神通激光

第一节 穿钢断铁的利器

　　在科学技术发展的道路上，往往有这种情况：一门新科学、一种新技术的出现，打开了新的通道，于是，万象更新，创造出惊人的奇迹来。激光的出现，就是这样，从问世到现在，虽然仅仅经过40年的发展，却已为人类立下了丰伟的功绩……

　　一辆自行车，一台摩托车，都是由各种各样的零部件组装成的。我们仔细观察一下，就会发现，自行车和摩托车的许多零件都有孔，通过这些孔，用螺钉或铆钉把这些零件相互连接起来。

　　金属零件上的孔是怎么“打”出来的呢？有的零件是冲压制造的，孔也就在冲压制造零件时“打”出来了。大多数机械零件上的孔，都是采用一种钻孔用的钻床“打”出来的。钻床上安装有一种像麻花一样的钻头，俗称“麻花钻”。钻头在机床动力驱动下，高速旋转起来，那锋刃的头部便能钻进钢铁零件里去，钻掉的铁屑从麻花状的沟槽中跑出来，金属零件就被钻出了孔。

　　在工业上，常常有许多零件需要打孔，打孔是一种不可缺少的机械加工工序。生产的发展，技术的进步，对打孔的孔径、精度和效率提出了更高的要求，譬如说，要求打出比头发丝还细小得多的微孔，要求打出的孔形状十分规整，通常的机械打孔方法已经远远满足不了甚至没有办法达到这些要求。

　　激光的出现，为我们提供了一种极好的打孔技术——激光打孔。

　　激光打孔，其实说它是“打孔”，不如说它是“烧孔”。激光打孔是利用激光的高亮度（高热度）和高定向性的特点，采取聚焦方法把激光的光能集中在空间的一定范围内，从而获得比较大的光的功率密集度，产生几千度到几万度的高热。在这么高的温度下，一些高熔点的金属和非金属材料都会迅速熔化，甚至汽化。

　　激光“烧孔”是怎么回事呢？

　　让我们来做一个小实验，观察一下光是怎样“烧孔”的吧。我们将放大镜对准太阳，让阳光透过放大镜而照射在下面的纸上，手拿放大镜上下移动，直到纸上的光斑变得很小很亮为止。本来太阳光照到的地方就热，这个点又是太阳光经过透镜而集中的地方，那就更热了，这个点就会被烤焦，甚至会着起火来。正是由于这个缘故，人们把放大镜叫做“火镜”，而把光线会聚、使物体烤焦的点叫做透镜的焦点。

　　从这里，我们可以想到，激光的亮度比太阳的亮度要高几十万倍至几百万倍，而且，激光本身的定向性就极好，如果再采取光学方法加以聚焦的话，那不是很容易得到温度极高的光束，一种用来烧穿一切材料的光束吗？

　　那么，为什么说“激光打孔”呢？

　　根据研究，功率密度极高的聚焦激光束“打”在工件上，在工件上极小的区域内产生上万度的高温，使工件表面材料急剧熔化，从而迅速汽化蒸发。在千分之几秒的瞬间，犹如产生了一次微型的爆炸，汽化的物质以比声速还快的速度喷射出来，产生一缕青烟。物质喷射的反冲力在工件内部形成一个强有力的冲击波，在冲击波的作用下，工件就被打出了一个孔。因此，这个孔确实是“打”出来的。

　　现代工业技术使用耐熔的硬质材料越来越多，而要在这样的材料上打出极细小的孔，成为机械加工中的技术难题。例如，生产化学纤维用的“喷丝头”，就是机械加工“难啃的骨头”。

　　在我们的生活中，化学纤维衣物和织品日益增多，涤棉、腈纶、涤纶、锦纶、尼龙名目繁多的化学纤维衣服、被褥、窗帘和袜子等。在这些化学纤维的织物中，纤维丝都是比头发还要细的。生产这些化学纤维，需要有一种喷丝头，就像浇花水壶的喷头或淋浴器的喷头那样。这种化学纤维喷丝头，是用难熔的硬质合金制成的，直径约为10厘米，在这么大一块金属圆盘上要打出10000多个直径只有0.06毫米的小孔，而且小孔直径的大小要一样。如果小孔有的大，有的小，那么，从喷丝头“喷”出来的化学纤维就会粗细不均匀，那就是一堆废品。要在那么一块圆盘上密密麻麻地打出10000多个要求严格的小孔，如果采取机械加工的方法，需要四五个熟练工人干七八天才能完成，而采用激光打孔的方法，只需要2小时就完成了。而且，机械加工方法很难保证小孔大小一致，激光打孔却可以完全保证质量，还省去大量的检验时间。

