摘要: 激光制造技术是一种具有巨大发展潜力的高柔性、绿色制造技术。阐述了目前激光制造技术在不同制造领域、不同工艺范围的应用现状，包括激光焊接、激光熔覆及激光表面合金化、激光淬火、激光表面改性、激光切割、激光快速成形、激光打孔和激光纳米制造，并展望了激光制造技术未来的研究及发展趋势。
关键词: 激光制造; 应用现状; 发展趋势
0 引言
激光制造技术是一种高度柔性和智能化的先进加工技术［1］，被誉为“未来的万能加工工具”、“制造技术的共同加工手段”。近年来，由于激光光源性能的提高( 如准分子激光和飞秒激光) ，微细激光加工技术得到了迅速发展，被广泛应用于各种金属、陶瓷、玻璃及半导体等材料的具有微米尺寸的微型零件或装置的加工中。
随着大功率激光器件及配套制造系统的发展，激光加工技术形成了激光焊接、激光切割、激光打孔、金属零件激光直接成形和激光打标等十几种应用工艺［2］。激光制造技术正在以前所未有的速度向航空航天、机械制造、石化、船舶、冶金、电子和信息等领域扩展。在减量化、轻量化、再制造、节能和环保等方面发挥着越来越重要的作用［3-4］。
1 激光焊接
激光焊接是以激光作为能量载体的一种高能密度焊接方法，即将激光束直接照射到材料表面，通过激光与材料相互作用使材料内部熔化实现焊接［5］。近年来，激光焊接技术不仅广泛应用于碳钢及普通合金钢、不锈钢等，而且在铝合金、镁合金等轻质材料的焊接方面取得了重大突破，为汽车、飞机等结构整体化、轻量化和低成本制造提供了保障。
空中客车 A318、A340 和 A380 下机身和空气进气道铝合金加筋壁板 T 型接头的连接，采用激光焊接，取代了铆接或整体数控加工。铝合金激光焊接技术的逐步成熟也促进了全铝结构轿车的发展，如奥迪 A2 全铝结构轿车车身激光焊缝的总长度达到 30m。欧洲 50% ～70%的汽车零/部件生产采用了激光焊接技术，仅德国大众一家公司在生产线上使用的激光焊机就达到 700 多台。第五代 Golf 车身激光焊缝总长度达到 52． 5m，由此，在减轻车身重量的同时，车身抗 扭 刚 度 增 加 了 80% 以 上，抗 弯 刚 度 增 加 超过 35%。
目前，激光-电弧复合热源焊接的研究异常活跃，并已走向工业应用。激光-电弧复合热源焊接综合了激光和电弧各自的优点，具有激光焊接的高速度、高效率、低热输入、电弧焊接良好的桥联性和填充金属熔敷效率高的特性。
大众汽车公司已将激光-电弧复合热源焊接技术应用于轿车铝合金车门和侧顶梁的焊接。
在航空航天领域，通过对 AA6013( T6) 航空铝合金激光-MIG 复合热源焊接接头性能研究结果表明，虽然激光-MIG 复合热源焊接接头的软化区和热影响区较单纯激光焊接扩大 30%，但接头的拉伸强度并没有下降，其延伸率和疲劳性能还有所改善。
针对不同材料组合的激光熔钎焊接正在成为新的研究应用热点。通过对激光能量、光斑大小、作用位置和作用时间的精确控制，利用两种母材熔点的差异，使低熔点母材熔化而高熔点母材保持固态，即在低熔点母材一侧为熔化焊，而在高熔点母材一侧为钎焊。这种方法避免了熔焊时两种金属液相混合而生成大量脆性金属间化合物，因而可以获得优质的接头。
德国 BIAS 研究所采用 YAG 激光熔钎焊接新工艺率先实现了 1mm 左右铝合金与钛合金、铝合金与钢异种合 金 薄 板 搭 接 接 头 连 接，接 头 抗 拉 强 度 达到 220MPa。
塑料的激光焊接技术是近年发展起来的新技术，最显著的优点是能生成精密、牢固和密封的焊缝。在汽车制造业中，激光焊接塑料技术可用于制造很多汽车零/部件，如燃油喷嘴、变挡机架、发动机传感器、驾驶室机架、液压油箱、过滤架、辅助水泵、前灯和尾灯等。
2 激光熔覆及激光表面合金化
激光熔覆是一种表面修复及强化技术［6］，它是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低、与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而达到对基体材料表面进行修复，显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。与激光熔覆不同的是激光表面合金化，其以基体上熔融金属作为溶剂，而在基材的表面熔覆层内加入合金元素，从而形成以基材为基的新的合金层。激光熔覆与其他方法相结合的复合工艺是激光熔覆新的发展方向，例如采用空气等离子喷涂技术( APS) 将 NiCrAlY 粉末作为粘结层材料喷涂在 IN718镍基合金上，再用激光器对其进行激光重熔处理［7］。
