大节约维修的时间，从而保证了及时生产，并且性能如同新件。

高附加值铸件、特种零件、泵阀等部件表面缺陷的无损修复。关键件的失效分析与诊断。

轴头的激光堆焊修复

液压件的激光粉末熔敷强化

第二篇：激光通信技术2

通信设施是人类社会，尤其是现代社会必不可少的。由于电磁通信技术容量小、保密性差、越来越不能满足社会发展的需要。激光发明后，结合另一发明光导纤维，光通讯思想重获新生并取得了令人瞩目的成果。

作为信号传输的光纤通信首先于20世纪70年代由于低损耗光纤的诞生开始获得广泛应用，三十年来已成为现代通信技术领域里的一大重要支柱。至今已成功铺设横跨大西洋和太平洋的光缆，其中跨越大西洋的TAT—8光缆总容量达3．2万多个双向话路。1989年日本利用新型光信号放大器首创900千米光纤通信成功，达到使用长距离通信的要求，从此，光纤长途通信得到飞速发展，并形成全球性的产业。光纤已经成为通信网的重要传输媒介，现在世界上大约有85％的通信业务经光纤传输。美、日、英、法等8国已宣布，今后铺设长途通信干线不再使用电缆而改用光缆。

我国光纤通信开发起步于1972年，1976年研制出低损耗的多模光纤，1978年首先在上海两个市话分局之间铺设一条1.8千米可传送120路电话的光缆，继而在全国各地积极建设光纤通路。目前，中国最长的一条大容量光缆干线通信工程在京、津、济、宁之间建成，这条干线全长1484千米，可容纳12000条话路，并实现与沪宁和东南沿海光缆通信工程连接，大大改善中国沿海地区的通信条件。

激光通信技术将激光与电子很好地结合在一起，与以往的通信技术相比，具有四个显著的特点。

①通信容量大。通信容量的大小，通常指一对电线(或电缆)上能通多少路电话。激光可用的频率范围为1×107—1×109兆赫，比微波频率高10万—100万倍，一束激光可容纳100亿路电话。如果全球人口按60亿计算，则全世界的人同时利用一束激光通信还绰绰有余。

②通信质量高。且F指抗干扰性强，信噪比高，失真度小。激光通信能有效地满足这些要求：通电话，声音清晰；传输数据，准确无误；传递图像，色彩逼真。

③保密性好。由于激光几乎是一束平行而准直的细线，在空间传播时发散角极小，加之用以传输信息的激光大多是不可见的红外光，所以想截获激光非常困难。

④原料足，价格低。制造光纤的原料，是地球上取之不尽的石英，只要几克石英就能制出一公里长的光纤。因而用光纤代替普通金属导线可以节约大量宝贵的有色金属铜和铝。由于光导纤维的传输损耗低，因此中继站距离长。一般同轴电缆，每隔3千米就要设一个中继站，而光纤通信的中继站，距离可超出30千米，这就意味着采用光纤通信的投资可以大大降低。

第三篇：激光加工技术

激光加工技术

一、技术概述

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究范围一般可分为：

1．激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。

2．激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。

二、现状及国内外发展趋势

作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。

激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据1997~1998年的最新激光市场评述和预测，1997年全世界总激光器市场销售额达32.2亿美元，比1996年增长14％，其中材料加工为8.29亿美元，医疗应用3亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增长19％，可达到38.2亿美元。其中占第一位的材料加工预计超过10亿美元，医用激光器是国外第二大应用。

激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70％和20％，表面处理则不到10％。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50％）和切割（15％）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了70~80％。我国激光加工中以切割为主的占10％，其中98％以上的CO2激光器，功率在1.5kW~2kW范围内，而以热处理为主的约占15％，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。

在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。

到了80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。

目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达30~50kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。

目前激光加工技术研究开发的重点可归纳为：

－－新一代工业激光器研究，目前处在技术上的更新时期，其标志是二极管泵浦全固态激光器的发展及应用；

－－精细激光加工，在激光加工应用统计中微细加工1996年只占6％，1997年翻了一倍达12％，1998年已增加到19％；

－－加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已成为必然的发展趋势。

激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20％的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90％以上。

