激光在表面处理及三维建模中的应用

【论文摘要】本文介绍了激光在表面处理及三维建模中的几个典型应用，激光热处理技术解决了其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题，激光三维建模技术有效地解决了无人自动化生产线上元件三维信息的获取问题，另外，激光在智能识别、快速成型、焊接、熔覆涂层、微加工中也得到了广泛的应用。

1.前言

激光技术在信息领域、制造业(电子、半导体、机械、汽车、飞机等制造行业)、军事领域、智能化识别及医疗仪器等方面都具有重要应用，特别是激光微细加工向普通的微机械加工提出了巨大的挑战。 随着激光技术的进一步发展和市场的不断扩大，光制造技术将在所有制造领域内取代传统的机械制造，激光微制造技术使微精密元件成为可能，并使微系统朝着多样化和智能化方向发展，最终在汽车、医疗和环保领域得到更广泛的应用，在国民经济和工业发展中起着日益重要的作用。下面对激光在机械制造中的典型应用的核心内容予以介绍。

2. 激光在热处理方面的应用

激光热处理技术是近二十年来发展起来的一种新形材料表面处理技术，近些 年来，大功率激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种表面处理技术日益成熟，使得激光热处理技术的工业应用和深入研究异常活跃。

激光热处理技术的原理基于激光的穿透能力极强，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化，即激光相变硬化。

激光热处理技术可以解决其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。经过激光处理后，铸层表层强度可达HRC60度以上，中碳及高碳钢，合金钢的表层硬度可达HRC70度以上，从而提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀、防氧化等性能，延长其使用寿命。 3.激光在焊接方面的应用

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，该技术具有热影响区窄，焊缝小，大气压力下进行不要求保护气氛，不产生X射线，在磁场内不会出现束偏移等特点，又加之其焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料，因此很快在电子行业中实现了产业化。国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响。日本自九十年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变。目前，激光深熔焊接在粉末冶金材料加工领域中的应用也越来越多。

中国是世界钢材生产与消费的第一大国。近年来，为满足工业市场的加工需求，各种用于管材切割的激光加工系统相继问世，近几年，伴随我国金属管材产量和消费的迅速增长，先进激光加工系统解决方案已大量应用于管业生产加工，特别是在不锈钢、合金钢、硅钢、镀锌钢板、镍钛合金、铬镍铁合金、钛合金等金属管材的加工应用。

目前，虽然管材激光切割设备正在我国迅速普及，数控切割人才和激光管切技术需求的迅速增长，但是激光管切设备和数控切割人才及工艺的严重短缺和滞后，导致切割效率低、切割质量差、造成母材严重浪费的现象也被凸显出来。针对激光管切的主要技术问题，我们罗列了管业一些主要技术考量点供企业主们参考。

切割下料

对于大长度金属管材全行程自动激光切割下料的工艺要求，在机械结构上采用独特的双驱气动卡盘旋转机构，通过机床的运动对管材进行切割加工，随工作台沿工件轴向运动，可实现大长度金属管材全行程自动激光切割下料。

数控切割

数控切割是管材大批量、高效率、高质量的切割生产方式，数控切割的核心是数控切割系统。它是指数控系统的切割控制软件中提供先进的切割工艺和丰富的切割经验，使切割操作工人通过熟练使用控制系统，达到高质量、高效率的数控切割。

套料软件

首先，通过专业的管切套料软件在计算机上预先进行画图、套料、下料分段编程，生成NC切割程序，然后进行大长度金属管材全行程自动激光切割下料。专业的管材套料软件是实现数控管切机大批量、高效率、高质量切割生产的基础和前提条件。

切割工艺

由于管材切割（特别是对于小管径的方管材）时，溶渣附着于管内壁，切割产生的大部分热量被工件吸收，切割密度较大时，往往会造成管材过热，拐角及方管四个角过烧，严重影响切口质量，甚至无法切割。对此类问题可采用：保持切割喷嘴与工件表平面的焦点不变，使切割效果不随工件表面的变化而受影响；加大氧气压力的方法；通过软件提高尖角合成速度。

如今，激光管切技术正处在快速发展和不断完善的过程，随着计算机技术、机械结构、切割技术及优化算法的不断更新及发展，数控激光管切技术将更加突出的展现其智能、快速和优化的切割工艺和技艺，为激光管切机的高效切割、高质切割，以及节省管材和能耗，提供技术支撑。

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来源：激光制造网

众所周知，由电池供电的逆变电源通常都由两级组成，前级DC/DC电路将电池电压变换成直流约350V 电压，后级DC/AC电路将直流350V电压变换为交流220V电压。在这类逆变电源中，前级DC/DC电路一般供电电压较低(12V、24V或 48V)，输入电流较大，功率管导通压降高、损耗大，所以电源效率很难提高。其电路形式有：单端反激、单端正激、双管正激、半桥和全桥等，对于中小功率(约0.5~1kW)而言，单端反激电路具有一定优势，如：电路简单、控制方便、效率高等。本文就将以24V电池供电，输出350V/1kW为例，解析单端反激电路在逆变电源前级DC/DC电路中的应用。