重熔区组织为垂直基底向内部发散生长的树枝晶，加强了涂层与基底的结合。涂层表面形成一层致密的氧化物，将会阻碍 O2的内扩散，有效延缓粘结层和基底元素的进一步氧化，有利于提高涂层的抗氧化性能。激光重熔后涂层及重熔区域的硬度都得到显著提高，有利于增强其耐磨性能［8］。
由于纳米复合粒子的涂层可以有效避免单一纳米粒子的团聚问题，而且还可以充分发挥纳米粒子的优异特性，提高使用效果，因此，纳米复合涂层及金属间化合物基复合涂层得到较快发展［9］。
浙江工业大学进行了激光熔覆镍包纳米氧化铝的实验。纳米氧化铝粒子的加入增加了基质金属的成核率，起到了细晶强化以及弥散强化的作用，使得复合涂层的机械性能大幅度提高。复合涂层的平均硬度比基体提高了 1． 5 倍，耐磨损性能比淬火态基体提高了 1． 25 倍。
上海工程技术大学制备的镍基纳米 WC、Co 复合涂层结果表明，在原子力显微镜下可见粒度 100nm 的纳米颗粒，复合涂层的断裂韧性比常规喷焊镍基 WC、Co 涂层的断裂韧性提高了约 1． 2 倍。
除金属基涂层外，近年来激光制备生物陶瓷复合涂层的研究开始受到关注，基材主要是具有良好生物兼容性的钛合金。大连理工大学采用宽带激光熔覆技术在 Ti6Al4V合金上制备了梯度钙-磷基生物陶瓷复合涂层。重庆大学研究了 TC4 基材表面激光熔覆同步原位合成生物陶瓷涂层的工艺条件对涂层和基材界面物质相互传输的影响，研究表明，添加稀土能够提高涂层与基体的结合强度，以及抗弯和抗拉强度。
近年来关于对摩擦表面如汽缸活塞系统、密封及导轨等表面进行激光织构化处理的研究取得了突破。激光以其能量密度高、柔性和无接触等特性成为表面织构化加工的有力工具。激光表面织构化处理还具有表面硬化效应，会对所形成的表面形貌起到保护作用，进一步改善零件表面的摩擦学性能等特点。
3 激光淬火
激光淬火是采用高能量密度的激光束快速地照射被处理的工件，被照射的区域瞬间吸收光辐射能量，并立即转化成热能，使被照射的金属或合金表面温度以极快的速度升到高于相变点而低于熔化温度，当激光束离开被照射的部位时，由于热传导的作用，处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自冷淬火，进而实现工件的表面相变硬化［10］。激光淬火仅对工件局部表面进行，且硬化层可精确控制，因而它是精密的节能热处理技术。激光淬火后，工件变形小，几乎无氧化脱碳现象，表面粗糙度低，可成为工件加工的最后工序［11］。激光淬火的硬度比常规淬火提高 15% ～20% ，可实现自冷淬火，不需要水、油等淬火介质，避免了环境污染，工艺过程易于实现自动化［12］。
由于金属材料表面对激光辐射能量的吸收能力与激光的波长、材料的温度和性质，以及材料表面状态密切相关，为提高材料表面对激光的吸收率，需要对表面进行预处理。预处理方法主要包括磷化法、提高表面粗糙度法、氧化法、喷 ( 刷) 涂料法和镀膜法等［13］。
4 激光表面改性
激光冲击强化技术是以提高金属材料表面硬度、耐磨性、抗蚀性和抗高温氧化性为目的的技术，由于高能量激光与材料相互作用时间非常短( ns 级) ，并伴随有辐射、固化、分子取相及可能的结晶等物理变化，可以为材料表面强化提供一种新的技术手段［14］。通过对 00Cr12 合金耐热钢进行激光冲击强化［15］，结果表明，激光冲击诱使材料表面产生了弹塑性形变，从而在表层产生了残余压应力与高密度位错，有效地提高了疲劳寿命，00Cr12 合金试样经激光冲击强化后，寿命是未处理的 1． 6 倍。
5 激光切割
激光切割是利用聚集的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。激光切割的断面非常光滑，精度可达 0． 1mm，适合后期焊接，而等离子切割的断面往往需要打磨才能进行焊接。
目前，日本的工程机械行业已经将激光下料作为标准工艺手段，大大提高了新产品开发速度，提升了产品品质，使企业竞争力进一步增强。
