激光加工技术的概述

20 世纪80 年代末，美国学者首先提出了先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology，AMT）的理念。AMT 是传统制造技术不断吸收机械、电子、材料、能源和信息等现代科学技术成果，将其综合应用于制造全过程，实现优质、高效、低耗、清洁和灵活生产，取得理想技术经济效果的制造技术的总称。激光制造是AMT 的典型代表，是一种高度柔性和智能化的AMT，被誉为“未来的万能加工工具”。

激光先进制造技术将控制系统、检测系统、数据系统和创新工艺技术与激光制造技术相结合，能够对制造过程进行精密控制和实时监测、反馈和调整，具有高精度、高自动化、高信息化、智能化和绿色环保等优点，是一个涉及光学、材料、物理、力学、机械、控制等多个学科交叉的新兴技术。进入21 世纪以来，随着激光技术的迅速发展，激光先进制造与加工技术在汽车、机械、航空航天、冶金化工及微电子等领域展现出了更广阔的应用前景。

1.激光加工技术的原理

当某些材料受到激励，它的原子（或分子）在高能级的分布多于低能级时，该材料就能够以与能级差相应的频率使辐射放大。英文“laser”——激光，是Light amplification by stimulated of radiation（受激辐射光放大）的缩写。激光与其他光源相比，具有单色性好、相干性好、方向性好和亮度高等特点。

（1）单色性好

普通光源发出的光均包含较宽的波长范围，即谱线宽度宽，如太阳光就包含所有可见波长光，而激光为单一波长，谱线宽度极窄，通常在数百纳米至几微米，与普通光源相比，谱线宽度窄了几个数量级。

（2）相干性好

激光束叠加在一起，其幅度是稳定的，在相当长的时间内可保持光波前后的相位关系不变，这是其他光源所达不到的。

（3）方向性好

普通光源发射的光射向四方，光束发散度大；而激光发散角小，一般为几个毫弧度。

（4）亮度高

激光束能通过一个光学系统（如透镜）聚焦到一个很小的面积上，具有很高的亮度。图14-22 所示为气体激光器加工原理。

激光加工采用高功率密度的激光束照射工件，使材料熔化、气化，进而进行打孔、切割、划片、焊接、热处理等特种加工。激光加工不需要工具，加工速度快，表面变形小，可以加工各种材料。激光加工系统包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统和检测系统。

图14-22　气体激光器加工原理

1—全反射凹镜；2—放电管；3—气体CO2；4—电极；5—反射平镜；6—转向反射镜；7—激光束；8—聚焦透镜；9—喷嘴；10—工件

2.激光加工技术的特点

与传统加工技术相比，激光加工技术具有材料浪费少、规模化生产中成本效应明显、对加工对象适应性强等优点，因此得到了广泛的应用。其特别适用于新产品的开发，一旦产品图纸形成，可立即进行激光加工，在最短的时间内获得新产品。其特点可概括为以下四个方面：

（1）精度高、热变形小

激光束容易控制，易与精密机械、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及达到很高的加工精度。激光加工的激光割缝细、速度快、能量集中，因此传到被切割材料上的热量小，引起材料的变形也非常小。

（2）高速快捷、柔性高

可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割，且激光切割的速度与线切割的速度相比要快很多。可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工；在恶劣环境或人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。激光束易于导向、聚焦实现各方向的变换，可随意切割任意形状，极易与数控系统配合对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法。

（3）加工材料的范围广泛(www.xing528.com)

激光不但可以加工金属材料，还可以对非金属材料进行加工。例如，陶瓷、玻璃、复合材料、聚合物、木材等，特别是还可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料。

（4）节省材料、成本低

激光加工采用电脑编程，可以把不同形状的产品进行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率，大大降低了材料成本；不接触加工工件，不存在加工工具磨损的问题；不受加工数量的限制，对于小批量加工，激光加工更加便宜。

3.激光加工技术的分类

激光加工主要分为四种类型：激光去除、激光表面工程、激光连接技术和激光增材制造。

（1）激光去除

激光去除主要包括打孔、切割、雕刻、打标、清洗、划片以及微细加工等。由于激光光斑聚焦后可达到微米甚至纳米级，因此微细去除加工的尺寸精度已达到1～50 μm。

（2）激光表面工程

激光表面工程主要包括表面热处理、退火、表面合金化、熔覆、激光化学气相沉积、激光物理气相沉积、激光毛化和冲击强化等。

（3）激光连接技术

激光连接技术主要包括热导焊、深熔焊、钎焊以及激光复合焊等。

（4）激光增材制造

根据方法不同，主要包括树脂凝固成型法、选区烧结法、直接熔铸法、激光铣削法、分层切割法和激光成型法等。

4.激光加工技术的应用

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。

激光切割技术可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。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。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。

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。准分子激光打标是一项新发展起来的技术，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。激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，对于高精度转子可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。

激光蚀刻技术比传统化学蚀刻技术工艺简单，可大幅降低生产成本，可加工0.125～1 μm 宽的线，适于超大规模集成电路的制造。激光微调技术可对指定电阻自动精密微调，精度可达0.01%～0.002%，比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻（0.01～0.6 μm 厚）与厚膜电阻（20～50 μm 厚）的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。

激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技术，是信息化时代的支撑技术之一。激光划线技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高（线宽为15～25 μm，槽深为5～200 μm）、加工速度快（可达200 mm/s），成品率可达99.5%。

激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。激光热、表处理技术包括激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术和激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。