存在的主要问题：

－－科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段；

－－激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差。国外不仅二级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中，而且二级管激光器也被应用，而我国二极管泵浦的全固态激光器还处在刚开始研究开发阶段。

－－对加工技术的研究少，尤其对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少。

－－激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。

三、“十五”目标及主要研究内容

1．目标

“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值20％的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。

2．主要研究内容

（1）激光加工用大功率CO2和固体激光器及准分子激光器的引进机型研究，提高国产机水平；同时开发和研制专用配套的激光加工机床，提高激光器产品在生产线上稳定运行的周期，力争在国内建立较全面的加工用激光器的生产基地。

（2）建立激光加工设备参数的检测手段，并进行方法研究。

（3）激光切割技术研究。对现有的激光切割系统进行二次开发和产业化，提供性能好、价格便宜的2－3轴数控CO2切割机，并开展相应的切割工艺的研究，使该工艺广泛用于材料加工、汽车、航天及造船等领域。为此应着重在激光器外围装置，如：导光系统、过程监测和控制、喷咀、浮动装置的设计和研制以及CAD／CAM等方面开展工作。

（4）激光焊接技术研究。开展激光焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究，从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺。

（5）激光表面处理技术研究。开展维CAD／CAM技术、激光表面处理工艺、材料性能及激光表面处理工艺参数监测和控制研究，使激光表面处理工艺能较大幅度的应用于生产。

（6）激光加工光束质量及加工外围装置研究。研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术，光学系统及加工头设计和研制。

（7）择优支持2~3个国家级加工技术研究中心，开展激光加工工艺技术研究，重点是材料表面改性和热处理方面的研究和推广应用；开展激光快速成形技术的应用研究，拓宽激光应用领域。

第四篇：激光切割技术

激光切割技术

1.激光切割技术基本概念

激光切割是利用高能量密度的激光束作为“切割工具”对材料进行热切割的一种材料加工方式，是激光加工行业中最重要的一项应用技术。1971年用CO2激光切割包装用夹板，首次开辟了激光切割在工业领域中的应用。随着激光切割设备的不断更新和切割工艺的日益先进，激光切割技术可实现各种金属，非金属板材及众多复杂零件的切割，在汽车工业，航空航天，国防等领域获得了广泛应用。

2.激光切割技术基本原理和分类

2.1 激光切割技术基本原理

在激光束能量作用下，材料表面被迅速加热到几千至上万度而熔化或气化，随着气化物逸出和熔融物体被辅助高压气体吹走，达到切割材料的目的。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料。

2.2激光切割技术的分类

激光切割可分为：激光气化切割，激光熔化切割，激光氧化切割和激光划片与控制断裂四类。

（1）激光气化切割：利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始气化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的气化热很大，所以激光气化切割时需要很大的功率和功率密度。激光气化切割多用于极薄金属材料和非金属材料的切割。

（2）激光熔化切割：激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴吹非氧化性气体，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全气化，所需能量只有气化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢，钛，铝及其合金等。

（3）激光氧化切割：原理类似于氧-乙炔切割。是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体与切割金属发生作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧化切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光气化切割和熔化切割。激光氧化切割主要用于碳钢，钛钢以及热处理等易氧化的金属材料。

(4)激光划片与断裂控制：激光划片是利用高能量密度的激光束在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。断裂控制是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。

3.激光切割的工艺特点和应用范围

3.1 激光切割工艺特点

（1）切割质量好，精细

由于激光光斑小，激光切割切口细窄，切割表面光洁，热影响区宽度很小，变形小，切割零件的尺寸精度可达±0.05mm，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序。

（2）切割效率高

由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有数控工作台，整个切割过程可全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三位切割。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节省了上，下料的时间。

（3）非接触式切割

激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换“刀具”，只需要改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。

（4）切割材料的种类多

激光切割材料包括金属，非金属，金属基和非金属基复合材料，皮革，木材及纤维等。对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。

（5）缺点：激光切割由于受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中、小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。

3.2 激光切割的应用

在材料方面受激光器功率和设备体积的限制，激光切割只能切割中，小厚度的板材和管材，而且随着工件厚度的增加，切割速度明显下降。激光切割设备费用高，一次性投资大。大多数激光切割机都由数控程序进行控制操作或做成切割机器人。激光切割作为一种精密的加工方法，几乎可以切割所有的材料，包括薄金属板的二维切割或三维切割。