常规单端反激电路结构

常规单端反激电路结构如图1所示，该电路的缺点在于功率管VT截止时，变压器初级的反峰能量，被VD1、C 1和R 1组成的吸收电路消耗掉;而且在输出功率相同的情况下，功率管通过电流(相对于多管并联)大，导通压降高，损耗大，所以效率和可靠性较低。

图1 常规单端反激电路结构

多管并联的单端反激电路结构

如图2所示，该电路的特点是，主功率电路采用4只功率管并联，每只功率管通过的电流为单管应用时的1/4(假定4只功率管参数一致)，则功率管的导通压降也 应为单管应用时的1/4.根据计算，在输出550W时，理论上，4管并联比单管可减小通态损耗约20W,提高效率近3个百分点。

图2 4只功率管并联主功率电路

采用能量回馈技术的单端反激电路结构

采用能量回馈技术的单端反激电路结构如图3所示，其主要波形如图4所示。在本电路中，用电容C 2、电感L 1、二极管VD1和VD2组成变压器初级反峰吸收电路，可使大部分反峰能量回馈到输入电容C 1上，减少了能量损耗，提高了电路效率。

图3 初级反峰吸收电路

图4 初级反峰吸收电路主要波形

其工作原理如下：

(1)t 0~t 1阶段：t 0时刻功率管截止，变压器初级电感L 、漏感L K、电容C 2和功率管输出电容C 0开始谐振，并很快使C 2电压达到U 0(N 1/N 2)，随后次级二极管导通，初级电压被钳位到U 0(N 1/N 2)，初级电感L 退出谐振，到t 1时刻I K为0,同时C 2和C 0上电压达到最大值，即开关管电压U S达到最大值(U IN+U C2MXA)。

(2) t 1~t 2阶段：在L K、C 2、C 0继续谐振，同时电感L 1参与谐振，C 2、C 0给输入电容C 1回馈能量，并且给L 1补充能量，到t 2时刻谐振停止，C 2电压又下降到U 0(N 1/N 2)。

(3)t 2~t 3阶段：t 2时刻开始，电感L 1给输入电容C 1回馈能量。C 2电压被钳位在(N 1/N 2)U 0、C 0即开关管上电压为U IN+(N 1/N 2)U 0,均保持不变，到t 3时刻，L 1中能量释放完毕。

(4)t 3~t 4阶段：开关管完全截止，C 2电压、C 0电压(即开关管电压)继续保持不变。

(5)t 4~t 5阶段：t 4时刻功率管导通，其电压U S开始下降，C 0开始通过开关管放电，并很快放完毕(全部损耗在功率管上);C 2和L 1开始谐振，即把C 2中的能量转移到L 1中，在t 5时刻L 1中电流达到最大值，功率管完全导通。

(6)t 5~t 6阶段：t 5时刻L 1通过VD1和VD2给输入电容C 1回馈能量，并给C 2充电到-U IN,到t 6时刻L 1中能量释放完毕。

(7)t 6~t 7阶段：该阶段功率管继续处于完全导通状态。

以上过程形成一个完整工作周期，可以看出，变压器漏感中的能量大部分被回馈到输入电容C 1中(C 0中有部分能量被消耗掉)，所以电源效率得到提高。

主要器件电压电流应力计算

由图3及原理分析，可得到如下计算公式：

其中：U SMAX即U C0MAX为功率管VT1~VT4所承受的最大电压应力：

U INMIN为输入电压最小值(取21V);U 0为输出电压(取350V);N 1、N 2为变压器初次级匝数(取15匝和117匝);△U C2由漏感引起的尖峰电压;I PK为漏感即初级峰值电流;L K为初级漏感(取0.4μH);C 2为外接电容(取30000pF);C 0为VT1~VT4输出电容之和(取4000pF);I PAV为功率管导通期间总电流平均值;η为电源效率(取92%);D MAX为最大占空比(取0.7);△I p为开关管导通期电流变化量;t ONMAX为开关管最大导通时间(取23μs);L为变压器初级电感值(取38μH);I L1MAX为L 1(取0.5mH)中通过的最大电流;P LK为漏感回馈到输入端的能量;f为功率管开关频率(取30kHz)。

由以上(1)~(6)式推导和化简，可得出下式：

由(7)~(11)式可计算出功率管、电感L 1所承受的电流电压应力(输出功率550W时)以及反峰吸收电路回馈到输入端的能量：

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

同时由(7)~(11)式还可以看出：

(1)若要减小开关管电流应力I PK,则应增加占空比D和变压器初级电感量L ;

