激光加工技术论文

激光加工技术的应用与发展

摘要：

关键词：

1.引言：

1.激光加工的原理

激光加工是以激光为热源对工件进行热加工。

从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达107～1012瓦／厘米2，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固体激光器（图1）和气体激光器（图2）。使用二氧化碳气体激光器切割时，一般在光束出口处装有喷嘴，用于喷吹氧、氮等辅助气体，以提高切割速度和切口质量。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。

加工过程大体上可分为如下几个阶段：

1.激光束照射工件材料（光的辐射能部分被反射，部分被吸收并对材料加热，部分因热传导而损失）；

2.工件材料吸收光能；

3.光能转变成热能是工件材料无损加热（激光进入工件材料的深度极浅，所以在焦点中央，表面温度迅速升高）；

4.工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏；

5.作用结束与加工区冷凝。

３.主要特点

（1）、激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结 合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度；（2）、激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题；（3）、工件不受应力，不易污染；（4）、可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工；（5）、激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工；（6）、激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光加工；（7）、在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。[2]

４.激光加工技术种类

主要包括激光焊接技术、激光切割技术、激光钻孔技术、激光打孔技术、激光微调技术、激光热处理技术。

4.1激光焊接技术

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。

[3]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。

4.2激光切割技术

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。 它包括：

4.2.1激光熔化切割

在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去。因为材料的转移只发生在其液态情况下，所以该过程被称作激光熔化切割。

4.2.2激光火焰切割

激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于使用气

作为切割气体，借助于氧气和加热后的金属之间的相互作用，产生化学反应材 料进一步加热。对于相同厚度的结构钢，采用该方法可得到的切割速率比熔化 切割要高。

4.2.3激光气化切割

为了防止材料蒸气冷凝到割缝壁上，材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径。该加工因而只适合于应用在必须避免有熔化材料排除的情况下。

4.3激光钻孔

传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm ，这显然已不能满足工业发展要求，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。

4.4激光打孔

采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.1～1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005～1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝 头等工件的加工。在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。[4]用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。

4.5激光微调

激光微调精度高、速度快，适于大规模生产。可以修复有缺陷的集成电路的掩模，修补集成电路存储器以提高成品率，还可以对陀螺进行精确的动平衡调节。

4.6激光热处理

用激光照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面熔化和再结晶，达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度，可以选择和控制热处理部位，工件变形小，可处理形状复杂的零件和部件，可对盲孔和深孔的内壁进行处理。

5.激光加工应用

5.1在服装行业的应用

因为激光加工工艺具有自动化程度高、加工精确高、速度快、效率高、操作简单方便等特点，适应了国际服装生产技术潮流所以激光加工技术以及设备正在以惊人的速度在服装行业内得到推广和普及。

5.1.1激光切割应用

激光切割过程中，不会使布料变形或起皱，激光切割尺寸精度高，激光切割形状可随着图稿进行任意更改，增加了设计的实用性和创造性。另外，激光切割技术是用“激光刀”代替金属刀，激光切割任何面料，能瞬间将切口熔化并凝固，缝隙小、精确度高达到自动“锁边”的功能。传统工艺用刀模切割或热加工，切口易脱丝、发黄、发硬。

5.1.2激光雕刻应用

激光雕刻是利用软件技术，按设计图稿输入数据进行自动雕刻。激光雕刻是激光加工技术在服装行业中运用最成熟、最广泛的技术，能雕刻任何复杂图形标志，还可以进行射穿的镂空雕刻和表面雕刻，从而雕刻出深浅不一、质感不同、具有层次感和过渡颜色效果的各种图案。

5.1.3激光打标应用

激光打标具有打标精度高、速度快、标记清晰等特点。激光打标兼容了激光切割、雕刻技术的各种优点，可以在各种材料上进行精密加工，还可以加工尺寸小且复杂的图案，激光标记具有永不磨损的防伪性能。

5.2在电子工业中的应用

激光加工技术属于非接触性加工方式，所以不产生机械挤压或机械应力，特别符合电子行业的加工要求。另外，还由于激光加工技术的高效率、无污染、高精度、热影响区小，因此在电子工业中得到广泛应用。

5.2.1激光划片

激光划技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为15-25μm，槽深5-200μm)、加工速度快(可达200mm/s)，成品率达 99.5%以上。集成电路生产过程中，在一块基片上要制备上千个电路，在封装前要把它们分割成单个管芯。可通过调节脉冲重叠量可精确控制刻槽深度，使硅片很容易沿沟槽整齐断开，也可进行多次割划而直接切开，形成单个管芯。由于激光被聚焦成极小的光斑，热影响区极小，切划50μm深的沟槽时，在沟槽边25μm的地方温升不会影响有源器件的性能。

5.2.2激光微调

激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%一0.002%，比传统方法的精度和效率高，成本低。集成电路、传感器中的电阻是一层电阻薄膜，制造误差达上15一20%，只有对之进行修正，才能提高那些高精度器件的成品率。激光可聚焦成很小的光斑，能量集中，加工时对邻近的元件热影响极小，不产生污染，又易于用计算机控制，因此可以满足快速微调电阻使之达到精确的预定值的目的。[5]

5.2.3激光打标

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。激光打标有雕刻和掩模成像两种方式:掩模式打标用激光把模版图案成像到工件表面而烧蚀出标记。[5]雕刻式打标是一种高速全功能打标系统，激光束经二维光学扫描振镜反射后经平场光学镜头聚焦到工件表面，在计算机控制下按设定的轨迹使材料汽化，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。激光标记是永久性的，不易磨损，这对产品的防伪有特殊的意义。