从全球范围看，大幅面激光切割机已经成为重工企业加工方式的首选新型设备。美国福特和通用汽车公司，在汽车生产线上普遍采用激光切割技术。在航空航天工业中，激光切割技术广泛应用于钛合金、铝合金、镍合金、不锈钢、复合材料、塑料、陶瓷和石英等材料的切割，目前已用激光切割加工飞机钛合金蒙皮、尾翼壁板、蜂窝结构、框架、发动机匣、直升机主旋翼及航天飞机陶瓷隔热瓦等。美国已用功率为 500W数控五坐标 CO2激光切割机切割三维空间的飞机零件。
在微电子制造领域，典型的应用是切割印刷电路板中表面安装用模板，既可以克服传统化学刻蚀法的加工极限尺寸大、工序繁杂以及加工周期长等致命缺点，也可以对成品模板进行再加工，加工精度及缝隙密度明显提高。目前，大功率 CO2激光切割装置，最大切割厚度为45mm，切割精度达 ± 0． 05mm。
6 激光快速成形
金属零件激光快速成形技术是将快速原型制造技术的原理与激光熔覆技术结合起来所形成的一种制造高性能致密金属零件的快速成形技术［16］。首先对计算机上生成的零件 CAD 模型进行切片处理，把复杂的三维零件离散为一系列的二维平面图形，并由此获得扫描轨迹指令，然后，采用高功率激光将同步送入的金属粉末熔化，根据轨迹指令逐层熔覆堆积出任意形状的金属实体零件。1995 年该方法由美国首先提出，并随即在国际上迅速发展，逐步形成高性能新材料制备与复杂零件近净成形新技术。
美国 AeroMet 公司同美国三大军用飞机制造商合作，针对海军舰载飞机机身、机翼关键钛合金零件激光快速成形开展了工业应用技术研究。2001 年起即批量生产内机翼拼接接头、机翼转动折叠接头及拉梁支座等大型钛合金飞机机翼零/部件。与此同时，美国 Sandia 国家实验室及 LosAlamos 国家实验室，分别研究开发出了以小束斑、低功率( 300 ～750W) YAG 激光逐层沉积为特色的激光净成形技术，已制造出了IN718 等镍基高温合金、316 等不锈钢，以及 W、Ta、NdFeB 等难熔金属与难加工材料小型金属零件，并在火箭发动机上得到应用。
钛合金构件激光快速成形技术，以钛合金粉末为原料，通过激光熔化逐层沉积，直接由零件 CAD 模型一步完成高性能钛合金构件的“近净成形”，是一种变革性的短周期、低成本、无模、数字化和先进的制造技术。与整体锻造等钛合金传统制造技术相比，钛合金构件激光快速成形技术具有组织细小均匀、综合力学性能优异、无需锻造加工及锻造模具、材料利用率高、机械加工余量小、数控加工时间短，以及柔性高效等突出优点。通过近10 年的攻关，我国已率先实现激光快速成形大型钛合金主承力构件的装机应用。
北京航空航天大学与 601 所合作，突破了飞机钛合金次承力结构激光快速成形制造工艺及装机应用关键技术，2005 年以来，激光快速成形 TA15 钛合金角盒、座椅上下支座和腹鳍接头等飞机钛合金结构件，已成功应用于多种飞机。医用铸造钛合金成形制备技术已成功地应用于临床实践。
7 激光打孔
金属材料被功率密度为 106～ 109W / cm2的激光辐射时会产生熔化或气化，并喷出固态微粒。激光打孔速度快，可获得很大的深径比，可在硬、脆、软等各类材料上进行加工，也可在难加工材料的倾斜面上加工小孔，目前激光打孔已广泛应用于飞机、火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴、飞机机翼、涡轮叶片、化纤喷丝板、宝石轴承、印刷电路板、过滤器、金刚石拉丝模、硬质合金、不锈钢等金属和非金属材料的小孔加工［17］。
微细激光打孔的效率高，适合于自动化连续加工，加工的孔径可小于 10μm，深径比可达 50∶ 1以上，并可以加工异型孔。2004 年，美国密西根大学研究人员采用飞秒激光在不锈钢和金属钛薄片上制备出由亚微米小孔构成的规则图案，并对半导体材料表面打孔、切割及开槽等微加工做了研究。
目前，工业先进国家的航空产品生产上均配有相当数量的多坐标激光打孔机，采用最能体现激光打孔特点的群孔激光打孔方法。由于多坐标激光打孔机具有良好的柔性，所以常用作计算机集成制造系统( CIMS) 的一个组成单元。
美国通用电器公司已在航空发动机生产线中采用了激光打孔技术。据统计，每台发动机平均要用激光打孔 10 万个，一年生产的叶片、火箭筒及隔热屏等零件要打孔 5 000 万个。美国通用电器公司还在喷气涡轮发动机的加工生产上，采用激光加工冷却隔板上的 20 万个小孔。
8 激光纳米制造
