激光加工

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激光加工范文第1篇

[关键词]激光；金属材料；工艺

中图分类号：TG665 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0020-01

一、激光加工技术的特点

激光是一种相干光源，具有单色性、平行性和相干性的特点，能量密度高，方向性好。激光束聚焦在被加工材料表面的某一点时，激光的光能会瞬间转化为热能，产生上万摄氏度的高温，再坚硬的材料都会在瞬间达到熔点温度迅速熔化，温度再继续升高达到沸点，材料发生汽化，使得被切除的地方形成了一个小孔洞，被切除的余料在汽化过程中被蒸发掉，没有残余。激光加工材料的过程实际上是待加工材料局部因温度急剧迅速升高持续发生液化和汽化现象的过程。

激光加工技术可以实现传统的钣金加工方法难以完成的零件加工。当要在一个箱体较大的钢件上钻许多大小不一的孔时，传统钣金工艺方法无法做到，但激光加工技术就能够轻松完成。而且，在连续加工同样的零件时，激光加工技术比传统工艺技术的准确度更高，速度更快，市场竞争力更强。

在二维平面中，激光加工更有柔性。例如在使用激光切割机切割时，工件是固定的，切割机的割头是可移动的，这样不仅可以避免加工出现死角，提高加工材料的利用率，还能够简化加工设备。激光加工设备不是靠控制零件、设置模具或改变加工路线来进行加工的，而是由计算机系统整体控制来完成的，因此，激光加工工艺中不存在刀具的磨损、变形等问题，过程可以能够通过数控来完成，而且完成精度高，质量好。

二、激光加工技术在金属材料加工工艺中的应用

1、激光切割

1）激光切割能够有效的利用编程软件的优点，极大的提高薄板型材料的利用率，减少材料的使用与浪费，同时减轻工人的劳动强度与力度，达到理想的效果。另一方面，优化排料的这一功能性，可以省略薄板切割的开料环节，有效的降低材料的装夹，减少加工辅助的时间。因此，促使切割方案更合理的安排，有效的提高加工效率及材料的节省；2）在日益发展的市场环境中，产品的开发速度即意味着市场。激光切割机的应用，可以有效的减少模具的使用数量，节省新产品的开发周期，促进其开发的速度与脚步。零件经过激光切割后的质量良好，且生产效率明显提高，有助于小批量的生产，强而有力的保障了产品开发周期日渐缩短的市场氛围，而激光切割的应用可以对落料模的尺寸大小进行精准的定位，为日后的大批量生产铺垫下坚实的基础；3）钣金加工作业中，几乎所有的板件痘需要在激光切割机上一次成形作业，并进行直接的焊接合套，所以激光切割机的应用减少了工序与工期，有效的提高工作效率，能够实现工人劳动强度与加工成本的双重优化与降低，同时促进工作环境的优化，极大的提高研发速度与进度，减少模具投入，有效的降低成本；4）激光切割机在钣金加工中干的普遍应用，能够有效的缩短新产品等的加工与制造周期，极大的减少模具的投入等；极大的提高工人的加工速率，省去不必要的加工程序；同时，激光切割机在工业加工中的广泛应用，能够有效的加工各种复杂的零件，提高精确度，有助于直接缩短加工周期、提高加工的精准度、略去冲压模具的更换程序，有效的提高劳动生产率。

2、激光焊接

从目前的发展态势看，激光焊接技术不断渗透到汽车行业，为行业发展提供了必要的技术支撑。具体而言，这种应用主要体现在以下两个方面：首先，传动件焊接。当前，激光焊接技术可满足汽车传动系统中70%的零件的焊接需求。与其它焊接技术相比，激光焊接不仅可以提高零件的使用寿命，而且可以降低零件的使用成本，体现出其独特的应用价值。其次，焊接组合件。简单地说，焊接组合件就是将分散的平板工件焊接成体、冲压成形。通过焊接组合件，既可以减少工件数量，也可以提高部件性能，还可以减轻车体重量，进而优化汽车的整体性能。以雅阁汽车为例，它的车门是由1.4 mm的钢板和0.7 mm的薄板拼焊冲压而成，降低了40%的车门重量。

此外，激光焊接技术凭借其坚固性强的特点，还广泛应用于刀具、刃具、量具制造行业。例如，我国圆锯片的年产量超过1 000万片，不仅满足了建筑行业对高质量锯片的迫切需求，而且保障了国外锯片市场的有效供给。