在汽车制造领域，小汽车顶窗等空间曲线的切割技术都已经获得广泛应用。德国大众汽车公司用功率为500W的激光器切割形状复杂的车身薄板及各种曲面件。在航空航天领域，激光切割技术主要用于特种航空材料的切割，如钛合金、铝合金、镍合金、铬合金、不锈钢、氧化铍、复合材料、塑料、陶瓷及石英等。用激光切割加工的航空航天零部件有发动机火焰筒、钛合金薄壁机匣、飞机框架、钛合金蒙皮、机翼长桁、尾翼壁板、直升机主旋翼、航天飞机陶瓷隔热瓦等。

激光切割成形技术在非金属材料领域也有着较为广泛的应用。不仅可以切割硬度高、脆性大的材料，如氮化硅、陶瓷、石英等；还能切割加工柔性材料，如布料、纸张、塑料板、橡胶等，如用激光进行服装剪裁，可节约衣料10%～12%，提高功效3倍以上。

适合采用CO2激光切割的产品大体上可归纳为三类：

第一类：从技术经济角度不宜制造模具的金属钣金件，特别是轮廓形状复杂，批量不大,一般厚度；12mm的低碳钢、；6mm厚的不锈钢，以节省制造模具的成本与周期。已采用的典型产品有：自动电梯结构件、升降电梯面板、机床及粮食机械外罩、各种电气柜、开关柜、纺织机械零件、工程机械结构件、大电机硅钢片等。

第二类：装饰、广告、服务行业用的不锈钢（一般厚度3mm）或非金属材料（一般厚度20mm）的图案、标记、字体等。如艺术照相册的图案，公司、单位、宾馆、商场的标记，车站、码头、公共场所的中英文字体。

第三类：要求均匀切缝的特殊零件。最广泛应用的典型零件是包装印刷行业用的模切版，它要求在20mm厚的木模板上切出缝宽为0.7~0.8mm的槽，然后在槽中镶嵌刀片。使用时装在模切机上，切下各种已印刷好图形的包装盒。国内近几年来应用的一个新领域是石油筛缝管。为了挡住泥沙进入抽油泵，在壁厚为6~9mm的合金钢管上切出0.3mm宽的均匀切缝，起割穿孔处小孔直径不能大于0.3mm，切割技术难度大，已有不少单位投入生产。

4.激光切割工艺参数与质量评定

4.1激光切割工艺参数

（1）光束横模

① 基模 又称为高斯模，是切割最理想的模式，主要出现在功率小于1kw的激光器。② 低阶模 与基模比较接近，主要出现在1-2kw的中功率激光器。③ 多模 是高阶模的混合，出现在功率大与3kw的激光器（2）激光功率

激光切割所需要的激光功率主要取决于切割类型以及被切割材料的性质。气化切割所需要的激光功率最大，熔化切割次之，氧气切割最小。激光功率对切割厚度、切割速度和切口宽度等有很大影响。一般激光功率增大，所能切割材料的厚度也增加，切割速度加快，切口宽度也有所加大。

（3）焦点位置

离焦量对切口宽度和切割深度影响较大。一般选择焦点位于材料表面下方约1/3板厚处，切割深度最大，切口宽度最小。

（4）焦点深度

切割较厚板时，应采用焦点深度大的光束，以获得垂直度较好的切割面。但焦点深度大，光斑直径也增大，功率密度随之减小，使切割速度降低。若要保持一定的切割速度，则需要增大激光的功率；切割薄板宜采用较小的焦点深度，这样光斑直径小，功率密度高，切割速度加快。

（5）切割速度

切割速度直接影响切口宽度和切口表面粗糙度。对于不同材料的板厚，不同的切割气体压力，切割速度有一个最佳值，这个最佳值约为最大切割速度的80%。

（6）辅助气体的种类和压力

切割低碳钢较多采用氧气作辅助气体，以利用铁-氧燃烧反应热促进切割过程，而且切割速度快，切口质量好，可以获得无挂渣的切口。切割不锈钢时，常采用O2+N2混合气体或双层气流，单用氧气在切口底边会发生挂渣。气体压力增大，动量增加，排渣能力增强，因此可以使无挂渣的切割速度增加。

