激光辅助加工指南：工艺、优化和应用

本指南讨论了激光辅助加工技术以及如何将激光融入传统加工以提高加工能力。内容包括激光与材料之间的相互作用原理以及如何优化工艺参数。此外，还探讨了各行业的实际应用以及精密激光加工的未来前景。

激光辅助金属制造：精密切割和表面处理

过去几十年来，基于激光的混合加工工艺在精密制造领域掀起了一场革命。通过在传统的减法工具中加入高功率激光源，这些技术为材料加工带来了新的能力，远远超出了传统方法的极限。

激光与物质之间的相互作用受激光特性和设置的制约，这些工艺通过热效应、物理效应和化学效应实现高效的材料去除、改性和结构化。根据工件材料特性对激光参数进行精心控制，可优化加工效果。

这种灵活性使激光辅助加工能够处理以前仅靠机械手段难以切割的金属、合金、陶瓷和复合材料。除了基本的切割和钻孔，这种混合系统还能实现从硬化表面到微图案形貌的创新功能。

在各行各业中，激光杂化技术大大提高了高精度产品的加工效率、质量和精度。尽管在技术改进方面仍有许多工作要做，但制造应用的便利性已被大多数行业广泛接受，汽车制造业更是如此、 航天 和 医疗行业.本文旨在全面介绍激光辅助加工这一相对较新的领域。文章总结了关键原理，回顾了工艺优化研究，并重点介绍了这一新兴技术的应用。文章还探讨了精密激光加工的未来前景。

激光工艺参数

影响激光加工过程的关键激光参数包括激光功率、波长和脉冲频率等。激光功率决定输送到工件上的能量。功率越高，材料去除速度越快，但也会造成热影响区。波长也会影响 机加工 - 波长较短的光线在表面的吸收率较高，而波长较长的光线穿透力较强。

脉冲频率对于脉冲激光来说非常重要。频率越高，峰值功率越大，去除速度越快；频率越低，热影响区越小。需要根据材料和预期效果对这些参数进行适当优化。

材料考虑因素

导热性、硬度、加工硬化行为等材料特性对激光加工也有重大影响。热导率较高的材料散热更快，可减少热应力。但它们也更难加工。硬度较高的材料需要更高的能量密度来去除。

像钢这种加工硬化较强的材料，在加热时表面会硬化，这就需要更高的能量密度。了解激光参数与材料特性之间的这些相互作用有助于定制加工过程，从而为每种应用获得最佳效果。需要根据工件材料定制加工参数，以实现高效加工、良好的表面光洁度和尺寸精度。

激光辅助加工的优势

与传统的非激光辅助加工工艺相比，激光辅助加工具有多种优势。其中一些主要优势包括降低切削力、减少表面粗糙度、减少刀具磨损以及改变材料的微观结构和性能。

激光产生的局部热处理通过软化和削弱刀具前方的工件材料，大大降低了刀具上的切削力。这就降低了刀具上的机械负荷和热负荷。与传统加工相比，软化的材料还能产生更好的表面光洁度，降低表面粗糙度。

较低的刀具负载和温度可减少刀具磨损，延长刀具寿命。实验表明，与非激光加工相比，刀具寿命最多可大幅延长 10 倍。激光热循环还能在非常局部的水平上改变材料的微观结构和硬度。这使得表面硬化等应用成为可能。

总之，采用激光可提高材料去除率和表面质量，从而提高生产率。与传统加工方法相比，激光辅助加工可减少刀具磨损，从而降低加工成本，特别是在加工难切削材料时，可提高零件的经济效益。

特定材料的激光加工研究

镍合金

镍合金具有高强度和耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天和医疗行业。然而，其致密的微观结构使其难以加工。研究表明，功率在 150-300W 之间、进给速度为 2-4 mm/min 的 Nd:YAG 激光器可优化铬镍铁合金 718 的切削质量。与传统车削相比，激光辅助车削的推力降低了 40%，切削温度降低了 30°C，表面粗糙度达到 0.4μm。

钛合金

钛合金（如 Ti6Al4V）具有高强度和耐腐蚀性，通常用于航空涡轮机。但它们的化学反应性给加工带来了挑战。研究优化了使用 1070nm 光纤激光器在 3kW 功率和 500mm/min 进给速度下对 Ti6Al4V 的铣削。与没有激光辅助的 2.5μm 相比，切削力和切削能量减半，表面粗糙度达到 0.8μm。

陶瓷

氮化硅和氧化铝陶瓷的应用需要高硬度和高强度。然而，它们的脆性使其在非激光加工过程中容易开裂。激光能以较低的能量实现类似于微电子机械加工的过程，从而加工出无裂纹的陶瓷。对氮化硅的 Nd:YAG 激光铣削进行优化后发现，以 200 瓦功率和 50 毫米/分钟的进给量加工出的表面粗糙度为 0.2 微米，且无裂纹。

复合材料

EPRI 称，碳纤维和玻璃纤维增强聚合物复合材料具有很高的刚度和强度重量比，因此继续得到广泛应用。激光只去除聚合物基体，由于其强度高，完整的纤维可提供干净的边缘处理。研究表明，二氧化碳 激光切割 以 3 千瓦功率和 300 毫米/分钟进给速度切割碳纤维复合材料，切割表面粗糙度小于 1 微米，且无分层。

总之，根据材料特性对激光参数进行优化，可以高效、无损地加工原本难以切割的合金、陶瓷和复合材料。这不仅能提高生产率，还能满足航空航天和医疗应用的严格要求。进一步的研究有助于将激光加工能力扩展到其他材料。

