激光在表面處理及三維建模中的應(yīng)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(gè)典型應(yīng)用，激光熱處理技術(shù)解決了其它表面處理方法無(wú)法解決或不好解決的材料強(qiáng)化問(wèn)題，激光三維建模技術(shù)有效地解決了無(wú)人自動(dòng)化生產(chǎn)線上元件三維信息的獲取問(wèn)題，另外，激光在智能識(shí)別、快速成型、焊接、熔覆涂層、微加工中也得到了廣泛的應(yīng)用。

1.前言

激光技術(shù)在信息領(lǐng)域、制造業(yè)(電子、半導(dǎo)體、機(jī)械、汽車(chē)、飛機(jī)等制造行業(yè))、軍事領(lǐng)域、智能化識(shí)別及醫(yī)療儀器等方面都具有重要應(yīng)用，特別是激光微細(xì)加工向普通的微機(jī)械加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。 隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，光制造技術(shù)將在所有制造領(lǐng)域內(nèi)取代傳統(tǒng)的機(jī)械制造，激光微制造技術(shù)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(chē)、醫(yī)療和環(huán)保領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展中起著日益重要的作用。下面對(duì)激光在機(jī)械制造中的典型應(yīng)用的核心內(nèi)容予以介紹。

2. 激光在熱處理方面的應(yīng)用

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

激光熱處理技術(shù)的原理基于激光的穿透能力極強(qiáng)，當(dāng)把金屬表面加熱到僅低于熔點(diǎn)的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，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(qiáng)化，即激光相變硬化。

激光熱處理技術(shù)可以解決其它表面處理方法無(wú)法解決或不好解決的材料強(qiáng)化問(wèn)題。經(jīng)過(guò)激光處理后，鑄層表層強(qiáng)度可達(dá)HRC60度以上，中碳及高碳鋼，合金鋼的表層硬度可達(dá)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(zhǎng)其使用壽命。 3.激光在焊接方面的應(yīng)用

激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，該技術(shù)具有熱影響區(qū)窄，焊縫小，大氣壓力下進(jìn)行不要求保護(hù)氣氛，不產(chǎn)生X射線，在磁場(chǎng)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)束偏移等特點(diǎn)，又加之其焊速快、與工件無(wú)機(jī)械接觸、可焊接磁性材料，尤其可焊高熔點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。國(guó)外利用固體YAG激光器進(jìn)行縫焊和點(diǎn)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(duì)電路管芯無(wú)影響。日本自九十年代以來(lái)，在電子行業(yè)的精密焊接方面已實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)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(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越多。

中國(guó)是世界鋼材生產(chǎn)與消費(fèi)的第一大國(guó)。近年來(lái)，為滿(mǎn)足工業(yè)市場(chǎng)的加工需求，各種用于管材切割的激光加工系統(tǒng)相繼問(wèn)世，近幾年，伴隨我國(guó)金屬管材產(chǎn)量和消費(fèi)的迅速增長(zhǎng)，先進(jìn)激光加工系統(tǒng)解決方案已大量應(yīng)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(yīng)用。

目前，雖然管材激光切割設(shè)備正在我國(guó)迅速普及，數(shù)控切割人才和激光管切技術(shù)需求的迅速增長(zhǎng)，但是激光管切設(shè)備和數(shù)控切割人才及工藝的嚴(yán)重短缺和滯后，導(dǎo)致切割效率低、切割質(zhì)量差、造成母材嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象也被凸顯出來(lái)。針對(duì)激光管切的主要技術(shù)問(wèn)題，我們羅列了管業(yè)一些主要技術(shù)考量點(diǎn)供企業(yè)主們參考。

切割下料

對(duì)于大長(zhǎng)度金屬管材全行程自動(dòng)激光切割下料的工藝要求，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用獨(dú)特的雙驅(qū)氣動(dòng)卡盤(pán)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)對(duì)管材進(jìn)行切割加工，隨工作臺(tái)沿工件軸向運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)度金屬管材全行程自動(dòng)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(jìn)的切割工藝和豐富的切割經(jīng)驗(yàn)，使切割操作工人通過(guò)熟練使用控制系統(tǒng)，達(dá)到高質(zhì)量、高效率的數(shù)控切割。

套料軟件

首先，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的管切套料軟件在計(jì)算機(jī)上預(yù)先進(jìn)行畫(huà)圖、套料、下料分段編程，生成NC切割程序，然后進(jìn)行大長(zhǎng)度金屬管材全行程自動(dòng)激光切割下料。專(zhuān)業(yè)的管材套料軟件是實(shí)現(xiàn)數(shù)控管切機(jī)大批量、高效率、高質(zhì)量切割生產(chǎn)的基礎(chǔ)和前提條件。