(2)若要减小开关管电压应力U SMAX,则应减小变压器初级漏感L K,同时增加C 2值(C 0的值由功率管参数决定);

(3)若要减小电感L 1中最大电流I L1MAX,则应增大电感L 1的电感量;(4)采用反峰吸收电路后，节省能量13.25W,可提高电源效率约2个百分点。

由以上计算可知，4只功率管额定电流至少应大于50A,考虑到功率管参数的差异性，其导通电流不完全相等，并且一般要留一定的安全裕量，所以，实际应用每只功率管额定电流值应大于50A,通态电阻愈小愈好，而耐压最好大于250V。

根据如下公式，可出计算出二极管VD0所承受的电压应力U D0、电流应力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为次级峰值电流值。

一般要留一定的安全裕量，所以，而选用二极管额定电压应大于800V,额定电流应大于20A(考虑到过流、短路等因素)。

两路单端反激并联电路结构

若要增加输出功率，采用如图5并联结构，该电路结构可输出功率约1.1kW,用一只SG3525控制即可。

图5 两路单端反激并联电路结构

试验结果

由两路单端反激并联组成的逆变电源前级DC/DC电路(见图5)，输出功率约1.1kW,试验结果如表1所示。

表1 前级DC/DC试验结果

由上述DC/DC电路组成的1kVA逆变电源，输出AC220V50Hz正弦波，试验结果如表2所示，该电源体积320×200×60mm3。

随着激光器和激光加工技术的发展，激光在合成树脂材料上的应用越来越多，包含IT、汽车、航空航天、电子和医学等很多领域。由于社会分工日益细化及部分产品同质性越来越强，差异性越来越小，产品制造商除了制造优质的产品外，越来越注重通过加工技术获得承载自身信息和实现产品信息可追溯的需要。同时客户需要节约成本并提高制造效率，而激光在合成树脂上日益呈现出其独特的优势，因此选择激光加工工艺这种方式的也越来越多。

随着激光技术和合成树脂成型技术的不断创新？贝林激光顺应市场需求，相继推出了多脉宽、多频率、多功率的优质可靠的纳秒激光器，以满足客户需求，基于贝林激光器的实际应用经验，我们对树脂加工的原理以及激光对树脂的影响进行了简单总结。

树脂刻印、发色的原理

材料在接收到光能时都会发生“反射”、“吸收”和“透过”的现象，这些现象也成为激光刻印、激光加工中的核心要素。其中，最重要的是材料对光能的吸收，材料吸收光能，直接破坏材料表面物质的化学键，使被加工过的地方呈现出与其他地方不同的物理特性。

01

多层材料表层剥离

材料特点：树脂基底，油漆表层

加工特点：低平均功率，小单脉冲能量，高频率，多角度填充，高速度扫描

推荐激光器类型：高频低功率紫外脉冲激光器

此类材料的油漆表层一般比较薄，基底材料对紫外光比较敏感，所以（因此？）加工能量不宜太大，否则会损伤基底材料；多角度填充主要是保证剥离均匀、彻底。

实例：物理按键

02

同质材料表层剥离

材料特点：垂直材料表面方向物理性质一致

加工特点：高频快速扫描，表层直接气化

此类材料加工的难点是控制剥离深度，剥离深度要均匀，被剥离表面颜色要均匀，这些都可以通过调整扫描速度和频率来控制。

实例：树脂表层剥离

03

材料表面发色

激光通过在树脂上照射使工件本身发色。

不同的树脂材料，激光使其发色的原理也不一样，主要以下几种方式

（1）起泡型：用较低的激光能量通过分子结构的破坏引起颜色的改变和表面重构，标记部分颜色略凸起于基材表面。

（2）雕刻型：通过将局部温度升高至材料的熔点以上，使之熔化，然后重新凝固，表面将以蚀刻的形式出现。如图片1所示

（3）色彩雕刻型：激光强度相对要高，通过对表面材料的局部蒸发产生脊状沟，材料的碳化引起颜色的改变。如图片2所示

（4）色彩性：用足够短波长的激光，使材料分子链断裂从而改变颜色，也可以通过添加定量的添加剂提高标记的对比度。如图片3所示

激光对树脂的影响

对材质的吸收率因波长而异,图4红外（1064），绿光（532），紫外（355）对不同树脂材质透过率的实验数据图，由此可知紫外、绿光激光对PVC、ABS、聚苯乙烯的透过率均低、吸收率均高，可进行良好的刻印。

作为替代印刷和传统切割的新型工艺，激光加工技术会在合成树脂的加工方面以其独特的优越性和广泛的实用性，被越来越多领域所采用。此外，合成树脂制造工艺的进步会加快激光加工的发展。贝林激光将以不断创新的精神加速满足市场需求，推动激光器加工行业的快速发展，相信在不久的将来，贝林激光也会在树脂加工等领域创造更好的业绩。

文/贝林激光

来源：激光制造商情

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