激光在表面處理及三維建模中的應用概述

【論文摘要】本文介紹了激光在表面處理及三維建模中的幾個典型應用，激光熱處理技術解決了其它表面處理方法無法解決或不好解決的材料強化問題，激光三維建模技術有效地解決了無人自動化生產(chǎn)線上元件三維信息的獲取問題，另外，激光在智能識別、快速成型、焊接、熔覆涂層、微加工中也得到了廣泛的應用。

1.前言

激光技術在信息領域、制造業(yè)(電子、半導體、機械、汽車、飛機等制造行業(yè))、軍事領域、智能化識別及醫(yī)療儀器等方面都具有重要應用，特別是激光微細加工向普通的微機械加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。 隨著激光技術的進一步發(fā)展和市場的不斷擴大，光制造技術將在所有制造領域內(nèi)取代傳統(tǒng)的機械制造，激光微制造技術使微精密元件成為可能，并使微系統(tǒng)朝著多樣化和智能化方向發(fā)展，最終在汽車、醫(yī)療和環(huán)保領域得到更廣泛的應用，在國民經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)展中起著日益重要的作用。下面對激光在機械制造中的典型應用的核心內(nèi)容予以介紹。

2. 激光在熱處理方面的應用

激光熱處理技術是近二十年來發(fā)展起來的一種新形材料表面處理技術，近些 年來，大功率激光器和輔助設備的制造技術日益提高，各種表面處理技術日益成熟，使得激光熱處理技術的工業(yè)應用和深入研究異常活躍。

激光熱處理技術的原理基于激光的穿透能力極強，當把金屬表面加熱到僅低于熔點的臨界轉(zhuǎn)變溫度時，其表面迅速奧氏體化，然后急速自冷淬火，金屬表面迅速被強化，即激光相變硬化。

激光熱處理技術可以解決其它表面處理方法無法解決或不好解決的材料強化問題。經(jīng)過激光處理后，鑄層表層強度可達HRC60度以上，中碳及高碳鋼，合金鋼的表層硬度可達HRC70度以上，從而提高其抗磨損、抗疲勞、耐腐蝕、防氧化等性能，延長其使用壽命。 3.激光在焊接方面的應用

激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一，該技術具有熱影響區(qū)窄，焊縫小，大氣壓力下進行不要求保護氣氛，不產(chǎn)生X射線，在磁場內(nèi)不會出現(xiàn)束偏移等特點，又加之其焊速快、與工件無機械接觸、可焊接磁性材料，尤其可焊高熔點的材料和異種金屬，并且不需要添加材料，因此很快在電子行業(yè)中實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。國外利用固體YAG激光器進行縫焊和點焊，已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷電路的引出線，不需要使用焊劑，并可減少熱沖擊，對電路管芯無影響。日本自九十年代以來，在電子行業(yè)的精密焊接方面已實現(xiàn)了從點焊向激光焊接的轉(zhuǎn)變。目前，激光深熔焊接在粉末冶金材料加工領域中的應用也越來越多。

中國是世界鋼材生產(chǎn)與消費的第一大國。近年來，為滿足工業(yè)市場的加工需求，各種用于管材切割的激光加工系統(tǒng)相繼問世，近幾年，伴隨我國金屬管材產(chǎn)量和消費的迅速增長，先進激光加工系統(tǒng)解決方案已大量應用于管業(yè)生產(chǎn)加工，特別是在不銹鋼、合金鋼、硅鋼、鍍鋅鋼板、鎳鈦合金、鉻鎳鐵合金、鈦合金等金屬管材的加工應用。

目前，雖然管材激光切割設備正在我國迅速普及，數(shù)控切割人才和激光管切技術需求的迅速增長，但是激光管切設備和數(shù)控切割人才及工藝的嚴重短缺和滯后，導致切割效率低、切割質(zhì)量差、造成母材嚴重浪費的現(xiàn)象也被凸顯出來。針對激光管切的主要技術問題，我們羅列了管業(yè)一些主要技術考量點供企業(yè)主們參考。

切割下料

對于大長度金屬管材全行程自動激光切割下料的工藝要求，在機械結(jié)構(gòu)上采用獨特的雙驅(qū)氣動卡盤旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，通過機床的運動對管材進行切割加工，隨工作臺沿工件軸向運動，可實現(xiàn)大長度金屬管材全行程自動激光切割下料。