5.3在汽车工业中的应用

应用于汽车工业的激光加工技术主要有激光切割和激光焊接(约占60％)、激光打孔和打标(约占19％)， 激光表面处理和研发(约占15％)。激光加工技术既是新产品开发的技术保证，又是生产高质量、低成本汽车的有效和不可或缺的技术手段。在国外，主要应用如下：

(1)、白车身激光焊接：汽车工业中的在线激光焊接大量用在白车身冲压零件的装配和联接上。主要应用包括：车顶盖激光焊、行李箱盖激光钎焊及车架激光焊接。

(2)、不等厚激光拼焊板：车身制造采用不等厚激光拼焊板可减轻车身重量，减少零件数量，提高安全可靠性及降低成本。

(3)、齿轮及传动部件焊接：汽车自动变速器驻车棘轮的材料有淬火钢、奥氏体钢和特种合金等，通过激光焊接技术，可将这些不同组分的材料连接起来，而且无裂纹出现。

(4)、非金属及对电磁性、变形或热影响有要求的汽车零件焊接。

(5)、激光切割：在汽车工业中，激光切割主要用于新车型开发过程快速切割车身样件。

(6)、激光打孔：喷油嘴打孔是激光打孔最具潜力的一项应用。

(7)、激光热处理及涂敷：激光涂敷是近十几年开展起来的大规模研究的新

技术，在普通金属材料表面涂敷一层耐磨、耐蚀特殊合金涂层的前景十分诱人。

(8)、激光打标：从设备数量看，激光打标是应用最多的激光加工技术，主要用在零件的标记及识别上。[6]

5.4激光焊接在农业机械中的应用

激光焊接在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上均优于常规焊接方法，其特点是被焊接工件变形极小，能量密度高，精确控制，穿透能力强，焊缝的深宽比高，热输入量低，热影响区小，焊接质量比传统焊接方法好，可应用于农

机制造。如耕作、播种和收获机械的许多零部件其切割原理直接与土壤接触，需要极强的抗阻能力，应用激光焊接技术可大大提高关键部件的加工质量，延长农机具的使用寿命。[7]并且，激光焊接不受磁场的影响，不局限于导电材料，不需要真空的工作条件，适用于农机制造的环境，在农机制造中的应用会越来越广泛。

6.激光加工技术现状及国内外发展趋向

6.1激光加工技术现状和各领域的发展

作为20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。 激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业革新的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对种种质料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据1997~1998年的最新激光市场品评和预测，1997年全世界总激光器市场贩卖额达32.2亿美元，比1996年增长14％，其中质料加工为8.29亿美元，医疗应用3亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增长19％，可到达38.2亿美元。其中占第一位的质料加工预计凌驾10亿美元，医用激光器是外国第二大应用。

6.2激光制造体系的发展

用于制造业中的激光体系即激光制造体系，由激光器、激光传输体系、激

光聚焦体系、控制体系、活动体系、传感与检测体系组成，其焦点为激光器。 激光作为热源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的效果。激光光束质量的好坏可以采用

光束远场发散角、光束聚焦特性参数值Kf和衍射极限倍因子M2(M)或光束传输因子K值来表现。对小功率激光器，如果物质均匀稳固，通常可以实现基模输出，其光束横截面能量散布为高斯散布，且在传输过程中连结稳固，光束质量较好；对于大功率激光器，一般不易得到基模输出，输出的通常为多模激光束，激光光束质量变差。现在工业上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器两种。大功率激光器的工业应用领域很广，激光切割、激光焊接都需要优良

的光束质量，而寻求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不停发展的目的。 从1964年第一台CO2激光器出现到如今，经过四十多年的发展，从封离式CO2激光器、慢速轴流CO2激光器、横流CO2激光器，到高频罗兹泵型快速轴流、射频turbo型快速轴流以至现在出现的扩散型Slab CO2激光器的发展中可以看到,一方面激光输出功率不断前进，体积不断缩小，另一方面激光器的屈从不断发展，光束质量越来越好。扩散型Slab CO2激光器光束横截面上光强分布靠近高斯分布，具有极好的光束质量，在加大的激光加工区焦点的漂移很小，非常有利于大领域激光传输与聚集，这对大尺寸工件的切割应用非常重要。 工业用固体YAG激光器也经历了从小功率灯泵浦（棒状）、灯泵浦（板条）、双灯泵浦（多棒）到光纤泵浦（棒状）、半导体泵浦（棒状）和片状固体激光器的历程。由于受物质热物理性的制约，YAG激光光束质量相对较差。怎样提高光束质量和激光功率，依然是YAG激光器面临的重要题目。值得注意的是近几年来发展起来的半导体激光器。半导体激光具有小型化、频率极高、与光纤良好耦合、易于调制等优良特性，因而具有辽阔的应用前景。要在差异产业中普遍应用激光制造技术，很大水平上要依赖于激光加工体系的性能与工艺。欧、美、日一些国家在新光源、加工体系及工艺等方面的研究与开发就从未降温过。

随着激光工业的研究与开发、器件与单元技术的改进和创新，以高性能、宽波段、大功率为特性的激光取得了长足的发展，如紫外光输出的 KrF、ArF准分子激光器、倍频激光器等。尤其是高功率光纤激光的出现，使激光制造的移动式定位加工变得越发方便。

参考文献：

[2] 崔彤．浅析激光加工技术．哈尔滨：林业机械与木工设备，2003

[3] 王旭友．激光焊接技术现状，黑龙江：机械制造文摘，2010

[4] 刘晋春．特种加工．哈尔滨：机械工业出版社，2008

[5] 丁志宏．激光加工技术在工业领域的应用，北京：北京机电通讯，1996

[6] 姚远．激光加工技术在国内外汽车工业中的应用概况，长春：金属加工，2008

[7] 牟雪雷．激光加工技术在农机制造中的应用及发展．哈尔滨：农机化研究，2011