激光微纳加工从简单的紫外曝光发展到直接刻蚀、微细沉积、微纳粉末成型、固化成型、辅助压印、微焊接和微弯曲等多种工艺方法，微加工所用激光光源也从采用传统工业激光光源向采用超短、超快和高光束质量光源方向发展［18-20］。
对于短波长激光微纳加工技术，一方面是通过深入研究曝光系统和工艺来提高光刻分辨率，并在微电子芯片、光纤光栅的制作中扩大应用; 另一方面是利用深紫外激光光化学作用机理，在有机材料、无机非金属材料上实现直接加工。除刻蚀工艺外，生长法的研究也较为活跃，北京工业大学采用微纳粉末烧结制备获得微零件。
作为微纳制造的工具，飞秒激光在超精细加工制造领域的应用已成为世界科技工作者高度关注的目标，成为研究热点和非硅微加工代表技术之一［21］。飞秒激光表现出的超强效应使聚焦光强极易达到和超过物质的破坏阈值，从而实现物质表面以及透明材料内部的刻蚀加工。利用亚衍射极限烧蚀技术加工制备纳米结构，根据不同材料的破坏( 激发) 阈值控制飞秒激光的输出强度，可实现对任何材料的精细加工。采用飞秒激光双光子分层直写扫描方法加工真三维微结构，由光敏树脂扩充到复合材料微小零件微结构的直接加工，加工精度突破了 100nm。利用飞秒激光诱导制作固体表面周期性微纳米结构，为今后高性能隐形技术、手机辐射屏蔽技术、Si 探测器，以及超硬材料表面摩擦性能的研究提供了新的技术实施手段［22］。
在模具纹路加工中，传统的化学蚀刻方法存在污染大、加工周期长的缺点。而采用激光蚀刻可以满足模具加工要求。根据激光对金属表面进行蚀刻的原理，通过 3D 激光扫描振镜技术，在系统软件的支持下，可以实现模具平面和曲面的蚀刻加工; 并可以针对不同的模具钢材及其表面硬度，将蚀纹图案数据库中的任一纹理进行蚀刻加工。塑料模具激光蚀纹技术在生产成本、加工效率方面大大优于常规化学蚀纹，在加工质量方面也可以与常规化学蚀纹技术媲美。
9 展望
激光加工技术是面向市场、面向客户，涵盖设计、制造和生产管理整个生产过程的集成制造技术，可以实现快速、灵活、高效和清洁的生产模式，被加工材料的范围、工艺方法和应用领域在不断拓展。
9． 1 高功率激光器的发展
目前，应用于材料加工的高功率激光器主要有高功率 CO2激光器、固体激光器和光纤激光器［23-24］。其中，光纤激光器是近年来备受关注的热点。与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用; 而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以实现智能化、自动化，柔性好。因此，它已经在许多领域取代了传统的 YAG、CO2激光器等。
光纤激光器从掺杂稀土元素发展到掺杂过渡族金属元素; 掺杂方法从单纯化学气相沉积( CVD) 发展到气相、液相、溶胶-凝胶和改进的化学沉积( MCVD)等; 光纤结构从单包层、双包层到多芯双包层光子晶体光纤; 激光功率已经到几十千瓦，光子晶体光纤激光器的功率也已超过 1． 5kW。目前，各种光纤激光器广泛应用于造船、航天、机械、电器、汽车和化工等多个领域。
9． 2 激光加工工艺的发展
激光加工工艺从最早的激光淬火、激光合金化、激光熔覆到当前的激光加工组合工艺，工艺范围不断扩大。它将与 CAM、自动控制，以及机器人等最新制造技术相结合，大大提高了加工的质量、精度和效率，节约材料和能源，不仅适用于大规模生产，也适用于单件和小批生产，成为柔性制造的有力工具。
德马吉公司最新生产的 LASERTEC 系列机床可以实现激光成形加工、精细切割、精密刀具加工及强力打孔。特别是 LASERTECPowerDill( 强力打孔) 航空发动机系列机床，被广泛应用于航空发动机涡轮冷却孔和成型孔的加工。德马吉将激光加工技术集成于功能强大的 DMU 系列数控加工中心，实现在同一台机床上进行铣削和激光加工。
为适应微电子、微机械和分子生物学发展的需要，利用波长更短的激光，包括准分子激光、X 射线激光和其他激光的高次谐波，发展亚微米和纳米加工，如打极小的孔、刻极微细的槽、进行极微细的三维雕刻、纳米机电零件的清洗与搬运等。同时，可用激光对生物细胞及其中的染色体进行切割、搬运和改造，激光已成为生物工程和医学研究的一种精密工具。
参 考 文 献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