3、激光打孔

激光打孔是一项传统的、实用的激光材料加工技术。与其它技术相比，激光打孔具有精度高、效率高、效益高等优势，成为当前制造行业不可或缺的技术元素。从20世纪末，激光打孔技术的发展速度明显加快，多元化倾向明显加强。而且，随着技术的不断完善，孔径越来越小，而性能却越来越高。粗略地计算，如果我们在飞机机翼上打上5万个半径为0.032 mm的小孔，就可以因为气流阻力的减小而节省40%的油量。在我国，激光打孔技术也有着相对较长的发展历史。早在20世纪60年代，我国就将该技术应用于钟表制造行业，目前其累计产值已超过23亿元人民币。然而，与发达国家相比，我国还存在着一定的差距。现如今，发达国家已将激光打孔技术广泛应用于医药制造、食品加工、飞机制造等行业领域，为其带来了巨大的物质和精神财富。

4、激光打标

激光打标技术是一项应用性极强的激光材料加工技术。它通过高密度、高能量的激光，对工部件实行局部照射，并依靠汽化、液化等各类化学反应，将标识永久性地留在工部件表面。当前，金属制品是激光打标技术应用最为广泛的行业领域。如刃具、量具、轴承等金属制品，都需要依赖激光打标技术为其打印标记。而且，激光打标可在丝毫不影响晶体的性能的情况下，将看似不可能的标记打印变为现实。此外，随着技术的不断进步，一些非金属制品，如大理石、玻璃、陶瓷等，也可以应用激光打标技术进行打标。近些年来，激光系统不断完善，目前平均最高功率可达250 WYAG，极大地加深了标记的深度，提高了标记的质量。而且，激光打标技术作为一种崭新的产品防伪手段，受到社会各界越来越广泛的关注。

三、结语

综上，随着社会工业的不断发展以及激光加工技术的进步，激光加工技术必然会成为金属加工技术应用中的重要加工手段，因此，值得广大同行的关注与重视，在实际生产中予以大力的推广。

参考文献：

激光加工范文第2篇

摘 要：激光加工产业作为国家重点发展的高端装备制造业，国家一直给予了较大的政策支持，其相关技术是政府重点扶植的高新技术。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》明确将激光技术列为重点发展的高新技术。结合专业建设需求，对市场进行调研，为了培养与社会主义现代化建设要求相适应，具备激光加工设备装配、调试、使用、维护及激光加工设备操作能力的高素质应用型专门人才，同时使激光加工技术的专业建设及课程设置能更好的体现高职教育的特点。

关键词：激光加工技术；专业建设；职业院校

为了培养服务激光加工设备制造和激光加工行业，培养与社会主义现代化建设要求相适应的德、智、体、美全面发展，适应生产、建设、管理和服务第一线需要，具备激光加工设备装配、调试、使用、维护及激光加工设备操作能力的高素质应用型专门人才。同时使职业院校培养的学生更能符合企业对人才的需求。笔者特将企业对学生的基本技能等方面进行了调研。

1 情况说明

针对位于武汉・中国光谷东湖高新技术开发区的等十多家大型激光公司进行调研。调研主要采用了随机抽样的方式，发放问卷共50份，共计收回问卷43份，有效问卷40份，这次调研得到了公司的大力支持，报告内容丰富，结果客观公正。

2 调研结果及分析

2.1 企业对院校岗位的设置要求以及岗位对职工性别的要求

从激光加工技术专业的岗位设置情况来看，激光控制板焊接工、激光腔体装配工、激光机械构件装配工、激光器光学构件装配及调试工、激光器售后服务人员等为主要岗位，不同的岗位对职工性别的要求有很大的差异。每个岗位的具体要求如表1。

2.2 企业要求学生所需要掌握的基础知识

由于激光加工技术是国家重点支持和推广的一项高新技术，应用市场相当广泛，在汽车制造、半导体、航天航空等领域应用较多，在其它领域还有较大的发展空间。因此，要求学生所要掌握的基本知识也有较高的要求。学生所需要掌握知识的基本情况如表2。

2.3 企业要求学生所需要掌握的基本技能

高等教育的技能培养目标，除了考虑具体行业和职业岗位的需求外，还必须考虑学生日后会遇到的职业变更、技术更新及个人发展的需要。既要重视“专业技能”，又要重视“通用技能”的培养，以适应未来社会生活中知识更新的需要，为学生今后的发展和接受继续教育奠定一个较为宽厚的基础。从调研的结果来看，企业对学生的专业技能和通用技能的要求都比较高，几乎要求每位学生必须掌握电工基本技能、激光加工工艺技能、常见光学仪器的使用调试等基本技能。学生所要掌握的基本技能具体情况如图1。

