激光的应用——激光加工技术

激光加工技术是当今时代较先进的加工制造技术，与传统加工方法相比具有明显的竞争优势。自20世纪70年代激光加工技术蓬勃发展以来，激光切割、激光雕刻、激光焊接、激光标记等激光加工技术已经形成。激光加工技术的高速、高精度、低消耗等优点得到了广泛的推广和应用。广泛应用于微电子电器、汽车、航空航天、机械制造、印刷包装等国民经济的重要领域，对提高劳动生产率、提高产品质量、实现自动化生产、保护环境、减少材料资源消耗、降低生产成本起着非常重要的作用。

激光被称为“受激辐射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）”。在光或电的刺激下，原子中的电子吸收光电能量，从低能水平转移到高能水平，然后从高能水平转移到低能水平，以光子的形式释放能量，释放光的相位、频率、方向等光学特性高度一致，即激光。激光与计算机、原子能、半导体共同被认为是20世纪的四大发明，对人类社会的进步和发展起着非常重要的作用。

激光具有一般光源所不具备的许多特性：一是激光束发散度小，几乎平行，激光方向性好；二是激光亮度高，能照亮远距离物体。由于激光是定向发光，大部分光子集中在小范围内，激光能量密度高；第三，激光波长分布范围很窄，所以激光单色性好，颜色很纯；第四，高度一致的光学特性使激光光束之间具有良好的相关性。

较典型的激光应用是激光加工，可分为冷加工和热加工两类。激光通过透镜等聚焦系统聚焦后作用于金属或非金属材料表面，利用激光的高能量瞬时将材料加热到超高温，熔化甚至气化照射部分的材料，实现材料的改性或去除。这种基于光热效应的加工被称为“热加工”。当某种波长的高能激光束照射到聚合物等材料中时，光子可以引起或控制光化学反应，称为光化学加工，也称为“冷加工”。光化学加工主要用于光化学沉积、激光刻蚀和激光照排。其中，热加工应用广泛。

激光加工是一种无接触的方式，不会产生工具和工件表面的摩擦阻力，也不会直接影响工件，工件几乎不会变形，激光是局部加工，对非激光部分几乎没有影响，因此激光加工是一种高速、高效、高精度的加工方法。激光加工技术是光与机电技术的结合。可以调整激光束的移动速度、功率密度和方向。它很容易与数控系统合作处理复杂的工件，从而实现不同层次和范围的应用。

一、激光模切技术

激光模切技术是根据软件中设计的工件图案，将激光束聚焦，直接对材料表面完成模切或压痕效果的切割方法。激光模切技术具有切割精度高、模切产品粗糙度低、加工时间短、生产效率高等特点。由于不需要更换模具切割版本，也可以实现不同布局工件之间的快速转换，节省了传统模具切割版本的调整时间，特别适用于轻、异形工件的加工。

典型的激光模切系统应包括激光器、扫描系统、控制系统、冷却系统、惰性气体保护室、废物清除系统和反馈系统。

图 1 激光模切系统构成示意图

1.激光器2.电源和控制电路3.计算机4.扫描系统5.Fθ透镜6.像场

激光在模具切割加工中起着“模具切割刀”的作用，其对较终加工效果的影响是模具切割机各部件中较大的。目前，市场上用于激光加工的激光器主要包括YAG激光器、二氧化碳激光器和半导体激光器。较常用的是二氧化碳激光器，它可以被非金属吸收，并产生连续激光或非连续激光脉冲。

二、激光雕刻技术

激光雕刻机的主要组成部分是:激光器(提供激光束，包括聚光腔和反射镜)、聚焦系统(将高功率密度的激光能量聚集在小面积上，达到较佳的雕刻效率)、导光系统(改变激光照射方向)、工作台(用于承载或移动雕刻工件)、控制面板(调整和控制电源和激光器)、水冷系统(调节激光器内的温度)。CO2激光器常用于激光雕刻，因为它主要用于非金属材料的加工。激光雕刻多采用振镜式导光系统，实现高速点阵雕刻和适量雕刻。

激光雕刻有三种方式：

(1)切割雕刻。首先将图形信息分解成无数切割线， 然后用激光切割这些线， 最后，用切割线表示的图文。

(2)凹模雕刻。去除图文部分， 保持图案外围部分原样不动。凹模雕刻有两种情况， 一是切除图文上的每一点，主要依靠轮廓来反映图文信息；二是根据图文的明暗对比， 切除图文上的暗部分， 亮部分少切甚至不切。

(3)凸模雕刻。去除图文部分，保持图文部分原样，切除各点必须相同。这种雕刻方法更适合表达图文轮廓。

三、激光焊接技术

激光焊接技术主要用于金属和塑料制品的焊接加工。过去，金属焊接大多采用电阻焊接工艺，但电阻焊存在功耗大、热影响区大、接口不美观、焊接材料厚度有限等问题。因此，激光焊接技术的应用越来越广泛。激光焊接金属的作用机制是利用激光辐射金属表面，使待焊接部位在很短的时间内瞬间熔化甚至气化，然后冷却凝固结晶形成焊缝。激光焊接可分为热传导焊接和深熔焊。前者激光功率密度小，辐射能仅作用于金属表面，材料下层通过热传导熔化；深熔焊产生小孔效应，即输入激光能量大，远大于传导和散热速率，照射区气化形成小孔，孔压力形成动态平衡，光束可直接照射到孔底。孔吸收注入的所有能量熔化孔壁金属，从而形成特别窄和深的焊缝，改变焊接参数可以在更大范围内改变焊缝的熔化深度，因此实际上采用更多的深熔焊方法。

