先进制造技术之激光加工
摘要：激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术。作为一种新的激光应用技术，它的发展前景不可小觑。本文将分别介绍激光加工技术的原理、特点、应用，并对其发展前景进行论述。
关键字：激光加工技术；原理；特点；应用；发展前景
引言:激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业（大到航天器、飞机、汽车工业，小到微电子、信息、生物细胞分离等微技术）。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业。
激光制造技术具有许多传统制造技术所没有的优势，是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。例如，材料浪费少，在大规模生产中制造成本低；根据生产流程进行编程控制（自动化），在大规模制造中生产效率高；可接近或达到“冷”加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的适应性强，且不受电磁干扰，对制造工具和生产环境的要求低；噪声低，不产生任何有害的射线与残剩，生产过程对环境的污染小等等。因此，为适应21世纪高新技术的产业化、
满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。可以预言，激光制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速普及的高新技术。
一、 激光加工原理
激光加工机主要有机关发生器、光学加工系统及工件系统三部分组成，在这三部分中都有很多控制要素，这些控制要素作为加工条件都影响工件的加工特性。
激光加工，就是激光被工件表面吸收，光能转化为热能，因其表面升温，致使工件表面组织发生变化，出现熔融、蒸发等现象，完成工件的加工。在加工的同时，可依据加工的要求，利用监控系统选择不同的能量密度和照射时间。
二、 激光加工的应用
激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70％和20％，表面处理则不到10％。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50％）和切割（15％）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了70~80％。我国激光加工中以切割为主的占10％，其中98％以上的CO2激光器，功率在1.5kW~2kW范围内，而以热处理为主的约占15％，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。
在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。
到了80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。
目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功
率高达30~50kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。
几种典型激光加工应用:
1.激光切割
激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比 , 激光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点。
2.激光焊接
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件焊接中。与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小。能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。
3.激光钻孔
随着电子产品朝着便携式、小型化的方向发展，对电路板小型化提出了越来越高的需求，提高电路板小型化水平的关键就是越来越窄的线宽和不同层面线路之间越来越小的微型过孔和盲孔。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm，这显然已不能满足要求，代而取之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40μm的小孔或用UV激光加工10μm左右的小孔。目前在世界范围内激光在电路板微孔制作和电路板直接成型方面的研究成为激光加工应用的热点，利用激光制作微孔及电路板直接成型与其它加工方法相比其优越性更为突出，具有极大的商业价值。
三、 激光加工的特点
由于激光具有高强度、高方向性、高单色性、高相干性的特点，可以再极小的立体角（如纳秒到飞秒量级）内作用到工件上，形成极高的温度，导致激光加工具有以下特点：
1、由于激光加工的功率密度极高，并且穿透力大，利用这一优异的特点可以加工几乎所有的材料，油漆是以往加工方法不能加工的材料和工件，如钟表宝石轴承、金刚石模具、化纤工业喷头、火箭发动机燃料喷嘴等。
2、激光加工是将激光束聚焦到工件表面，用以去除或熔化材料，以改变工件表面的性能，属于非接触式加工，加工速度快，生产效率高，无噪声。
3、激光加工是将激光束照射到物体的局部表面，虽然加工部位温度很高，但移动速度很快，热影响区很小，热变形和加工变形很小。
4、由于激光束经光学系统聚焦，可在被照射材料表面上形成微米量级的极小光斑，并且可以产生飞秒级的超短光脉冲，因此可以进行普通加工难以做到的非常精细的微加工。
5、由于激光的空间控制性和时间控制性很好，激光束易于导向和聚焦，其能量、功率、光束的移动速度及光斑大小等都可以调节和控制，因此便于和机器人、计算机、数控机床、自动检测等技术和设备相结合，可以实现各种灵活的加工和自动化加工。
6、激光加工与电子束加工相比，其优越性是可以在大气中进行，不必在真空中进行，不受电磁干扰，设备相对简单，使用方便，性能良好。
7、可以一机多用通过设计适当的装置和条件，同一台机器可以完成如打孔、焊接等不同的功能。
8、激光加工不但可以加工金属等非透明体，也可以加工玻璃、有机玻璃等透明体；不但可以在工件表面进行加工，也可以透过透明体表面、在工件内部进行加工，如激光三维雕刻等。
激光加工技术有效地利用了激光的优异性能，正在改变着以往的加工和生产方式，使生产效率大幅度提高，是机加工中最有竞争力的一种替代手段，在激光应用中占有重要的地位。
四、 激光加工的发展前景
由于激光加工技术有着其它加工技术没有的优点，现今激光加工技术已应用在半导体和微电子产业、汽车工业、船舶制造业中，在于对各种金属材料的加工，各种材料的激光标刻、快速成型、模压全息、光栅制造等各方面都得到越来越广泛的应用，相信激光在材料加工领域的应用将会带来一场加工业的革命，我们也期待着长变革的到来。 参考文献：中国电子报
《先进制造技术》
《 科技博览》
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