　　激光打孔，通常采用重复脉冲式固体激光器，聚焦的激光束所到之处，一缕青烟升起，小孔即时出现。在各种硬度很高的金属或非金属材料、元件上，打出十分细微的小孔，直径几十微米的，甚至只有几微米的。例如，钟表的宝石轴承，金刚石拉丝模具，锅炉和发动机使用的硬质合金喷油嘴，喷气发动机上用的涡轮导向叶片，电子束喷枪，以及陶瓷、玻璃、橡胶和塑料等制品，都可以利用激光来打孔。

　　激光打孔的第一个特点是精确。激光打孔采用光学瞄准，定位精度高，打出来的孔位置准确，孔形十分好。在金属、金刚石、陶瓷上，可以打出直径只有10微米的细孔，孔径与孔深之比为1：50，小孔又细又深。

　　激光打孔的第二个特点是神速。激光打孔速度极快，加工效率非常高。在金刚石上打穿一个孔，普通机械加工方法需要几个小时，激光打孔则只需要不到0.01秒。因此，钟表工业采用高自动化的钻石轴承激光打孔机，生产效率和产品质量都显著提高。

　　激光打孔的第三个特点是方便。激光打孔是利用聚焦的光束，不需要钻头，这样就避免了钻头磨损、折断和更换等麻烦，操作十分方便，而且可以在工件运动过程中进行加工。激光打孔使用灵活，不仅可以在空气中，而且可以在真空中或其他气体环境中进行工作。此外，激光束也可以穿过玻璃等透明物质，以非接触方式给玻璃罩或透明壳体内的工件打孔；还可以借助于光学成像方法，在盲孔底部或侧深部位进行打孔。

　　激光能够打孔，如果在打孔时移动激光束或移动工件，像缝纫机机针在布料上穿孔那样，结果将怎么样呢？那就会连续地打出一排小孔，正如一大张邮票，每一枚邮票同其他枚邮票之间有一行小孔一样。如果让激光打出的孔接连成一条线，就可以将工件截断。因此，激光这支神钻也可以用来切割材料，特别是切割那些用普通机械方法难以切割的高硬度、高熔点的金属或非金属材料以及脆性材料。激光切割速度快，效率高；切缝窄，材料损耗少；切割边缘光洁，尺寸准确。

　　激光能够打孔，是因为聚焦激光束温度极高，如果采用适当的方法控制光束的能量，让它只把材料烧熔而不把材料“烧穿”，那就可以用来将两块材料或两个工件熔合在一起，这就是激光焊接。激光焊接要比普通的“水焊”（气焊）和电焊“神”多啦！它不仅可以用在两种不同材料的工件之间焊接，还可以用在金属和非金属材料之间进行焊接。激光既可以焊接大型造船钢板、汽车底盘及各种发动机管路，又可以焊接微型元件，如仪表游丝、电子器件引线、印刷电路和集成电路等。激光焊接的主要特点是定位精确、操作灵活、焊区范围窄小，不容易引起焊区周围的受热变形和机械变形，不容易产生溅污，此外，还具有成本低、效率高和容易实现自动化等优点。

　　目前，我国激光加工技术已跻身于国际先进行列。例如，我国第一台高平均功率Nd：YAG激光加工机，总体指标达到国际先进水平。这种激光加工机的主体部分激光器平均输出功率800瓦，单脉冲输出能量为98焦以上。整机可连续工作16小时，供机械、电子、航空、仪表和轻工等部门工业化应用。这种激光加工机可以切割最硬的人造金刚石材料，焊接熔点高达3300℃以上的钨铼金属，将不同材料焊接在一块。