數(shù)控切割

數(shù)控切割是管材大批量、高效率、高質(zhì)量的切割生產(chǎn)方式，數(shù)控切割的核心是數(shù)控切割系統(tǒng)。它是指數(shù)控系統(tǒng)的切割控制軟件中提供先進的切割工藝和豐富的切割經(jīng)驗，使切割操作工人通過熟練使用控制系統(tǒng)，達到高質(zhì)量、高效率的數(shù)控切割。

套料軟件

首先，通過專業(yè)的管切套料軟件在計算機上預先進行畫圖、套料、下料分段編程，生成NC切割程序，然后進行大長度金屬管材全行程自動激光切割下料。專業(yè)的管材套料軟件是實現(xiàn)數(shù)控管切機大批量、高效率、高質(zhì)量切割生產(chǎn)的基礎和前提條件。

切割工藝

由于管材切割（特別是對于小管徑的方管材）時，溶渣附著于管內(nèi)壁，切割產(chǎn)生的大部分熱量被工件吸收，切割密度較大時，往往會造成管材過熱，拐角及方管四個角過燒，嚴重影響切口質(zhì)量，甚至無法切割。對此類問題可采用：保持切割噴嘴與工件表平面的焦點不變，使切割效果不隨工件表面的變化而受影響；加大氧氣壓力的方法；通過軟件提高尖角合成速度。

如今，激光管切技術正處在快速發(fā)展和不斷完善的過程，隨著計算機技術、機械結(jié)構(gòu)、切割技術及優(yōu)化算法的不斷更新及發(fā)展，數(shù)控激光管切技術將更加突出的展現(xiàn)其智能、快速和優(yōu)化的切割工藝和技藝，為激光管切機的高效切割、高質(zhì)切割，以及節(jié)省管材和能耗，提供技術支撐。

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來源：激光制造網(wǎng)

眾所周知，由電池供電的逆變電源通常都由兩級組成，前級DC/DC電路將電池電壓變換成直流約350V 電壓，后級DC/AC電路將直流350V電壓變換為交流220V電壓。在這類逆變電源中，前級DC/DC電路一般供電電壓較低(12V、24V或 48V)，輸入電流較大，功率管導通壓降高、損耗大，所以電源效率很難提高。其電路形式有：單端反激、單端正激、雙管正激、半橋和全橋等，對于中小功率(約0.5~1kW)而言，單端反激電路具有一定優(yōu)勢，如：電路簡單、控制方便、效率高等。本文就將以24V電池供電，輸出350V/1kW為例，解析單端反激電路在逆變電源前級DC/DC電路中的應用。

常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)

常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電路的缺點在于功率管VT截止時，變壓器初級的反峰能量，被VD1、C 1和R 1組成的吸收電路消耗掉;而且在輸出功率相同的情況下，功率管通過電流(相對于多管并聯(lián))大，導通壓降高，損耗大，所以效率和可靠性較低。

圖1 常規(guī)單端反激電路結(jié)構(gòu)

多管并聯(lián)的單端反激電路結(jié)構(gòu)

如圖2所示，該電路的特點是，主功率電路采用4只功率管并聯(lián)，每只功率管通過的電流為單管應用時的1/4(假定4只功率管參數(shù)一致)，則功率管的導通壓降也 應為單管應用時的1/4.根據(jù)計算，在輸出550W時，理論上，4管并聯(lián)比單管可減小通態(tài)損耗約20W,提高效率近3個百分點。

圖2 4只功率管并聯(lián)主功率電路

采用能量回饋技術的單端反激電路結(jié)構(gòu)

采用能量回饋技術的單端反激電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其主要波形如圖4所示。在本電路中，用電容C 2、電感L 1、二極管VD1和VD2組成變壓器初級反峰吸收電路，可使大部分反峰能量回饋到輸入電容C 1上，減少了能量損耗，提高了電路效率。

圖3 初級反峰吸收電路

圖4 初級反峰吸收電路主要波形

其工作原理如下：

(1)t 0~t 1階段：t 0時刻功率管截止，變壓器初級電感L 、漏感L K、電容C 2和功率管輸出電容C 0開始諧振，并很快使C 2電壓達到U 0(N 1/N 2)，隨后次級二極管導通，初級電壓被鉗位到U 0(N 1/N 2)，初級電感L 退出諧振，到t 1時刻I K為0,同時C 2和C 0上電壓達到最大值，即開關管電壓U S達到最大值(U IN+U C2MXA)。