氧气纯度对切割速度有一定的影响，研究表明，氧气纯度降低2%，切割速度就会降低50%。

喷嘴形状也影响激光切割质量和效率。不同切割机采用不同形状的喷嘴。

4.2激光切割质量评定

与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。首先，与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。一般来说，激光切割质量可以由以下6个标准来衡量。（1）切割表面粗糙度RZ（2）切口挂渣尺寸（3）切边垂直度和斜度u（4）切割边缘圆角尺寸r（5）条纹后拖量n（6）平面度F 5.激光切割设备

激光切割设备与焊接设备基本类似，区别是焊接需要使用激光焊枪，而切割使用激光割炬。激光切割大都采用CO2激光切割设备，主要由激光器、导光系统、数控运动系统、割炬及抽烟系统组成。

激光器由激光电源提供高压电源，产生的激光经反射镜、导光系统把激光导向切割工件所需要的方向；数控运动系统主要用于调节割炬的移动方向，割炬与工件间的相对移动有三种情况。

① 割炬不动，工件通过工作台运动，主要用于尺寸较小的工件。② 工件不动割炬移动 ③ 割炬和工作台同时运动。

割炬主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件。激光切割时，割炬必须满足下列要求。

④ 能够喷射出足够的气流。

⑤ 割炬内气体的喷射方向必须和反射镜的光轴同轴。⑥ 割炬的焦距能够方便调节。

⑦ 切割时，保证金属蒸汽和切割金属的飞溅不会损伤反射镜。

激光切割时，要求激光器输出的光束经聚焦后的光斑直径最小，功率密度最高。喷嘴用于向切割区喷射辅助气体，其结构形状对切割效率和质量有一定影响。喷孔的形状有圆柱形、锥形、和缩放形等。一般根据切割工件的材质、厚度、辅助气体压力等经试验后确定。

6.激光切割的应用实例

6.1布料激光切割

制衣行业中使用的服装布料激光切割机打破了传统手工和电剪速度慢和难以排版,充分解决了效率达不到和浪费材料的难题.速度快，操作简单，只需把所要裁剪的图形及尺寸输入到电脑，机械就会把整张的材料裁剪成您所需要的成品，不用刀具、不需要模具，利用激光实现非接触式加工，简便快速。布料激光切割机与传统的切割方式相比不仅价格低,消耗低.操作更方便，效果更好，并且因为激光加工对工件没有机械压力,所以切割出来产品的效果,精度以及切割速度都非常良好.并且还具有操作安全,维修简单等特点.可连续24小时工作。

用于皮革、箱包企业及皮鞋、鞋材生产企业的激光切割雕刻机, 集切割、雕刻和镂空于一身，适用各种皮革料的加工：高档鞋材、皮包、皮衣切割特殊形状，无毛边，尺寸标准，误差小（±0.1mm），效果柔软，无高周波或刀模切压的生硬感。另可于皮革上刻画特别效果或图案，使成品更显精细及别具创意。

6.2激光切割在饰品中的应用

饰品加工是一门对比特殊的职业，由于主要是针对一些稀有的贵金属的加工改造，所以对加工改造的设备要求十分的高。可是这对小型激光切开机来说，确是一个十分好的机会，它极好的处理了加工饰品中的一些难题，并且受到了各个厂家的热捧。

运用小型激光切割机加工饰品在不需开模的情况下，就可以直接加工出想要的商品，并且精度十分的高，加工时刻只需要短短的几分钟就可以。不仅缩短了加工时刻，还降低了成本。

6.3激光切割在眼镜行业中的应用

以往眼镜行业主要利用模具做镜框，不同样式需要做不同模具，所需成本高，效率低。直到激光切割机投入后，开发新的款式只需在软件上呈现，速度快、精度大，特别适合小量、多款式的生产模式。甚至可以做到一台光纤激光切割机能够快速加工出了不同款式的眼框，为个性定制眼镜解决后顾之忧。