切割工藝

由于管材切割（特別是對(duì)于小管徑的方管材）時(shí)，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(shí)，往往會(huì)造成管材過(guò)熱，拐角及方管四個(gè)角過(guò)燒，嚴(yán)重影響切口質(zhì)量，甚至無(wú)法切割。對(duì)此類(lèi)問(wèn)題可采用：保持切割噴嘴與工件表平面的焦點(diǎn)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(guò)軟件提高尖角合成速度。

如今，激光管切技術(shù)正處在快速發(fā)展和不斷完善的過(guò)程，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、切割技術(shù)及優(yōu)化算法的不斷更新及發(fā)展，數(shù)控激光管切技術(shù)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(jī)的高效切割、高質(zhì)切割，以及節(jié)省管材和能耗，提供技術(shù)支撐。

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來(lái)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(jí)組成，前級(jí)DC/DC電路將電池電壓變換成直流約350V 電壓，后級(jí)DC/AC電路將直流350V電壓變換為交流220V電壓。在這類(lèi)逆變電源中，前級(jí)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(dǎo)通壓降高、損耗大，所以電源效率很難提高。其電路形式有：?jiǎn)味朔醇?、單端正激、雙管正激、半橋和全橋等，對(duì)于中小功率(約0.5~1kW)而言，單端反激電路具有一定優(yōu)勢(shì)，如：電路簡(jiǎn)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(jí)DC/DC電路中的應(yīng)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(diǎn)在于功率管VT截止時(shí)，變壓器初級(jí)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(guò)電流(相對(duì)于多管并聯(lián))大，導(dǎo)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(diǎn)是，主功率電路采用4只功率管并聯(lián)，每只功率管通過(guò)的電流為單管應(yīng)用時(shí)的1/4(假定4只功率管參數(shù)一致)，則功率管的導(dǎo)通壓降也 應(yīng)為單管應(yīng)用時(shí)的1/4.根據(jù)計(jì)算，在輸出550W時(shí)，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(gè)百分點(diǎn)。

圖2 4只功率管并聯(lián)主功率電路

采用能量回饋技術(shù)的單端反激電路結(jié)構(gòu)

采用能量回饋技術(shù)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(jí)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(jí)反峰吸收電路

圖4 初級(jí)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(shí)刻功率管截止，變壓器初級(jí)電感L 、漏感L K、電容C 2和功率管輸出電容C 0開(kāi)始諧振，并很快使C 2電壓達(dá)到U 0(N 1/N 2)，隨后次級(jí)二極管導(dǎo)通，初級(jí)電壓被鉗位到U 0(N 1/N 2)，初級(jí)電感L 退出諧振，到t 1時(shí)刻I K為0,同時(shí)C 2和C 0上電壓達(dá)到最大值，即開(kāi)關(guān)管電壓U S達(dá)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(shí)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(bǔ)充能量，到t 2時(shí)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(shí)刻開(kāi)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(kāi)關(guān)管上電壓為U IN+(N 1/N 2)U 0,均保持不變，到t 3時(shí)刻，L 1中能量釋放完畢。

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

(5)t 4~t 5階段：t 4時(shí)刻功率管導(dǎo)通，其電壓U S開(kāi)始下降，C 0開(kāi)始通過(guò)開(kāi)關(guān)管放電，并很快放完畢(全部損耗在功率管上);C 2和L 1開(kāi)始諧振，即把C 2中的能量轉(zhuǎn)移到L 1中，在t 5時(shí)刻L 1中電流達(dá)到最大值，功率管完全導(dǎo)通。

(6)t 5~t 6階段：t 5時(shí)刻L 1通過(guò)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(shí)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(dǎo)通狀態(tài)。

以上過(guò)程形成一個(gè)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(yīng)力計(jì)算

由圖3及原理分析，可得到如下計(jì)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(yīng)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(jí)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(jí)峰值電流;L K為初級(jí)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(dǎo)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期電流變化量;t ONMAX為開(kāi)關(guān)管最大導(dǎo)通時(shí)間(取23μs);L為變壓器初級(jí)電感值(取38μH);I L1MAX為L(zhǎng) 1(取0.5mH)中通過(guò)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(kāi)關(guān)頻率(取30kHz)。

由以上(1)~(6)式推導(dǎo)和化簡(jiǎn)，可得出下式：

由(7)~(11)式可計(jì)算出功率管、電感L 1所承受的電流電壓應(yīng)力(輸出功率550W時(shí))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(shí)由(7)~(11)式還可以看出：