激光辅助加工中的先进切割技术

激光辅助车削和铣削

以下是一些常用的金属去除工艺； 转弯 和铣削。在车削中，切削工具在工件旋转的同时旋转，通过切削操作产生两个圆柱面。在铣削中，有多个齿的刀具旋转，在工件表面切削材料。

将激光集成到这些操作中有助于加工难加工材料。在车削加工中，聚焦激光会在刀具前预热材料，从而降低切削力和温度。在加工合金时，可降低刀具应力，延长刀具寿命。在铣削加工中，扫描激光可选择性地软化接下来要去除的工件材料，从而改善表面质量，提高材料去除率。

研究表明，在车削钛和镍超合金时使用激光，刀具寿命可延长 40-60%，受力也会降低。使用掺镱光纤激光器铣削铬镍铁合金 718 时，材料去除率是传统方法的 3 倍。

脉冲激光对切割的影响

与连续波激光器相比，脉冲激光器可在切割过程中加强对热处理的控制。脉冲激光器的峰值功率高，可实现快速局部加热，而脉冲间延迟有助于在两次照射之间散热。

研究表明，优化激光脉冲持续时间和重复率可将切削区温度保持在临界水平以下，防止刀具损坏。较短的脉冲与较大的脉冲间延迟可产生最小的热影响区。与连续激光相比，脉冲 CO2 激光可减少钛铣削过程中的表面氧化。

脉冲光纤激光器能够预热并以单个微米级光斑进行切割，从而最大限度地提高硬钢车削的材料去除率。与连续激光器相比，脉冲光纤激光器的这种局部加热功能可最大限度地减少对工具和表面的热影响。

利用激光加工进行表面纹理处理

激光表面硬化

激光表面硬化利用激光束的高能量密度对薄表面层进行快速热处理，而不会影响基础材料的内部性能。这样就在外层表面形成了一个坚硬的外壳，从而提高了耐磨性和耐腐蚀性。

研究表明，使用合适的激光参数进行激光硬化可显著提高处理表面的硬度、磨损和腐蚀性能。例如，用 1.5kW 功率的 Nd:YAG 激光对 AISI 4340 钢进行处理，可产生 0.5 毫米的硬化层，与基体材料相比，硬度提高了 50-60%。

同样，激光硬化钛合金可使表面硬度提高 30-40%，耐磨性提高三倍。激光处理的快速加热和冷却速度（超过 105 K/s）可促进产生硬化的非平衡相。更快的循环还能最大限度地减少热影响区。

激光淬火对齿轮、模具和其他受到摩擦和磨损的部件非常有效。该工艺可提高工业部件的功能寿命并减少维护需求。与其他表面硬化技术相比，它是一种环保且用途广泛的替代技术。

激光表面制图

利用激光进行精确的表面纹理加工，可满足一系列需要增强或定制表面特性的应用。激光产生的微/纳米结构可改变润湿、附着、摩擦和光学属性。

研究表明，用飞秒激光对亚微米级几何形状的金属进行表面处理，可通过破坏氧化剂的扩散来提高耐腐蚀性。自清洁 超疏水 通过激光在钛等金属表面形成模仿荷叶的分层结构。这种表面的水接触角大于 160°，滑动角小于 10°。

利用激光干涉光刻技术在玻璃上形成亚波长脊阵列，从而实现抗反射和抗磨损的纳米划痕。与骨小梁结构相似的激光微凹槽拓扑结构增强了生物医学植入物的骨整合能力。

激光可快速加工大面积的平滑均匀图案，并控制特征尺寸。三维纳米图案可实现梯度表面特性和多功能性。非接触式激光工艺可避免污染问题。

总之，激光表面工程通过微观结构-性能调整，为汽车、消费品和生物医学植入物等行业的智能表面设计开辟了新途径。

结论

激光辅助加工已成为一种高效的制造技术，与传统方法相比具有显著优势。激光的精确加热效果使其能够增强对各种以前被认为难以切割的材料的加工能力。

根据工件材料的特性优化激光参数和切割参数，可以最大限度地提高加工生产率、工件质量和刀具寿命。尤其是脉冲激光器，可以很好地控制热效应，最大限度地减少工件损坏和刀具磨损。

除了基本的切割操作外，集成激光还带来了新的可能性，如硬度处理和定制表面纹理。这将应用扩展到许多行业的功能化部件。虽然广泛的研究仍在继续，但激光技术的工业应用已经证明了其技术和经济效益，尤其是在要求苛刻的高价值应用领域。

随着技术的进一步发展，激光加工将越来越多地增强甚至取代传统的减材加工工艺。激光加工的灵活性和非接触性将不断开拓先进的制造途径。总之，基于激光的混合加工在高效制造高精度功能部件和工程表面方面展现出巨大的未来潜力。

常见问题

Q.激光机是如何形成金属的？

A.高功率激光照射到金属工件上，从而利用激光能量熔化、蒸发或去除材料。通过精确定位系统，可以在下面雕刻出各种形状：

Q.哪些激光技术用于机械加工？

A.常见类型包括二氧化碳激光器、固体激光器（掺钕激光器）、染料激光器、准分子激光器、YAG 激光器和光纤激光器。多千瓦光纤激光器携带方便，性能卓越。

Q.什么类型的材料可以进行激光加工？

A.从金属和非金属到钢材、塑料、木材、陶瓷以及石墨复合材料，任何材料都可以加工。

Q.激光加工有哪些优势？

A.它提供非接触非热加工、高精度和高准确度。其他优点还包括机床振动小、无刀具磨损，以及无需工件夹具即可加工复杂的三维零件。