学生所需掌握的基本技能2.4 企业要求学生具有的基本素质

由于基本的工作能力、良好的职业道德、职业意识和职业精神，是大学生作为社会人、单位人应该具备的基本素质。在这些方面，很多大学毕业生缺乏对岗位应有的热爱与理解，思想素质和心理素质都有待提高，适应职业岗位需要的时间较长，明显缺乏应有的基本工作能力。因此，在校期间应该培养学生具备吃苦耐劳、团结协作、诚实守信的精神，要让学生明白先做人后做事的哲理。

3 结论

激光设备种类向技术含量更高的高端设备（光纤激光器、半导体激光器等）发展，大功率激光设备所占市场份额越来越大。激光加工应用领域向航空、轮船、高速铁路等高端制造业、太阳能等新能源利用、集成芯片制造精密加工行业发展。通过调研发现，激光加工技术专业具有良好的发展局面，企业对学生的要求也越来越高，高职教育人才的培养模式得到了企业的充分肯定，同时还有许多地方还需要进一步完善。主要体现以下几个方面：

（1）应该加强学生对专业基础知识和基本理论的学习，如：工程光学、机械制图与CAD、单片机原理与应用、机械加工技术、光电探测与处理技术、激光设备调试维护与加工工艺训练、精密机械基础、工业控制技术、光学零件加工等基础课程。可以尝试实行“教考分离”等措施，以进一步提高教育教学的质量，以适应未来社会生活中知识更新的需要，为学生今后的发展和接受继续教育奠定一个较为宽厚的基础。

（2）学院可以轮流安排教师到企业为期半年或者一年的实践，这样可以使教师知识不断更新；同时也可以安排在校学生要尽量多的到企业顶岗实习，通过实习，可以使学生更加清楚在校期间应该怎样去学习，使学生从被动的接受学习转化为主动的去钻研，从而提高学生的专业技能。

（3）为了得到企业的认可，学校应该和企业联合对学生进行职业资格认定，以进一步深化和推广“激光订单班”、“激光定岗班”、“激光医疗班”等办学模式。

（4）综合素质有待提高。信息收集与处理能力、准确定位能力、抓住机遇的能力、表达沟通能力、自我推销能力、自我保护能力等，是决定大学生能否实现劳动者和生产资料的结合，达到人职匹配的重要因素。

（5）进一步加强学生具备良好的道德品质和团队合作精神的教育。

参考文献

［1］王中林，李建新.基于订单班的产学研结合人才培养模式［J］.职业教育研究，2008，（4）:2729.

［2］肖坤.高职院校人才培养方案的制订探析［J］.教育与职业，2008（33）:1719.

激光加工范文第3篇

关键词：中职;精品课程建设;激光加工设备 

精品课程是指具有一流教师队伍、优化的教学内容、独特的教学方法和模式、完善的配套教材、健全的教学管理机制等特点的示范性课程。我校与时俱进，以激光加工技术这一新型特色专业的《激光加工设备》课程为切入点，通过省级精品课程建设的引领和示范，带动了其他课程建设的全面提升，为培养知识型和技能型人才发挥了重要作用。 

一、中职精品课程的内涵 

中职精品课程主要包括六个方面的内容：一是要逐步形成一支以主讲教师为主体、人员稳定、年龄结构合理、教学效果优良、素质过硬、实训指导教师占比合理的教师队伍;二是课程内容体系优化，课程内容具有前瞻性、科学性，及时反映本学科的最新知识和技术;三是教学方法和模式独特，手段先进，善于运用任务驱动式、教练式等好的独特的教学方法，教学效果明显，相关课程标准、教案、习题、实验指导、参考文献目录等要网上开放，实现优质教学资源共享;四是教材完善配套，要有精品系列教材体系;五是大力开展实践性、实验性教学，组织形式和内容要丰富;六是管理机制健全，拥有相应的激励和评价机制，鼓励更多的教师承担精品课程建设，保证精品课程建设工作的顺利开展。 

二、中职精品课程建设的措施 

1.以特色、新型、专业的优势学科为切入点 

根据《关于安徽省中等职业教育精品课程建设的实施意见》，我校立即行动起来，首先精选了激光加工技术专业的激光加工设备课程作为精品课程来创建。大家知道，作为服务于当下新兴产业的激光加工技术，以其“高效、节能、环保”等优势凸显它的独特作用，目前，我校此专业的教学水平在全国占据领先位置。激光加工设备正是整个课程体系中的核心课程，特色鲜明、特点突出，学校作了综合布局，重点建设、精心打造，以此为突破口，拓展到激光加工技术专业的其他课程，进行整体性、综合性的课程建设。如《激光基础》、《激光加工工艺》等课程。 

