激光加工技术应用与发展

席大鹏，廖 敏

（湖北工业大学工程实训中心，湖北 武昌 430068）

世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，50多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如信息光电子技术、激光医疗与光子生物学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光光谱分析技术、非线性光学、超快激光学、激光化学、量子光学、激光雷达、激光制导、激光分离同位素、激光可控核聚变、激光武器等等。这些交叉技术与学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。国内各类制造业接受了激光加工技术，使他们的产品广泛引用并加快产品更新的速度。

1 激光加工技术的应用现状

激光加工是激光应用最有发展前途的领域，现在已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。

激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。目前已成熟的激光加工技术包括：激光切割技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光快速成形技术、激光打孔技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。

2 最常用的三种激光加工技术

本文将简单介绍最常用的三种激光加工技术：切割、焊接与打标打孔。图1为激光加工的示意图。

图1 激光加工示意图

2.1 激光切割

激光切割是基于聚焦后的激光，具有极高的功率密度而使工件材料瞬时汽化蚀除。在激光切割中工件与激光要作相对运动以形成切缝。常用连续的或高重复率的大功率Nd有YAG激光器和CO2激光器。有时还用带有气体喷口的切割机，所用的气体一般为惰性气体或氧气，惰性气体主要为防止工件燃烧或氧化，喷射氧气可以加快切割速度，并能保护光学系统不被汽化的材料所污损。

激光切割是激光加工中发展最为成熟、采用最广的一种工艺加工。目前生产的激光切割机已能切割几厘米厚的钢板，切割速度是线切割速度的几十倍，而且切割无噪声，很容易使用数控方法进行50μm以下的高精度的切割，对细缝以及复杂曲线的切割特别有利。比如：喷丝头的型孔加工，精密零件的窄缝切割等。使用的激光器有YAG激光器和CO2激光器。由于激光的特点，激光可以切割几乎任何材料。激光切割半导体，划片速度为10~30mm/s，宽度为0.06mm，成品率达99%以上，比金刚石优越得多，可将1 cm2切割成几十个集成电路块，或几百个晶体管管芯。激光可代替锯子加工木材。在现代制衣行业中，经常用激光来切割皮革布料等，一次可以加工多层皮革，且无切割毛边，大大提高了效率和品质。激光切割硬而脆的材料，如玻璃、陶瓷等。大量的生产实践表明，切割金属时，采用同轴吹氧工艺，可以大大提高切割速度。

2.2 激光焊接

激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光焊接，用于比切割金属时功率较小的激光束，通过激光与材料的相互作用，使材料局部熔化而粘结在一起。然而波长为10.6μm CO2激光和波长为1.06μm的YAG激光作用于金属表面时大部分被反射，吸收率较低，但当金属达到熔化状态时，吸收率急剧上升，这给激光焊接提供了有利的条件。

目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。当采用以上激光器时，所使用的塑料材料不仅要求数量大，而且使用种类多，科技含量高，是塑料制品加工业中能获得高经济效益的最佳领域。因此，在塑料制品的加工过程中人们渴望一种更加快速、有效、干净的塑料焊接方式。随着材料和设备方面的进步，激光焊接技术作为一种连接塑料制品的专门方法得到了生产厂家的认可，主要用于连接敏感性塑料制品(含有线路板)，具有复杂几何形状的塑料件以及有严格洁净要求的塑料制品(医药设备)等等。绝大多数本色的塑料和许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 激光打标打孔

激光打标打孔在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。全固体紫外波段激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。

利用激光几乎可以在任何材料上打微型孔，目前以应用于火箭发动机和柴油机的燃油喷嘴加工，化学纤维喷丝板打孔，钟表及仪表中的宝石轴承打孔，高熔点金属钼板上加工微米量级孔径，在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔，在红、蓝宝石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模具，化学纤维的喷丝头等。用激光束在空间和时间上高度集中的特点，非常方便的可将光斑直径缩小到微米级。

激光打标技术已被广泛的应用于各行各业,为优质、高效、无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。随着现代激光标刻应用领域的不断扩展,对激光制造的设备系统小型化、高效率和集成化的要求也越来越高,新型高功率光纤激光技术的开发成功,必将对此产生极大的推动。

3 结束语

随着我国从制造业大国到制造业强国的转变，激光加工技术也慢慢走上了前台，在我国制造业中的地位越来越高。而随着激光技术的不断更新发展，激光应用已经渗透到了各行各业，如农业机械、汽车制造、材料加工及军工仪表等，进而提高每个行业的自主创新能力，形成新的经济增长点，提高技术能力和市场竞争能力。因此，鉴于激光加工技术的重要性，就需要提高激光加工技术在各行各业的地位，促进激光产业集团的建立和长远发展，集中力量，发挥优势，加速激光产品产业化、商品化和国家化的进程。

[1]宋威廉.激光加工技术的发展[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]孟永刚.激光加工技术[M].北京：国防工业出版社，2008.