(1)若要減小開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力I PK,則應(yīng)增加占空比D和變壓器初級(jí)電感量L ;

(2)若要減小開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力U SMAX,則應(yīng)減小變壓器初級(jí)漏感L K,同時(shí)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(yīng)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(gè)百分點(diǎn)。

由以上計(jì)算可知，4只功率管額定電流至少應(yīng)大于50A,考慮到功率管參數(shù)的差異性，其導(dǎo)通電流不完全相等，并且一般要留一定的安全裕量，所以，實(shí)際應(yīng)用每只功率管額定電流值應(yīng)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(jì)算出二極管VD0所承受的電壓應(yīng)力U D0、電流應(yīng)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(jí)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(yīng)大于800V,額定電流應(yīng)大于20A(考慮到過(guò)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(yàn)結(jié)果

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

表1 前級(jí)DC/DC試驗(yàn)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(yàn)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(shù)的發(fā)展，激光在合成樹(shù)脂材料上的應(yīng)用越來(lái)越多，包含IT、汽車(chē)、航空航天、電子和醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域。由于社會(huì)分工日益細(xì)化及部分產(chǎn)品同質(zhì)性越來(lái)越強(qiáng)，差異性越來(lái)越小，產(chǎn)品制造商除了制造優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品外，越來(lái)越注重通過(guò)加工技術(shù)獲得承載自身信息和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息可追溯的需要。同時(shí)客戶(hù)需要節(jié)約成本并提高制造效率，而激光在合成樹(shù)脂上日益呈現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此選擇激光加工工藝這種方式的也越來(lái)越多。

隨著激光技術(shù)和合成樹(shù)脂成型技術(shù)的不斷創(chuàng)新？貝林激光順應(yīng)市場(chǎng)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(mǎn)足客戶(hù)需求，基于貝林激光器的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)樹(shù)脂加工的原理以及激光對(duì)樹(shù)脂的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)單總結(jié)。

樹(shù)脂刻印、發(fā)色的原理

材料在接收到光能時(shí)都會(huì)發(fā)生“反射”、“吸收”和“透過(guò)”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(duì)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(xué)鍵，使被加工過(guò)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(diǎn)：樹(shù)脂基底，油漆表層

加工特點(diǎn)：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(lèi)型：高頻低功率紫外脈沖激光器

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

實(shí)例：物理按鍵

02

同質(zhì)材料表層剝離

材料特點(diǎn)：垂直材料表面方向物理性質(zhì)一致

加工特點(diǎn)：高頻快速掃描，表層直接氣化

此類(lèi)材料加工的難點(diǎn)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(guò)調(diào)整掃描速度和頻率來(lái)控制。

實(shí)例：樹(shù)脂表層剝離

03

材料表面發(fā)色

激光通過(guò)在樹(shù)脂上照射使工件本身發(fā)色。

不同的樹(shù)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(guò)分子結(jié)構(gòu)的破壞引起顏色的改變和表面重構(gòu)，標(biāo)記部分顏色略凸起于基材表面。

（2）雕刻型：通過(guò)將局部溫度升高至材料的熔點(diǎn)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(qiáng)度相對(duì)要高，通過(guò)對(duì)表面材料的局部蒸發(fā)產(chǎn)生脊?fàn)顪?，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(zhǎng)的激光，使材料分子鏈斷裂從而改變顏色，也可以通過(guò)添加定量的添加劑提高標(biāo)記的對(duì)比度。如圖片3所示

激光對(duì)樹(shù)脂的影響

對(duì)材質(zhì)的吸收率因波長(zhǎng)而異,圖4紅外（1064），綠光（532），紫外（355）對(duì)不同樹(shù)脂材質(zhì)透過(guò)率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，由此可知紫外、綠光激光對(duì)PVC、ABS、聚苯乙烯的透過(guò)率均低、吸收率均高，可進(jìn)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(shù)會(huì)在合成樹(shù)脂的加工方面以其獨(dú)特的優(yōu)越性和廣泛的實(shí)用性，被越來(lái)越多領(lǐng)域所采用。此外，合成樹(shù)脂制造工藝的進(jìn)步會(huì)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(mǎn)足市場(chǎng)需求，推動(dòng)激光器加工行業(yè)的快速發(fā)展，相信在不久的將來(lái)，貝林激光也會(huì)在樹(shù)脂加工等領(lǐng)域創(chuàng)造更好的業(yè)績(jī)。

文/貝林激光

來(lái)源：激光制造商情

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