2.加强了师资队伍建设，实施了名师工程 

创建精品课程《激光加工设备》，是由我校一位激光加工技术专业省级专业带头人作为项目负责人，三位从事激光专业教学一线的老师作为主讲，以及有丰富教学经验的机械类、电工电子类、软件操作类等集机光电、软件控制为一体的共十位老师，组成立一支具有一流教学水平、业务素质高、团队精神强、作风过硬的教师队伍。这支队伍中，在省级以上教师个人单项比赛中获得二等奖以上有三人次，指导学生参加省级以上技能大赛获得三等奖以上的有九人次，国家级裁判员一人次。与此同时，以专业带头人为核心，带动了一批年轻老师，他们年富力强，富有干劲、闯劲和激情，软件操作熟练，积累了大量地课内外与精品课程建设有关的资料信息，为完成既定的任务做出了贡献。 

3.优化了教学内容、教学方法和教学手段 

精品课程建设是一项复杂的系统工程，内容涉及教师、学生、教材、教学手段、教学方法、教学模式和教学管理制度，等等。建设过程中，我校从实际出发，着眼于整体来建设精品课程： 

一是结合《激光加工设备》的特点，改革不适应人才培养的体系和结构，使教学内容与课程的全面建设相适应。如将《激光加工设备》课程删繁就简，以学生能够接受的知识技能作为前提，具有针对性地进行整体教学内容的选择。 

二是教学内容先进，广泛吸收目前先进的职业教育教学经验，使之符合中职学校人才培养的目标要求。 

三是教学方法以导、学、教、做、评为主线，将教练式教学、师徒制教学等方法融入课堂教学中，最大限度地将对应的激光产业、企业和学校教学相对接，将校企合作引向了深入。 

四是借力现代信息技术教学与管理，在校园网上开辟精品课程网页，实现了优质教学资源的共享。 

4.编写了理实一体化系列教材，丰富了教学资源 

教材建设是精品课程建设的重要组成部分，系列化的优质教材与精品课程相呼应非常有必要。在武汉弗莱茵科技有限公司的大力支持下，以我校主讲为主体，整合部分高校、激光加工企业，以及全国开设激光加工技术专业的50多所中职院校的优质资源，历经六年时间一起编写了本专业理实一体化系列教材共11本，如《激光基础》、《激光加工设备》、《激光加工工艺》、《激光加工实训技能指导》（上、下册）、《AutoCAD技术及应用》、《EzCAD2.0》、《设备控制技术》等。同时，配合激光加工设备的教学，又相继开发了多功能旋转激光标刻机、多功能激光内雕机等4种课程的教学软件，以及3门核心课程的全部教学课件，极大地丰富了教学内容。 

5.建立了行之有效的评价机制，规范了操作程序   本文由wWw.DYlw.net提供，第一论 文 网专业教育教学论文和以及服务，欢迎光临dYLW.nET

激光加工范文第4篇

关键词:激光技术;金属材料;加工工艺;应用

引言

随着科技水平的进步，工业制造过程中对高精度金属材料的需求越来越高。如何快速有效地加工出具有特殊结构的金属材料成为摆在金属加工领域的一道难题。激光是一种特殊的光，与普通的光源相比具有单色性、相干性和方向性。近年来激光技术得到了迅速的发展，已经广泛应用到科学研究及工业实践中。激光加工技术是一种先进的材料加工技术，经过长期的发展和经验积累，激光加工技术已经逐渐成熟并得到广泛的应用。

1激光材料加工技术的原理

激光材料加工时利用激光的单色性、相干性和平行性的特点，将激光聚焦到需要切割或焊接的点上，在材料的局部形成高温［1］。激光材料加工通常需要利用一组透镜或者反射镜片将激光束聚焦到需要加工的弓箭表面上，达到所需要的功率密度。通过合理地选择和调节加工透镜对激光功率进行调控。为了达到要求的几何形状的激光光束，可以相应地选择特定的加工透镜进行调节。通过改变光束的特性可以实现简单的加工形状例如点状、环形灯;而复杂的几何加工形状需要通过全息照相成像系统来进行调节。功率密度是激光材料加工工艺中一个非常重要的工艺参数，它决定了材料加工的质量和速度，不同的加工要求需要选择不同的功率密度参数。较低的功率密度适用于对材料的热处理，例如退火、表面合金化和焊接等。而较高的功率密度则适用于对材料的切割、打孔及表面非晶质化的加工。

