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激光人必备知识:五类激光加工技术解读及应用领域
发布时间:2023-07-07 08:05:50

激光是应用于微加工领域的有效工具,激光可以会聚于微小的目标区域并实现“冷加工”的效果。在目标区域内激光和材料的相互作用将由多个参数加以控制,诸如波长、脉冲能量和脉冲宽度等,参数组合决定脉冲的峰值能量密度。不同的参数组合可以产生打标、切割、穿孔、退火、淬硬等操作所需的加工条件。

为提高脉冲激光器的输出功率,增加能量密度,控制热效应,行业研发了多种调制技术,主要包括调 Q 技术、锁模技术、可调谐技术、啁啾脉冲放大技术(又称 CPA 技术)及主振荡功率放大技术(又称 MOPA 技术)等,具体情况如下:
①调 Q 技术的工作原理是在工作物质的粒子数反转状态形成后并不使其产生激光振荡,待粒子数积累到足够高的程度后,突然瞬时打开开关,从而可在较短的时间内形成十分强的激光振荡和高功率、窄脉宽脉冲激光输出; 

②锁模技术是指共振腔内不同纵向模式间存在确定相位差,由此获得一系列在时间上等间隔的激光超短脉冲序列,配合特殊的快速光开关技术,可进一步从脉冲序列中选出单一的超短激光脉冲; 
③可调谐技术是指在一定范围内连续可控输出波长。目前,激光晶体(固体激光器的增益介质)已经达到了上百种,如蓝宝石、YAG 晶体等。固体激光器倍频技术最为成熟,光波段实现了紫外到红外的全覆盖,为激光波长可调谐奠定了坚实基础; 
④CPA 技术是指用展宽器将飞秒脉冲在时域上展宽,成为几百皮秒或纳秒量级的长脉冲,经多级放大充分提取增益介质中的储能后,再用具有相反色散的脉宽压缩器将长脉冲压缩至接近其初始的脉宽值; 
⑤MOPA 技术是将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光,通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大,从而实现对种子光源的高功率放大。激光器的MOPA 结构是解决超快激光兼具高峰值功率和高光束质量的最优方式。
用于微加工领域的激光器选择取决于诸多因素,其中包括材料属性、加工形状、所需精度等,为了满足微细加工日益严苛的精度要求,短波长、窄脉宽、高功率将成为应用于微加工领域激光技术的主要发展趋势。
激光加工特点及微加工应用
激光加工是激光技术的工业应用,将一定功率的激光聚焦于被加工物体上,使激光与物体相互作用,加热、熔化或气化被加工物质,达到加工目的。激光加工是一种典型的无接触式加工,与其他加工方式相比具有后续工艺少、可控性好、易于集成、加工效率高、材料损耗小、环境污染低、高柔性、高质量等显著优点。
近年来,激光加工不断替代传统加工方式,以激光器为基础的激光工业发展迅速,目前已被广泛应用于工业制造、通讯、信息处理、军事及教育科研等领域,形成了遍布全球的产业链条,产业分工的成熟度和深入程度不断提升。随着未来应用产品向超精超微方向发展,激光在微加工领域的应用将越来越广泛。

 

 

激光切割

 

工作原理:

利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件,使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点,同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质,从而将工件割开。

 

应用领域及特点:

切割速度快,表面光滑美观,一次性加工,工件变形小,无工具磨损,清洁污染小,可加工金属、非金属及非金属复合材料、皮革、木材、纤维等适用于汽车车身厚薄板、汽车零件、理电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及冬种不允许焊接污染和变形的器件的精细加工。

 

激光焊接

 

工作原理:

利用高能量密度的激光束辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。

 

应用领域及特点:

焊接性变小,不受磁场影响,空间限制小,无电极污染,适用于自动高速焊接,可焊接不同属性的金属,可在封闭空间工作,适用于圆形锯片、压克力、弹簧垫片、电子机件用铜板、部分金属网板、铁板、钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm 以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的铁合金等。


 

激光打标

 

工作原理:

利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应,从而留下永久性标记。

 

应用领域及特点:

为非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力,加工精度高,加工速度快,清洁环保,成本低廉,适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的标记。

 

激光雕刻

工作原理:

激光照射材料表面,材料吸收能量后瞬间熔化或者气化,形成刻线。

应用领域及特点:

自动跳号,热影响区域小,线条精细,耐清洗耐磨损,环保节能,节省材料,可用于木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂等材料的蚀刻。

激光表面处理

 

工作原理:

利用激光加热金属材料表面,实现表面热处理。

应用领域及特点:

加工速度快,部件变形小,精确加工,实现自动淬火的处理效果,适合于缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等汽车零部件的热处理,同时在航空航天、机床行业等领域也有广泛应用。


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