(2) t 1~t 2階段：在L K、C 2、C 0繼續(xù)諧振，同時電感L 1參與諧振，C 2、C 0給輸入電容C 1回饋能量，并且給L 1補充能量，到t 2時刻諧振停止，C 2電壓又下降到U 0(N 1/N 2)。

(3)t 2~t 3階段：t 2時刻開始，電感L 1給輸入電容C 1回饋能量。C 2電壓被鉗位在(N 1/N 2)U 0、C 0即開關管上電壓為U IN+(N 1/N 2)U 0,均保持不變，到t 3時刻，L 1中能量釋放完畢。

(4)t 3~t 4階段：開關管完全截止，C 2電壓、C 0電壓(即開關管電壓)繼續(xù)保持不變。

(5)t 4~t 5階段：t 4時刻功率管導通，其電壓U S開始下降，C 0開始通過開關管放電，并很快放完畢(全部損耗在功率管上);C 2和L 1開始諧振，即把C 2中的能量轉(zhuǎn)移到L 1中，在t 5時刻L 1中電流達到最大值，功率管完全導通。

(6)t 5~t 6階段：t 5時刻L 1通過VD1和VD2給輸入電容C 1回饋能量，并給C 2充電到-U IN,到t 6時刻L 1中能量釋放完畢。

(7)t 6~t 7階段：該階段功率管繼續(xù)處于完全導通狀態(tài)。

以上過程形成一個完整工作周期，可以看出，變壓器漏感中的能量大部分被回饋到輸入電容C 1中(C 0中有部分能量被消耗掉)，所以電源效率得到提高。

主要器件電壓電流應力計算

由圖3及原理分析，可得到如下計算公式：

其中：U SMAX即U C0MAX為功率管VT1~VT4所承受的最大電壓應力：

U INMIN為輸入電壓最小值(取21V);U 0為輸出電壓(取350V);N 1、N 2為變壓器初次級匝數(shù)(取15匝和117匝);△U C2由漏感引起的尖峰電壓;I PK為漏感即初級峰值電流;L K為初級漏感(取0.4μH);C 2為外接電容(取30000pF);C 0為VT1~VT4輸出電容之和(取4000pF);I PAV為功率管導通期間總電流平均值;η為電源效率(取92%);D MAX為最大占空比(取0.7);△I p為開關管導通期電流變化量;t ONMAX為開關管最大導通時間(取23μs);L為變壓器初級電感值(取38μH);I L1MAX為L 1(取0.5mH)中通過的最大電流;P LK為漏感回饋到輸入端的能量;f為功率管開關頻率(取30kHz)。

由以上(1)~(6)式推導和化簡，可得出下式：

由(7)~(11)式可計算出功率管、電感L 1所承受的電流電壓應力(輸出功率550W時)以及反峰吸收電路回饋到輸入端的能量：

I PK=47A;U SMAX=188V;I L1MAX=1.5A;P LK=13.25W

同時由(7)~(11)式還可以看出：

(1)若要減小開關管電流應力I PK,則應增加占空比D和變壓器初級電感量L ;

(2)若要減小開關管電壓應力U SMAX,則應減小變壓器初級漏感L K,同時增加C 2值(C 0的值由功率管參數(shù)決定);

(3)若要減小電感L 1中最大電流I L1MAX,則應增大電感L 1的電感量;(4)采用反峰吸收電路后，節(jié)省能量13.25W,可提高電源效率約2個百分點。

由以上計算可知，4只功率管額定電流至少應大于50A,考慮到功率管參數(shù)的差異性，其導通電流不完全相等，并且一般要留一定的安全裕量，所以，實際應用每只功率管額定電流值應大于50A,通態(tài)電阻愈小愈好，而耐壓最好大于250V。

根據(jù)如下公式，可出計算出二極管VD0所承受的電壓應力U D0、電流應力I SK：

由U DO=U 0+U INMAXN 2/N 1

得：U DO=584V

由I PKN 1=I SKN 2

得：I SK=6A

其中：I SK為次級峰值電流值。

一般要留一定的安全裕量，所以，而選用二極管額定電壓應大于800V,額定電流應大于20A(考慮到過流、短路等因素)。

兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

若要增加輸出功率，采用如圖5并聯(lián)結(jié)構(gòu)，該電路結(jié)構(gòu)可輸出功率約1.1kW,用一只SG3525控制即可。

圖5 兩路單端反激并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)