2激光材料加工技术在金属材料加工中的具体应用

2．1激光切割激光切割技术是利用聚焦镜将激光束聚焦在被加工材料的表面，利用激光产生高温使材料融化。同时利用与激光光束同方向的压缩空气将熔化材料吹走，使激光束在被加工材料上沿着一定的轨迹运动，形成具有特定形状的切缝。激光切割技术是应用最广泛的一种激光加工技术，可以应用到多种材料如有机玻璃、木材、塑料、合金钢和碳钢的加工。在计算机程序控制下，通过脉冲使激光器放电，从而形成高密度的能量光斑，瞬间熔化或气化被加工材料。激光切割的切割精度很高，定位精度可以达到0．05mm，重复定位精度0．02mm，同时切割速度可以达到70m/min，远远大于线切割的切割速度［2］。2．2激光焊接根据焊接对象的不同激光焊接分为深熔焊接和传导焊接，它们主要用于机械制造和电子电气行业的焊接工作。激光焊接技术在汽车制造领域得到了大规模的应用，为整个行业的发展提供了有力的支撑。激光焊接技术可以满足汽车传动系统中70%的零部件的焊接需求，与其他传统的焊接方式相比，激光焊接的工作成本低廉，焊接效果较好。此外，激光焊接还可应用于组合件的焊接工作中。通过组合件的焊接，不仅提高了零部件的性能，还可以降低汽车的重量，优化汽车的整体性能。此外激光焊接还广泛应用于刀具、刃具等器材的制造中。

3激光材料加工技术的优势

3．1加工速度快在激光材料加工技术中，激光切割的应用最为广泛。在汽车工业当中，激光加工技术广泛应用于钣金零部件的加工。随着大功率激光器的开发应用，激光切割的应用对象几乎包括了所有的金属和非金属材料。利用激光加工技术可以快速地对复杂及三维零部件进行快速有效地切割加工。激光切割技术的设置时间较短，对不同的工件和外形也有很好的适应性。激光精加工和微加工技术应用到汽车工业制造中，优化了汽车结构，提高了汽车的性能。3．2加工精度高激光焊接技术将非常细小的高强度激光照射到工件表面，使工件在局部高温融化，达到焊接的目的。与传统的焊接方式相比，激光焊接具有很强的方向性和针对性，并且在实施过程中不会有污染气体的出现，有效地保护了工作人员。对高强钢的加工来说，3D激光切割技术是最常用也是最经济的加工方法［3］。激光切割技术使材料只会在局部形成较高的温度，避免了材料因大面积受热导致性能出现破坏的现象。与电阻焊接相比激光焊接可以有效降低焊缝的宽度，提高了焊接质量。

4结语

综上所述，激光技术是一项新兴的技术手段，激光技术以其独特的特点在材料加工领域得到了广泛的应用。激光材料加工时利用激光的单色性、相干性和平行性的特点，在材料的局部形成高温，达到对材料进行加工的目的。激光切割和激光焊接是最为常见的两种激光材料加工技术，这些技术在汽车制造、特种产品制造领域起到了独特而无法替代的作用。激光材料加工技术具有工作效率高，加工精度高等优点，在金属材料加工中起到了独特的作用。

参考文献:

［1］田延龙．激光技术在金属材料加工工艺中的应用探析［J］．科技创新与应用，2013(10):25．

［2］黄翔，徐君，张永良．金属材料加工工艺中激光技术应用分析［J］．城市建设理论研究(电子版)，2014(23)．

激光加工范文第5篇

关键词：激光打孔，旋切法，重铸层，旋切路径，旋切速度，旋切圈数

中图分类号：TG665

文献标志码：A

文章编号：0253-987X（2015）03-0095-09

激光是光的受激放大辐射，与其他光源相比具有极好的方向性、极高的亮度和相干性。聚焦后的激光束作用于材料表面，可引起靶材发生熔化、气化、焦化、喷射或燃烧等现象，使材料表面出现质量迁移，这种激光烧蚀效应可以被用来进行激光加工（刻蚀、焊接、打孔、切割等），而且具有高效、高精度、高质量、应用范围广、节能环保等特点，并能实现柔性加工和超微细加工。激光加工技术在汽车、航空航天、微电子、钢铁冶金等领域已得到了广泛的应用，在有些行业已经达到了较高的水平。

微小孔在制造业中有很大的需求量，如汽车喷油嘴喷孔、航空发动机热端部件的海量气膜冷却孔、喷墨打印机喷头等，而现有的加工技术，如电花火加工和电解加工，或是已经无法满足更高的工业要求，或是效率太低，而激光加工能够以更高的效率加工出孔径更小、质量更好的微小孔。在西方发达国家的企业，如美国的GE公司、英国的罗罗公司，激光微小孔加工技术已经被非常成功地应用于航空发动机的制造中，然而，这些技术被严格封锁，成为制约我国工业制造技术发展的瓶颈。

