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激光制造技术的应用现状和展望 左铁钏 陈继民 北京工业大学激光工程研究院国家产学研激光技术中心 北京 100022 摘要 随着激光制造技术的发展 激光制造已在各个行业得到越来越广泛的应用 本文从激光制造系统的 发展历程入手 介绍了激光制造技术在汽车 钢铁 电子 航空和机械等领域的具体应用 以及激光切割 焊接 熔覆等方面的应用现状 对激光制造技术的发展方向做了展望 并对加快我国激光制造技术的应用 提出了建议 关键词 激光 制造 应用 展望 0 前言 随着人类进入信息时代 以计算机为核心的信息技术迅速发展和广泛应用 使传统制造业发生 了巨大变化 激光制造技术作为一种具有高度柔性和智能化的制造技术 随着高科技技术的发展 也迅速发展起来 成为材料加工的一个重要的发展方向 激光制造技术具有许多传统制造技术无法 比拟的诸多优势 被誉为 未来制造系统的共同加工手段 特别是随着CAD/CAM 技术的成熟和 进行 虚拟制造 的出现 结合激光制造易控 灵活 智能化的特点 激光制造技术为传统制造业 注入了新的生机和活力 同时 激光制造技术是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术 例如 材料浪费少 在大规模生产中制造成本低 根据生产流程进行编程控制 自动化 在大规模制造中 生产效率高 可接近或达到 冷 加工状态 实现常规技术不能执行的高精密制造 对加工对象的 适应性强 且不受电磁干扰 对制造工具和生产环境的要求大大降低 噪声低 不产生任何有害的 射线与残剩 生产过程对环境的污染小等等 激光制造技术必将以其无可替代的优势成为21 世纪迅 速普及的高新技术 1 激光制造系统发展现状 用于制造业中的激光系统即激光制造系统一般由 激光器,激光传输系统,激光聚焦系统,控制系 统,运动系统,传感与检测系统的组成 其核心为激光器 激光作为热源或光源 能量 成为激光制造 中的 刀具 刀具 的质量直接影响着加工制造的结果 对激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角 光束聚焦特征参数值 Kf 和衍射极限倍因子 2 M (M)或光束传输因子K 值来表示 现在通用的是采用国际标准化组织 ISO 在 激光光束宽度 发散角和辐射特性系数的试验方法 中推荐的光束传输因子K 或衍射极限倍因子M2 来评价光束质 量的好坏 对小功率激光器 工作物质均匀稳定 一般可以实现基模输出 其光束横截面能量分布 为高斯分布 且在传输过程中保持不变 光束质量较好 对于大功率激光器 一般不易得到基模输 出 往往输出的为多模激光束 激光光束质量变差 图1 目前工业上常用的大功率激光器有CO2 激光器和YAG 激光器两种 大功率激光器的工业应用领域很广 激光切割 激光焊接都需要优良的 光束质量 而追求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不断发展的目标 1 图1 激光功率与光束质量的关系 从 1964年Patel首先发现CO2激光器出现到现在 经过近四十年的发展 从封离式CO2激光器 慢速轴流CO2激光器 横流CO2激光器到高频罗兹泵型快速轴流 射频turbo型快速轴流以至目前 出现的扩散型Slab CO2激光器,一方面激光输出功率不断提高 体积不断缩小 另一方面激光器的 效率不断提高 光束质量越来越好 扩散型 Slab CO2激光器光束横截面上光强分布接近高斯分布 如图2 具有极好的光束质量 在加大的激光加工工作区焦点的漂移很小 非常有利于大范围激 光传输与聚集 这对大尺寸工件的切割应用非常重要 图2 扩散型 Slab CO2激光器光束截面强度分布 工业用固体YAG激光器也经历了从小功率灯泵浦 棒状 灯泵浦 板条 双灯泵浦 多棒 到光纤泵浦 棒状 半导体泵浦 棒状 和片状固体激光器的过程 由于受工作物质热物理性质的 制约 YAG激光光束质量模式相对较差 如何提高光束质量和激光功率 仍是 YAG激光器面临的主 要问题 值得注意的是近年来发展起来的的半导体激光器 半导体激光器的意义在于它的小型化 极高 频率 与光纤的良好耦合 易于调制等优良特性 因而具有广阔的应用前景 2 激光制造的