激光加工

1．激光加工系统的组成及其特性 

激光加工机床如激光打孔机和激光切割机除具有一般机床所需有的支承构件、运动部件以及相应的运动控制装置外，主要应备有激光加工系统，它是由激光器、聚焦系统和电气系统三部分组成的。 

1．激光器 

激光器由激光光源、光泵、聚光器和谐振腔组成，应用于加工的激光器主要有： 

(l) 固体激光器 具有稳定性好的特点，但能量效率低一般＜3％，由于输出能量小，主要用于打孔和点焊及薄板的切割。（掺钕钇化铝石榴石）等作为工作物质。YAG是固体激光中能发出最大功率的离子激光。YAG的结晶母材是由钇、铝和石榴石构成的，其中微量的钕离子刚起激光作用。YAG的激光波长为1.06μm，相当于二氧化碳气体激光坤长的1/10。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波的情况下应用，具有波长短、聚光性好适于精密加工特别是在脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。且由于聚光性好，可通过光导纤维传格能量，适用于内腔加工等特定切合，其能量效率不及CO2气体激光源最多不超过3％，目前产品的输出功率大多在600W以下，最大已达4kW。另一种红宝石激光源的波长更短为0.69μm，稳定性好，但能量效率0.1％～0.3％，主要用于打孔和点焊。 

1）光泵是使工作物质发生粒子反转产生受激辐射的激励光源，因此光泵的发射光谱应与工作物质的吸收光谱相匹配。常用的光泵有脉冲氙灯和氪灯，脉冲氙灯的发光强度和频率较高，适用于脉冲工作的团体激光器，而氪灯的发光光谱能与YAG的吸收光谱很好匹配，是YAG连续激光器的理想光泵。为改善照射的均匀性，光泵可用双灯、三灯或四灯。 

2）聚光器罩在光泵的外围，它是把光泵发生的光有效地、均匀地集中到工作物质上。聚光器中常用的是圆柱聚光器和椭圆聚光器，也有球形、椭球和紧包形的聚光器。其要求为聚光均匀、散热好、结构简单、内壁反射率高，表面粗糙度Rα0.04μm以下，通常聚光效率达80％。 
3）谐振腔是光学反馈元件，它的作用是位光放大介质产生光振荡。其类型对激光输出能量和发散角有很大影响，常用的平行平面谐振腔由图l中反射镜1与4组成，谐振腔的长度为激光半波长的整倍数，反射镜平行度＜10"。 
(2) 气体激光器 常用的工作物质有分子激光的二氧化碳（CO2）和离子激光的氩气（Ar），后者输出功率为25W，它的10ns级短脉冲，使热影响区小，用于半导体、陶瓷和有机物的高精度微细加工。而CO2激光器的功率在连续方式工作时可达45kW，脉冲式可达5kW，故在加工中应用最广。 
1) CO2气体激光器的波长为10.6μm，处于红外线领域，因而其激光束为不可见光。它是在氦的体积分数约80％，氮的体积分数约15％和CO2的体积分数约5％的混合气体中进行放电形成粒子数反转的分子激光。它的能量效率通常为5％～10%高效装置甚至可达10％～15％。

2) 气体激光的激励虽也可用光泵的方法，但大多用直流放电（图2）或高频放电的方式。 
3) 诸振腔由放电管两端的镜面构成，一端是镀金凹镜，另一端是锗或砷化镓平镜，它们也兼作密封之用。 
CO2激光器的输出功率与放电管的长度成正比，低速轴流式的气体流速慢，输出功率小，约50～70W/m，但其输出功率稳定，易得到单模，一般用于百瓦级激光器。对于千瓦级的CO2激光器则采用气体循环速度达100m/s的高速轴流式的激光器或气流及放电与激光光轴垂直的双轴直交型以及气流、放电与激光光轴三者互相垂直的三轴直交型可达到使激光器小型化。 
2. 聚焦系统 
其作用是把激光束通过光学系统精确地聚焦至工件上大放具有调节焦点位置和观察显示的功能。CO2激光器输出的是红外线，故要用锗单晶、砷化镓等红外材料制造的光学透镜才能通过。为减少表面反射需镀增速膜。图3为应用于CO2激光切割机的透射式聚焦系统。图中在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。工作台用抽真空方法使薄板工件能紧贴在台面上。