目前，国内激光加工微小孔技术的研究还存在诸多未解决的问题，其中2个重要的问题就是孔形优化和孔壁重铸层，相比之下，后者更不易解决。重铸层是激光加工中熔化后的材料未被完全排出而冷却粘结在孔壁上的残余熔化物，因为冷却速度过快，热应力会导致重铸层中出现微裂纹，在一定条件下这种微裂纹会在零件服役过程中向基体内部扩展，这对整机设备的安全性是一种潜在的严重威胁。

本文的工作主要针对孔形优化和孔壁重铸层展开。在激光参数优化方面，大量已公开的文献资料表明，更窄的激光脉冲宽度和更高的峰值功率有助于加工出重铸层更小的微小孔。本课题组前期的研究结果也证实了一点。Chien等人利用正交优化方法在718镍基合金材料上对包括旋切速度、辅助气压、脉冲能量在内的8个激光加工参数进行了优化研究，加工出了最小重铸层厚度为38μm的微小孔，并且认为重铸层厚度会随旋切速度的降低而减小。然而，他们给出的最佳旋切速度是1.25mm/s，这与本研究得到的结果相去甚远。此外，他们还认为重铸层在孔入口的厚度比在其他孔深位置的都要大，这也和本文的发现有很大的出入。文献[7，9]关于辅助气压的结论为本研究提供了有益的借鉴。Zhang等人研究了在激光打孔过程中材料发生的气化、熔化和热传导等现象，指出了加工中因热传导损失的热量对孔质量的影响。文献[11-12]表明，在长脉冲（如毫秒脉冲）激光微小孔加工过程中，材料的总去除量中液态喷溅占了相当大的比例，根据光强和材料的不同，这个比例能高达70%，这既解释了为什么毫秒激光加工的孔重铸层一般都很厚，也为本文的减小重铸层研究提供了原始理论依据。

1激光打孔方式

脉冲激光打孔方式可分为冲击式（叩击式）、旋切式、螺旋式3类，如图1所示。定点冲击式加工是在加工过程中激光束与工件位置相对静止，在一系列脉冲能量冲击下完成小孔加工，孔径接近光斑尺寸。与其他方式相比，这是最基础也是最快的一种激光打孔方式，但孔的质量直接受到光束质量和聚焦光学系统的影响，一般加工出的小孔热效应明显，精度和孔壁质量均较差。旋切式加工是利用聚焦光束在工件表面做圆周运动，切除圆内多余材料后形成小孔，加工过程中焦点位置在轴向保持不变。这种光束旋转可以通过2个机械直线轴差补运动的形式实现，也可以通过旋转光学棱镜系统实现：前者适合于各种类型的激光器，原理上可以加工任意孔径的小孔和异形孔；后者多用于纳秒级和更短脉冲的激光器，且只能加工一定直径范围内的圆孔。由于旋切加工过程更有利于熔融物质排出，孔壁热影响区和重铸层相对较小，因此孔质量较高。螺旋式加工是在旋切加工的基础上加入了焦点位置渐近地向工件内部运动的加工方式，这样加工出来的孔的精度和圆柱度更高一些，但工艺相对较复杂，在大能量激光孔加工中应用较少。

本文结合各加工方式的特点和实验室条件，选择以旋切法为研究对象开展工艺优化研究。

2实验装置

采用英国GSI公司专门为打孔用途设计生产的JK300D型Nd：YAG灯泵浦固体激光器，最大平均输出功率为300W，最大峰值功率为16kW，脉冲宽度从0.2ms到5ms连续可调，波长1.06μm。该激光器的优点是加工效率高，稳定性好，不需要苛刻的操作环境，因此非常适合工业应用，但缺点是加工过程存在较严重的热影响，如采用冲击式直接加工的微小孔，孔壁重铸层厚度在50μm左右。激光能量通过光纤传至激光头，激光头固定在一台自制的五轴（3个直线轴，2个旋转轴）精密运动控制平台上，其单轴直线定位精度为5μm，重复定位精度为3μm，可在X-Y、X-Z、Y-Z 3个平面内做任意曲线差补运动。可通过旋转激光头来改变光束与样品表面的夹角，而且可从激光头腔体内吹出与光束平行的高压辅助气体（本文采用压缩空气）。图2为实验用的激光加工系统示意图。

3旋切路径优化实验

激光旋切法加工微小孔其实就是一种走刀路径为圆环的激光切割。由于激光加工的特殊性，不同的光束路径会对孔形产生不同的影响。

3.1边缘起点旋切法

一般的旋切法是直接从圆周上的某一点开始，完成旋切后回到起点，如图3a所示。这种加工路径的优点是操作简单、效率高，但是存在一个缺陷，就是容易在孔边缘产生一个如图3b所示的缺口。