除此之外，激光切割机能够在板材上任意的设计图形，速度快，精度高，一次成型，无需后续处理，比传统切割设备快十几倍，极大的提高加工效率，可视排料，紧密贴合，节省材料。先进的工艺可提高眼镜厂家的新产品开发速度，能够快速收回设备投资成本。眼镜专用激光切割机能在板材上切割任意的设计图形，速度快，精度高，一次成型，无需后续处理，比线切割快十几倍，极大的提高加工效率，可视排料，紧密贴合，节省材料。先进的工艺可提高贵公司的新产品开发速度，最快为您收回设备投资成本。一机多用，既能满足客户对平板的切割要求，也能满足管圆及异形材料（方钢、扁铁、槽钢、方管）的切割。

6.4激光雕刻

使用激光雕刻和切割，过程非常简单，如同使用电脑和打印机在纸张上打印。您可以在Win98/Win2000/WinXP环境下利用多种图形处理软件，如CorelDraw等进行设计，扫描的图形，矢量化的图文及多种CAD文件都可轻松地“打印”到雕刻机中。唯一的不同之处是，打印将墨粉涂到纸张上，而激光雕刻是将激光射到木制品、压克力、塑料板、金属板、石材等几乎所有的材料之上。

7.参考文献

[1] 李亚江，王娟等编著.特种焊接技术及应用.北京：化学工业出版社，2014.[2] 关桥.高能束流加工技术—先进制造技术发展的重要方向.航空制造技术，1995.

第五篇：飞秒激光技术

飞秒激光技术

金属的氧化腐蚀一度是件让人头疼的事。如何让金属不在岁月中失去光泽？飞秒激光技术从光学手段入手，不但让金属免遭腐蚀，还能将其变成神奇的超疏水材料。

水是生命之源，哪怕在一些只能算作潮湿的地方，细菌等微生物都能够得以生存或成长；同时水也是许多化学反应所需的基本条件，比如因水的存在，金属会以不被察觉的速度氧化。

不过在许多地方，人们并不希望金属氧化或菌落滋生——比如室外的天线、飞机的机翼、煮饭的锅„„人们期待将一些疏水、超疏水材料用在这些地方。

其实超疏水材料在我们身边比比皆是：“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”的荷花、荷叶就是典型的超疏水材料，许多昆虫的足上也有超疏水材料，比如大名鼎鼎的水黾，它们正是靠着“不沾水的腿”，在水面行走如飞。

在疏水材料家族中，鲜见金属的身影。不过，美国罗切斯特大学光学院的物理学家郭春雷（音译）与同事最新的研究发现，利用一项叫作飞秒激光的技术，他们能够把金属变成比荷花还要疏水的“极疏水材料”。疏水效果之强，以至于水滴滴在金属表面不仅不会散开，甚至会不断弹起。

飞秒激光让金属获超疏水“技能”

这项听来让人难以置信的研究刊发于美国物理联合会1月20日出版的《应用物理杂志》上。郭春雷研究团队使用超高能且超短的激光脉冲来改变金属的表面，持续时间为毫微微秒（即飞秒）量级。他们用这样的超短飞秒脉冲轰击铂、钛、铜3种样品，获得了上述新型的表面材料。

这种工艺的优势在于“激光在金属上创造的结构本质上是材料表面的一部分。”郭春雷在近期的新闻报道中说，这意味着它们不会被擦掉，并且正是这些结构使得金属具有超级疏水性能。

据研究人员介绍，超能激光脉冲在金属表面刻蚀出大量肉眼不及的诸如洼坑、小珠状和细纹等“痕迹”，这些痕迹形成了密集分布且高低不平的纳米微结构。这种纳米微结构从根本上改变了金属表面的光学性质和润湿性质。

特氟龙是一种常规疏水材料，常作为“不粘锅”涂层的不二之选。但飞秒激光处理过的金属材料远比特氟龙光滑。水滴从特氟龙涂层表面滚落，需要在水滴滚落之前将这个表面倾斜到70度，而经飞秒激光轰击过的金属，只需要倾斜不到5度甚至不必倾斜，水滴就能从表面滚落。此外，水滴从超疏水表面反弹的同时，会收集并带走灰尘颗粒。为了测试材料的自清洁性能，郭春雷团队将从吸尘器里取出的普通灰尘洒在处理过的材料表面，只用了3滴水就将约一半的灰尘清除了，使表面一尘不染也只用了十几滴水，而且表面始终保持干燥。