3．电气系统 
电气系统包括激光器电源和控制系统两部分，其作用是供给激光器能量（固体激光器的光泵或CO2激光器的高压直流电源）和输出方式（如连续或脉冲、重复频率等）进行控制。此外，工件或激光束的移动大多采用CNC控制。 
为了实现聚焦点位置的自动调整，尤其当激光切割的工件表面不平整时，需采用焦点自动跟踪的控制系统，它通常用电感式或电容式传感器来实时检测，通过反馈来控制聚焦点的位置，其控制精度的要求一般为±0.05～0.005mm。 
2．激光加工的合理工作参数 
1．激光打孔尺寸及其精度的控制 
(1) 孔径尺寸控制 采用小的发散角的微光器（0.001～0.003rad），缩短焦距或降低输出能量可获得小的孔径。对于熔点高、导热性好的材料可实现孔径0.01～lmm的微小孔加工，最小孔径可达0.00lmm。 
(2) 孔的深度控制 提高激光器输出能量，采用合理的脉冲宽度（材料的导热性越好；宜取越短的脉冲宽度），应用基模模式（光强呈高斯分布的单模）可获得大的孔深。对于孔径小的深孔宜用激光多次照射，并用短焦距（15～30mm）的物镜打孔。 
（3）提高激光加工孔的圆度 激光器模式采用基模加工，聚焦透镜用消球差物镜，且透镜光轴与激光束光轴重合，工件适当偏离聚焦点以及选择适当的激光能量等可提高加工圆度。 
（4）降低打孔的锥度 通常孔的锥度随其孔深孔径比增大而增加，采用适当的激光输出能量或小能量多次照射，较短的焦距，小的透镜折射率及减少入射光线与光轴间的夹角等措施可减小孔的锥度。 
（5）硬脆材料激光打孔的实用参数 用YAG激光加工机对红宝石和金刚石打孔，当孔径为0.05mm时，所用的单个脉冲的激光能量分别为0.05～1J，每秒的脉冲数约为20个；加工Si3N4、SiC和Al2O3等陶瓷，当孔径为0.25～l.5mm时,所用单个脉冲激光能量在5～8J，每秒的脉冲数为5～10个，脉冲宽度0.63ms，辅助气体用空气或N2。 
2．激光切割的合理工作参数 
除精细切割如切割硅片可用YAG固体激光器外，激光切割一般采用CO2以激光器，其工作参数主要有切割速度、切缝宽度和切割厚度。 
（l）激光切割速度 它随激光功率和喷气压力增大而增加，而随被切材料厚度增加而降低。切割6mm厚度碳素钢钢板的速度达到2.5m／min，而厚度为12mm的钢板仅为0.8m/min。切割15.6mm厚的胶合板为4.5m/min，切割35mm厚的丙烯酸酯板的速度则达27m/min。 
（2）切缝宽度 一般在0.5mm左右，它与被切材料性质及厚度、激光功率大小、焦距及焦点位置、激光束直径、喷吹气体压力及流量等因素有关，其影响程度大致与对打孔直径的影响相似。切割精度可达±0.02～0.01mm。 
（3）切割厚度 它主要取决于激光输出功率。切割碳素钢时，1kW级激光器的极限切割厚度为9mm，1.5kW级为12mm，2.5kW级为19mm；2.5kw级切割不锈钢的最大切割厚度则为15mm。对于厚板切割则需配置3kw以上的高功率激光器。 
（4）辅助气体提高切割效率和切口质量 由于金属表面的激光反射率可高达的95%，使激光能量不能有效地射入金属表面。喷吹氧气或压绩空气能促进金属表面氧化，可提高对激光的吸收率来提高切割效率。增加吹氧压力还可使切缝减小，切割石英时，吹氧可防止再粘结。切割易燃材料时，可喷惰性气体防止燃烧，切割带有金属夹层的易燃材料，宜采用伍绍空气。当吹气压力未超过某一数值时，增加压力可增大切割厚度。 
对于熔点低、分解点低及导热性差的塑料、纤维、木材、布料等，一般应采用长焦距的锗透镜来聚焦激光束。 
3．激光加工的技术发展趋势 
1．优化激光工作参数。建立加工作业标准和相应的数据库 
通过控制激光照射的能量密度和照射时间可以实现多种类型的加工，例如激光打孔和切割等以去陈金属为目的，利用的是金属的蒸发现象，同时为了保证加工精度，又要求照射时间能使加工部位快速蒸发，又能防止加工部位以外的金属不致因传热引起升温或熔化；激光焊接时，要求在不致发生热变形的短时间内，使焊接部位的温度尽可能超过金属熔化温度而又不到金属蒸发温度；激光淬火时，又要求温度控制在金属相变点以上，熔点以下的范围内，图1示出不同加工方法所需的激光能量密度和照射时间。为了充分发挥激光加工的优点，需针对不同加工对象和加工类型进一步优化激光工作参数，以便能获得高的效率和加工质量。

2．发展激光多工位分时综合加工 
根据激光加工的特点，利用同一激光源，通过灵活地控制能量密度和照射时间，在不同工位上分时实现多种方式加工，使一些工件的切割、打孔、刻划、焊接和表面处理等可在一台设备上集成地进行综合加工。 
3. 研究大功率、高寿命和小型化的微光装置 
提高激光功率需解决以下一系列问题如： 
l）研制适用于大功率激光的光学器件材料。由于大功率激光束透过的窗口材料和透镜等光学器件时，它们要承受高压的击穿力，并因吸收激光使温度上升而引起破坏。因此应根据不同的激光波长研制适用的光学器件材料。 
2）提高电源的稳定性和寿命，对于CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性；对于YAG固体激光器要研制大容量、长寿命的光泵激励光源，如采用半导体光泵可使能量效率大幅度地增长。 
3）大功率激光装置的小型化。同轴型CO2激光器结构简单，增益大而均匀，放电稳定，为了加大输出功率需增大长度，虽可对激光管采用折叠式和应用高速鼓风机来加速气流进行改善，但功率增大仍受限制。 
双轴直交型增大了放电截面积，可以采用折叠式射束通道使外型缩小，但需超高速送风（50～15Om/s）的鼓风机，并要求反射镜结构稳定和防止光损失等。