孔缘产生缺口的原因很可能是加工开始时第一个激光脉冲的前沿与材料表面相互作用的特殊性造成的，因为第一个脉冲与材料发生作用时，材料温度较低且表面平整，材料对激光的反射率很高。Kar等人的研究也表明，激光与金属材料作用的起始初段，材料对激光的反射率很高，但是当材料表面温度超过熔点时，反射率会迅速降低，他们推荐的此时适合的吸收率为85%。反射率高意味着材料需要更长的时间才能吸收足够的热量达到熔点，这同时也意味着热量可以在材料内部通过热传导传播更远的距离。所以，当辐照范围内的材料达到熔点后，较小的温度梯度就会导致光斑范围外的一部分材料也发生熔化，这时在气化压力和辅助气流的作用下，液态材料被排出，所产生的小孔的孔径必然大于光斑直径，在旋切加工中，这种较大的起始孔径就会成为孔缘上的缺口。

对于以上分析，本文通过2个实验进行验证：一个是孔径无限大的旋切实验，即直线切割；另一个是随机出光旋切实验。图4和图5分别是这2个实验结果的扫描电子显微镜（SEM）照片。从图4中可以看出，起点处明显有一个已成型的小孔，其直径大于随后切割时的线宽。如果将实验中的路径首尾相连，则起点处自然就形成一个缺口。图5中6个小孔边缘均出现了缺口，而且出现的位置不一样，这是因为在实验中是先让运动平台开始旋转，然后再随机手动开启激光快门开始加工。缺口位置的随机分布也证明了缺口是由于激光加工中的第一个脉冲造成的。

3.2圆心起点旋切法

为了避免旋切加工的小孔孔缘出现缺口，就必须改变旋切路径，因此进行了以圆心为起点的旋切加工实验。路径形式如图6a所示，即激光在圆心位置开启，先通过冲击方式钻出一个小孔后，向预设孔边移动，然后开始旋切，完成加工后光束又回到圆心位置。实验结果如图6b所示，可以看出，这种路径加工出的小孔孔缘完整，缺口已经消失。因此，以圆心为起点的旋切路径是一种比较好的选择，本文在接下来的实验研究中将采取这种旋切路径。

此外，文献[15]中采用沿与孔内壁相切的引入线开始旋切加工，也得到了孔缘完整的微小孔，见图7。这2种引入线的加工效果无明显差异，但相比之下前者的工艺操作性更简单一些。

4不锈钢材料上关于孔壁重铸层的旋切加工实验与结果

304不锈钢是一种综合性能良好的常用不锈钢材料，具有耐高温、耐腐蚀、加工性能好的特点，被广泛应用于制造有较高要求的设备和零件。本文计划先在不锈钢材料上进行规律探索实验，然后将所得规律移植到一种性能优越的高温超合金――定向结晶镍基合金DZ445。实验中所用样品的厚度均为2mm。

激光旋切加工微小孔工艺中涉及2个重要的参数：旋切速度和旋切圈数。旋切速度指光束绕圆心旋转的线速度；旋切圈数指光束绕圆心旋转的圈数。本文将从实验与理论2个方面研究这2个参数对孔壁重铸层厚度的影响规律，而激光参数和其他辅助条件则根据本课题组前期的研究经验和前述相关文献的报道，设定为实验室条件所能达到的最佳值，且在本文实验中均保持不变。具体参数如下：脉宽为0.2ms；峰值功率为16kW；脉冲能量为3.2J；频率为70Hz；离焦量为-0.1mm；辅助气压为1MPa。

4.1旋切速度

首先在304不锈钢上进行了不同旋切速度的微小孔加工实验，旋切速度依次设为0.01、0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9和1.1mm/s，每个速度下重复加工3个孔，每孔旋切2圈，光束与工件表面的夹角为90°，即光束垂直于工件表面。加工完成后，对样品进行打磨抛光和金相腐蚀，然后用金相显微镜观察并测量孔壁重铸层厚度，求出各个速度下厚度的平均值。图8所示为重铸层厚度随旋切速度变化的折线图，从中可以看到，随着旋切速度的增加，重铸层厚度明显变大，特别是在0.1至0.3mm/s之间最为显著，而当旋切速度小于0.1mm/s或大于0.5mm/s时，重铸层厚度的变化趋于平缓。由图8还可以看出，不同的旋切直径对重铸层厚度基本没有影响。图9所示是旋切速度为0.1和0.3mm/s时加工的小孔的金相图。

在实验中还发现了一种现象，就是当旋切速度过低时，小孔边缘会出现如图10所示的裂纹，而且随着旋切速度的降低，裂纹现象会变得更加严重。这意味着，通过降低旋切速度来减小重铸层是有限度的。在本实验中，未出现孔缘裂纹的最小旋切速度是0.1mm/s，此时的重铸层厚度平均值为2.8μm。

