激光加工技術應用與發展

席大鵬，廖 敏

（湖北工業大學工程實訓中心，湖北 武昌 430068）

世界上第一臺激光器誕生于1960年，我國于1961年研制出第一臺激光器，50多年來，激光技術與應用發展迅猛，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如信息光電子技術、激光醫療與光子生物學、激光加工技術、激光檢測與計量技術、激光全息技術、激光光譜分析技術、非線性光學、超快激光學、激光化學、量子光學、激光雷達、激光制導、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等等。這些交叉技術與學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展。國內各類制造業接受了激光加工技術，使他們的產品廣泛引用并加快產品更新的速度。

1 激光加工技術的應用現狀

激光加工是激光應用最有發展前途的領域，現在已開發出20多種激光加工技術。激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，特別適用于自動化加工。

激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。目前已成熟的激光加工技術包括：激光切割技術、激光焊接技術、激光打標技術、激光快速成形技術、激光打孔技術、激光去重平衡技術、激光蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表面處理技術。

2 最常用的三種激光加工技術

本文將簡單介紹最常用的三種激光加工技術：切割、焊接與打標打孔。圖1為激光加工的示意圖。

圖1 激光加工示意圖

2.1 激光切割

激光切割是基于聚焦后的激光，具有極高的功率密度而使工件材料瞬時汽化蝕除。在激光切割中工件與激光要作相對運動以形成切縫。常用連續的或高重復率的大功率Nd有YAG激光器和CO2激光器。有時還用帶有氣體噴口的切割機，所用的氣體一般為惰性氣體或氧氣，惰性氣體主要為防止工件燃燒或氧化，噴射氧氣可以加快切割速度，并能保護光學系統不被汽化的材料所污損。

激光切割是激光加工中發展最為成熟、采用最廣的一種工藝加工。目前生產的激光切割機已能切割幾厘米厚的鋼板，切割速度是線切割速度的幾十倍，而且切割無噪聲，很容易使用數控方法進行50μm以下的高精度的切割，對細縫以及復雜曲線的切割特別有利。比如：噴絲頭的型孔加工，精密零件的窄縫切割等。使用的激光器有YAG激光器和CO2激光器。由于激光的特點，激光可以切割幾乎任何材料。激光切割半導體，劃片速度為10~30mm/s，寬度為0.06mm，成品率達99%以上，比金剛石優越得多，可將1 cm2切割成幾十個集成電路塊，或幾百個晶體管管芯。激光可代替鋸子加工木材。在現代制衣行業中，經常用激光來切割皮革布料等，一次可以加工多層皮革，且無切割毛邊，大大提高了效率和品質。激光切割硬而脆的材料，如玻璃、陶瓷等。大量的生產實踐表明，切割金屬時，采用同軸吹氧工藝，可以大大提高切割速度。

2.2 激光焊接

激光焊接技術具有溶池凈化效應，能純凈焊縫金屬，適用于相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高，對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。激光焊接，用于比切割金屬時功率較小的激光束，通過激光與材料的相互作用，使材料局部熔化而粘結在一起。然而波長為10.6μm CO2激光和波長為1.06μm的YAG激光作用于金屬表面時大部分被反射，吸收率較低，但當金屬達到熔化狀態時，吸收率急劇上升，這給激光焊接提供了有利的條件。

目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。當采用以上激光器時，所使用的塑料材料不僅要求數量大，而且使用種類多，科技含量高，是塑料制品加工業中能獲得高經濟效益的最佳領域。因此，在塑料制品的加工過程中人們渴望一種更加快速、有效、干凈的塑料焊接方式。隨著材料和設備方面的進步，激光焊接技術作為一種連接塑料制品的專門方法得到了生產廠家的認可，主要用于連接敏感性塑料制品(含有線路板)，具有復雜幾何形狀的塑料件以及有嚴格潔凈要求的塑料制品(醫藥設備)等等。絕大多數本色的塑料和許多有色的半透明塑料都能被激光焊接，例如聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚苯烯(PP)等材料。

2.3 激光打標打孔

激光打標打孔在各種材料和幾乎所有行業均得到廣泛應用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產品的防偽有特殊的意義。全固體紫外波段激光打標是近年來發展起來的一項新技術，特別適用于金屬打標，可實現亞微米打標，已廣泛用于微電子工業和生物工程。

利用激光幾乎可以在任何材料上打微型孔，目前以應用于火箭發動機和柴油機的燃油噴嘴加工，化學纖維噴絲板打孔，鐘表及儀表中的寶石軸承打孔，高熔點金屬鉬板上加工微米量級孔徑，在硬質碳化鎢上加工幾十微米的小孔，在紅、藍寶石上加工幾百微米的深孔以及金剛石拉絲模具，化學纖維的噴絲頭等。用激光束在空間和時間上高度集中的特點，非常方便的可將光斑直徑縮小到微米級。

激光打標技術已被廣泛的應用于各行各業,為優質、高效、無污染和低成本的現代加工生產開辟了廣闊的前景。隨著現代激光標刻應用領域的不斷擴展,對激光制造的設備系統小型化、高效率和集成化的要求也越來越高,新型高功率光纖激光技術的開發成功,必將對此產生極大的推動。

3 結束語

隨著我國從制造業大國到制造業強國的轉變，激光加工技術也慢慢走上了前臺，在我國制造業中的地位越來越高。而隨著激光技術的不斷更新發展，激光應用已經滲透到了各行各業，如農業機械、汽車制造、材料加工及軍工儀表等，進而提高每個行業的自主創新能力，形成新的經濟增長點，提高技術能力和市場競爭能力。因此，鑒于激光加工技術的重要性，就需要提高激光加工技術在各行各業的地位，促進激光產業集團的建立和長遠發展，集中力量，發揮優勢，加速激光產品產業化、商品化和國家化的進程。

[1]宋威廉.激光加工技術的發展[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]孟永剛.激光加工技術[M].北京：國防工業出版社，2008.