接下来，讨论用于焊接金属的激光器的选择。YAG激光器主要用于金属焊接，因为YAG激光比 二氧化碳激光更容易被金属吸收，受等离子体影响较小，焊接操作灵活。然而，YAG激光器在运行过程中容易产生大量的热损失，从而提高激光腔温度，产生激光热透镜效应，从而降低激光功率和能量转化效率。YLR光纤激光器是以光纤为基材，与不同稀土离子混合的光纤传输。它具有体积小、成本低、激光功率高、焊接深度高、速度快等优点，优于YAG激光器。

激光焊接金属工艺几乎不会产生废渣，不需要添加粘合剂，具有速度快、精度高、热影响区小、深宽比大、焊缝美观等优点，易于实现自动化，能产生良好的社会经济效益，已成为金属包装气密性包装的主要方式。

对于塑料工件，传统的塑料焊接主要采用超声波焊接、摩擦焊接、振动焊接、热板焊接等技术，实际加工应考虑其密封性能， 防止加工过程中的污染， 塑料激光焊接的高精度和无接触性能正好满足这一要求。

激光焊接塑料主要有两种方法，一种是远红外 CO2 激光焊接塑料(简称 NCLW），一种是近红外激光焊接热塑性塑料的激光透射焊接(以下简称 TTLW）。NCLW利用激光热源在一定压力下软化或熔化塑料，然后去除热源冷却和凝固塑料，实现焊接。TTLW需要焊接两种塑料，上部吸收率小到尽可能透射激光，下部吸收率高，先接触两侧塑料， 然后激光通过激光塑料部分吸收激光塑料部分，吸收激光塑料部分热软化或熔化，通过激光塑料部分也由于热传导软化或熔化，当熔体尺寸满足要求时，去除激光源，塑料大分子在塑料热膨胀压力下相互扩散，将塑料焊接连接在一起。该焊接方法可用于对接接头的焊接，但更多地用于对接接头的焊接。

图 2 塑料激光透射焊示意图

大多数塑料焊接激光器选择易于实现数控和自动化的合成晶体（Nd:YAG）半导体激光器具有效率高、输出功率小、便携性强。CO2激光器有时用于塑料焊接。但CO2激光穿透性差，主要用于薄膜焊接。光纤激光光源质量高，效率高，系统体积小，移动维护方便。未来光纤激光器将逐渐取代 Nd：YAG 二极管激光器广泛应用于塑料焊接领域。

四、激光打标技术

激光标记是应用较广泛的激光加工技术。其机制是通过激光局部照射工件，使表面材料瞬间熔化气化或变色，从而留下永久性的文字和图案标记。激光标记不会对工件表面产生腐蚀，加工后不会产生应力，影响原精度，因此激光标记技术应用广泛，不同材料标记原理、系统组成基本相同，只需通过实验找到每种材料较合适的参数设置即可完成不同材料的激光标记。

激光标记系统由激光器制成(主要使用Nd):YAG 激光器）、振动镜部分(驱动信号控制振动镜偏转使激光输出点扫描图文)、数控部分（由四个部分组成：编辑、格式转换、导出信息）和电源控制部分（包括激光电源、声光电源和水冷系统控制）。

激光打标过程是通过计算机软件编辑所需的图形信息，将其转换为打标软件可识别的格式，将振动器伺服控制卡转换为振动器可识别的信号。这些电信号传输到扫描振动器，使振动器Ｘ、Ｙ在两个方向维度范围内摆动，使输出点扫描图形标记信息。同时，在信号的控制下，声光电源使声光 Q开关产生所需的频率调制信号，使连续激光调制成非连续激光脉冲，并在加工工件上显示扫描的图形标记信息。

图 3 激光标记工作机制

影响激光标记图形效果的主要因素有激光扫描速度、光点直径、激光功率等。扫描速度越高，标记越模糊，光点直径越大，标记越清晰。随着功率的增加，标记的清晰度将首先增加，然后降低。

接下来，我们将讨论标记激光器的选择。CO2气体激光只适用于非金属材料的标记，因为波长只能被非金属材料吸收，而YAG激光适用于金属和非金属材料。光纤激光器与CO2混合稀土元素、YAG 与输出功率相比，激光打标机的光斑直径更小，标记深度和精细度更高。紫外激光标记是一种新开发的激光冷加工技术。紫外线能量密度高，光束质量好，聚焦光斑小，热影响面积小，可实现超精细标记，多用于标记玻璃等非金属材料。

激光标记具有速度快、标记精细、耐久性好、非接触式加工、加工方法灵活、易于与自动加工生产线相结合等优点。它可以制作复杂的图形标记，不容易被模仿或篡改，因此它也起到了很好的防伪作用。随着消费者需求的扩大和激光标记技术的日益先进，它将在各个行业得到越来越广泛的应用。

来源：北交大激光研究所：