試驗結(jié)果

由兩路單端反激并聯(lián)組成的逆變電源前級DC/DC電路(見圖5)，輸出功率約1.1kW,試驗結(jié)果如表1所示。

表1 前級DC/DC試驗結(jié)果

由上述DC/DC電路組成的1kVA逆變電源，輸出AC220V50Hz正弦波，試驗結(jié)果如表2所示，該電源體積320×200×60mm3。

隨著激光器和激光加工技術的發(fā)展，激光在合成樹脂材料上的應用越來越多，包含IT、汽車、航空航天、電子和醫(yī)學等很多領域。由于社會分工日益細化及部分產(chǎn)品同質(zhì)性越來越強，差異性越來越小，產(chǎn)品制造商除了制造優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品外，越來越注重通過加工技術獲得承載自身信息和實現(xiàn)產(chǎn)品信息可追溯的需要。同時客戶需要節(jié)約成本并提高制造效率，而激光在合成樹脂上日益呈現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢，因此選擇激光加工工藝這種方式的也越來越多。

隨著激光技術和合成樹脂成型技術的不斷創(chuàng)新？貝林激光順應市場需求，相繼推出了多脈寬、多頻率、多功率的優(yōu)質(zhì)可靠的納秒激光器，以滿足客戶需求，基于貝林激光器的實際應用經(jīng)驗，我們對樹脂加工的原理以及激光對樹脂的影響進行了簡單總結(jié)。

樹脂刻印、發(fā)色的原理

材料在接收到光能時都會發(fā)生“反射”、“吸收”和“透過”的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象也成為激光刻印、激光加工中的核心要素。其中，最重要的是材料對光能的吸收，材料吸收光能，直接破壞材料表面物質(zhì)的化學鍵，使被加工過的地方呈現(xiàn)出與其他地方不同的物理特性。

01

多層材料表層剝離

材料特點：樹脂基底，油漆表層

加工特點：低平均功率，小單脈沖能量，高頻率，多角度填充，高速度掃描

推薦激光器類型：高頻低功率紫外脈沖激光器

此類材料的油漆表層一般比較薄，基底材料對紫外光比較敏感，所以（因此？）加工能量不宜太大，否則會損傷基底材料；多角度填充主要是保證剝離均勻、徹底。

實例：物理按鍵

02

同質(zhì)材料表層剝離

材料特點：垂直材料表面方向物理性質(zhì)一致

加工特點：高頻快速掃描，表層直接氣化

此類材料加工的難點是控制剝離深度，剝離深度要均勻，被剝離表面顏色要均勻，這些都可以通過調(diào)整掃描速度和頻率來控制。

實例：樹脂表層剝離

03

材料表面發(fā)色

激光通過在樹脂上照射使工件本身發(fā)色。

不同的樹脂材料，激光使其發(fā)色的原理也不一樣，主要以下幾種方式

（1）起泡型：用較低的激光能量通過分子結(jié)構(gòu)的破壞引起顏色的改變和表面重構(gòu)，標記部分顏色略凸起于基材表面。

（2）雕刻型：通過將局部溫度升高至材料的熔點以上，使之熔化，然后重新凝固，表面將以蝕刻的形式出現(xiàn)。如圖片1所示

（3）色彩雕刻型：激光強度相對要高，通過對表面材料的局部蒸發(fā)產(chǎn)生脊狀溝，材料的碳化引起顏色的改變。如圖片2所示

（4）色彩性：用足夠短波長的激光，使材料分子鏈斷裂從而改變顏色，也可以通過添加定量的添加劑提高標記的對比度。如圖片3所示

激光對樹脂的影響

對材質(zhì)的吸收率因波長而異,圖4紅外（1064），綠光（532），紫外（355）對不同樹脂材質(zhì)透過率的實驗數(shù)據(jù)圖，由此可知紫外、綠光激光對PVC、ABS、聚苯乙烯的透過率均低、吸收率均高，可進行良好的刻印。

作為替代印刷和傳統(tǒng)切割的新型工藝，激光加工技術會在合成樹脂的加工方面以其獨特的優(yōu)越性和廣泛的實用性，被越來越多領域所采用。此外，合成樹脂制造工藝的進步會加快激光加工的發(fā)展。貝林激光將以不斷創(chuàng)新的精神加速滿足市場需求，推動激光器加工行業(yè)的快速發(fā)展，相信在不久的將來，貝林激光也會在樹脂加工等領域創(chuàng)造更好的業(yè)績。

文/貝林激光

來源：激光制造商情

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