4.2旋切圈数

为了明确旋切圈数对孔壁重铸层的影响，保持旋切速度为0.3mm/s不变，进行了旋切圈数为1到10的单因素实验，每个旋切圈数加工3个孔，然后对样品进行打磨、抛光、金相腐蚀，再用金相显微镜观察并测量每个孔的重铸层厚度，最后求出每个旋切圈数下的厚度平均值。图11为重铸层厚度随旋切圈数的变化情况，可以看出，总体上重铸层厚度是随着旋切圈数的增加而下降的，而下降速度在旋切圈数为2～6的范围内最为显著，之后趋于平缓，基本稳定在4μm。从图12可以看到，旋切8圈所得小孔的重铸层厚度明显小于旋切2圈的厚度。

同样，随着旋切圈数的增加，小孔边缘也出现了类似图10的裂纹，并且裂纹长度和密度呈迅速增加的趋势。图13是对旋切圈数分别为1、3、5、7、9的小孔边缘的裂纹长度进行测量后绘制的孔缘裂纹总长度平均值曲线，其中虚线为数据点的多项式拟合曲线。

5镍基合金材料上关于孔壁重铸层的旋切加工实验与结果

材料属性的差异会导致不同的激光加工结果。为了使实验数据更贴近工程实际并验证上述实验中发现的规律，在不锈钢材料实验的基础上，针对厚度为2mm的DZ445定向结晶镍基合金进行了类似实验。这种材料常被用来制造有较高质量要求的燃气轮机涡轮叶片。

5.1初步实验

在系统地开展实验前，首先尝试进行了旋切速度为0.05mm/s、旋切4圈的微小孔加工，结果显示孔边缘并没有出现不锈钢实验中的微裂纹，这说明在高温性能更加良好的镍基合金材料上，通过减速增圈来减小重铸层的方法仍然是有效的。因此，选择0.05、0.1mm/s 2个旋切速度分别与5至10的6个旋切圈数配合进行正交实验，其他参数不变。为了减小实验误差，每组参数仍然加工3个小孔，经过金相处理和测量后，分别求出各参数组下孔的入口和出口重铸层厚度的平均值，然后进行统计分析，结果如图14所示。从图中可以观察到以下特点：

（1）孔壁重铸层的厚度随着旋切圈数的增加而减小；

（2）较低的旋切速度可以加工出重铸层更薄的微小孔；

（3）小孔出口的重铸层厚度普遍比入口的大。

另外，对此次实验中所加工小孔的入口孔径也进行了测量与分析，结果如图15所示。从图中可以看到，不同的旋切速度和旋切圈数对孔径基本没有影响。本次实验中的最小重铸层出现在旋切速度为0.05mm/s、旋切10圈的小孔的入口处，厚度约为12.6μm。与相同参数的不锈钢实验情况相比，镍基合金材料上的重铸层要厚很多，但是所有小孔边缘都没有出现微裂纹，这更证明了DZ445镍基合金的特殊性。

5.2深化实验

鉴于初步实验的结果，继续进行了更大参数范围内的加工实验，旋切速度降低到0.01mm/s，旋切圈数扩展到16。对样品进行金相处理和测量后，结果如图16和图17所示。为了更清楚地反映实验结果的整体变化趋势，对每组数据均进行了线性拟合。图16为不同旋切速度和旋切圈数下所加工小孔的孔壁重铸层厚度变化情况，总体而言，旋切速度为0.01mm/s时所得小孔的重铸层厚度小于0.05mm/s时所得的重铸层厚度，而且0.05mm/s时的重铸层厚度随着旋切圈数的增加而下降，但是0.01mm/s时所得的重铸层厚度却不随旋切圈数的增加而变化。图17是根据4.1节实验中的部分数据与本节实验中的部分数据综合绘制出的在不同旋切圈数和旋切速度下所加工小孔的入口重铸层厚度变化趋势图，从中可以很清楚地看到：重铸层厚度随着旋切速度的降低而减小；旋切圈数的增加也会使重铸层减小，但是这种趋势随旋切速度的降低逐渐开始收敛，这和图16中观察到的情况一致。图18a、18b分别为旋切速度为0.03mm/s、旋切6圈和旋切速度为0.01mm/s、旋切14圈所得小孔的入口金相图，可以直观地看出不同旋切速度和旋切圈数对孔壁重铸层的影响，其中图18b也是实验中的最小重铸层孔，重铸层厚度约为4.8μm。另外，当旋切速度为0.01mm/s、旋切圈数超过14时，孔边缘只出现了少量裂纹。

6旋切加工中重铸层厚度变化的机理