应用前景深远而广泛

金属的氧化腐蚀一度是件让人头疼的事。让金属不被腐蚀，不在岁月中失去光泽，是人类一直追寻的目标。从油漆、合金到纳米涂层，人们不断更新着对金属的疏水手段。而今，飞秒激光技术则从光学角度入手，不但让金属免遭腐蚀，更将之变成神奇的超疏水材料。方法简单、有效，有望颠覆未来疏水材料的生产工艺。

郭春雷认为，这种超疏水材料在发展中国家有着巨大的应用潜力。“在这些区域，收集雨水是至关重要的，使用超疏水材料可以提高效率，而且不再需要使用具有尖角的大漏斗来防止水滞留在表面。”郭春雷说，“另一种应用是制造使用起来更加清洁和健康的厕所。”

在缺水地区，保持厕所的清洁是一项挑战，使用超疏水材料，不必使用水冲刷即可保持厕所清洁。

据外媒报道，这种应用潜力激起了比尔和梅林达·盖茨基金会的兴趣，他们已经开始支持这项工作。

目前有报道飞秒激光可以用在聚合物加工、医学成像及外科医疗上。镭射视力矫正（LASIK）可以利用飞秒激光制作角膜瓣。飞秒激光矫治近视手术现已是本世纪最先进的眼科手术。除此之外，飞秒激光技术也可被应用在固态物理上，以此分析晶体结构，分析其衍射或者荧光光谱图。在基础科学研究领域，飞秒激光可用于超快现象的研究。

由于超疏水材料能大幅度降低载具在水中甚至空气中的运动阻力，该项研究对设计高速水上、水下和空中交通工具也具有重要参考价值。

尚待攻取的技术高地

和许多实验室里声名卓著的成果一样，“超疏水金属表面”潜在应用变成现实之前仍然有很多挑战。郭春雷指出，目前处理1平方英寸（约合6.45平方厘米，面积相当于一张普通扑克牌大小）的金属样板需要1小时的时间。在应用到发展中国家之前，这一生产过程需要规模化。研究人员目前也在寻找在其他非金属材料上使用此项技术的方法。

此外，郭春雷团队目前正计划集中精力提高用激光蚀刻表面的速度，同时研究怎样将这项技术扩展到其他材料，比如半导体或者电介质。郭春雷强调，同一项技术可以用于制取多功能金属材料。金属都是光的优秀反射体，这就是它们都有光泽的原因，而把金属变暗可以使它们高效地吸光。2006年底，郭春雷和他的研究小组曾用激光束处理金属铝，在金属表面创造出能够吸收几乎所有光线的纳米结构，可让普通铝块变成至今所创造出来的最暗的材料之一。

而将吸光特性与憎水性相结合可以得到不锈蚀且不需要太多清理的更高效的太阳能收集器。此外，潜在的应用还包括更先进的隐身技术。

延伸阅读

神奇的飞秒激光技术

飞秒激光是指时域脉冲宽度在飞秒（10-15秒，相当于1秒的一千万亿分之一）量级的激光。据了解，飞秒激光不是单色光，而是在中心波长左右的一段波长连续变化的光的组合，利用这段范围内连续波长光的空间相干来获得时间上的极大压缩，从而实现飞秒量级的脉冲输出。

如果1飞秒等同1秒，那么原先的1秒就约为3200万年。正因为这种飞秒激光脉冲持续时间极短，输出飞秒脉冲的功率峰值可以达到与整个北美电网功率相当的水平。可喜的是，虽然产生的激光强度令人难以置信，但飞秒激光器只须用墙壁上的普通电源插座就能驱动——短脉冲激光器通常利用锁模技术来实现，这意味着一旦此工艺经过改良，操作起来会相对简单。

飞秒激光是人类目前在实验室条件下所能获得最短脉冲的技术手段，并已有所应用。科学家预测飞秒激光将为下个世纪新能源的产生发挥重要作用。