激光加工

激光加工技术的应用与发展

摘要：激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工材料的适应部分，在极短的时间内，光能转换为热能，被照部位迅速升温。根据不同的光照参量，材料可以发生汽化、熔化、金相组织变化以及产生相当大的热应力，从而达到工件材料被去除、连接、改性或分离等加工。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些的特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。

关键词：加工原理、反展前景、强化处理、细微加工、发展前景。

一激光加工的原理及其特点

1 激光加工的原理

激光加工是将激光照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、融化材料以及改变物体表面性能。由于激光加工时无接触式加工，工具不会与工件的表面直接摩擦产生阻力，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不同层面和范围上。

2激光的基本特性

首先，激光也是一种光，因此具有一般光的共性。此外，由于激光的发射时以受辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、相互关联地产生光发射的，发出光波的频率、方向、偏振状态相同和位相关系严格。因此产生了激光的四大特性：亮度（强度）高、单色性好、相干性好和方向性强。

1）强度高激光的强度高，主要是由于激光在空间上和时间上可以实现光能的高度集中。

2）单色性好太阳光包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等7种颜色，每一种颜色的光对应一定的波长与频率，而激光往往是只有一种频率的光，因此激光也是

单色光。激光器所发出的激光具有其他光源难以到达的、极高的单色性。这是

由于构成激光的谐振腔的反射镜对波长选择性极佳，并且利用原子固有的能级

跃迁的结果。

3）相干性好光源的相干性可以利用相干长度来衡量。相干时间是指光源先后发出的俩束光产生干涉现象的最大时间间隔。

4）方向性强光束的方向性是用光束的发散角表征的。

应当指出，上述激光的四个特性不是相互无关的，而是相互联系、相互渗透的。

二激光技术

用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光加工有许多优点：1激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而融化或汽化，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；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的材料加工；5激光束的发散角不可小于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以达到千瓦至十千瓦量级，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密；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。

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。

激光切割、划片与刻字

在造船、汽车制造等工业中，常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割，既能保证精确的空间曲线形状，又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。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。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。

激光微调

采用中、小功率激光器除去电子元器件上的部分材料，以达到改变电参数（如电阻值、电容量和谐振频率等）的目的。微光微调精度高、速度快，适于大规模生产。利用类似原理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。

激光焊接

激光焊接强度高、热变形小、密封性好，可以焊接尺寸和性质悬殊，以及熔点很高和易氧化的材料。激光焊接的心脏起搏器，其密封性好、寿命长，而且体积小。热光热处理用激光器照射材料，选择适当的波长和控制照射时间、功率密度，可使材料表面融化和再结晶，达到淬火或退火的目的。

强化处理

激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却俩个过程，在金属材料激光表面强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表面相变强化，当激光束能连密度处于高端时，工件表面光斑出相当与一个移动的坩埚，可完成一系列的冶金过程。

微细加工，选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的“光刀”特性，进行微小透明微痕的刻制、高密信息的直写。

（1）微细机械加工工艺

（2）微细电加工工艺

三激光加工的发展前景

激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。激光加工用于在制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。

它主要采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系统。与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售的4%左右。主要表现为：高档激光加工系

统很少，甚至没有；主力激光器不过关；微细激光加工缺口较大；而这些领域我国的生产，加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场很有发展空间。

参考文献：

【1】·张辽远，现代加工技术。北京：机械工业出版社，2008.7

【2】·宋威廉，激光加工技术的发展。北京：机械工业出版社，2008.3

【3】·曾智江朱三根，微细技工技术的研究。北京：高等教育出版社，2007.12 【5】·孟永刚，激光加工技术。北京：国防工业出版社，2008.01

【6】·吉卫喜，现代制造技术与装备。北京：高等教育出版社，2010.10