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激光加工技術(shù)是當(dāng)今時(shí)代最具技術(shù)先進(jìn)性的加工制造技術(shù)，較傳統(tǒng)加工方式有著顯而易見的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。自上世紀(jì)七十年代激光加工技術(shù)蓬勃興起，現(xiàn)已形成了激光切割、激光雕刻、激光焊接、激光打標(biāo)等幾十種激光加工技術(shù)。激光加工技術(shù)的高速高精度低耗等優(yōu)勢(shì)使得其被大范圍推廣應(yīng)用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于微電子電器、汽車、航空航天、機(jī)械制造、印刷包裝等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要領(lǐng)域，對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境、減少材料資源消耗、降低生產(chǎn)成本等起著十分重要的作用。

激光全稱為“受激輻射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）”。原子中的電子在光或電的激發(fā)下吸收光電能量，自低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，再?gòu)母吣芗?jí)落回到低能級(jí)時(shí)，以光子的形式釋放出能量，且放出光的相位、頻率、方向等光學(xué)特性高度一致，這樣的光即為激光。激光與計(jì)算機(jī)、原子能、半導(dǎo)體共同被視為是二十世紀(jì)的四項(xiàng)重大發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展有十分重要的作用。

激光具有很多一般光源所不具備的特性：第一，激光束的發(fā)散度極小，幾乎為平行，所以激光方向性極好；第二，激光的亮度極高，能夠照亮超遠(yuǎn)距離的物體，由于激光是定向發(fā)光，光子大都集中在一個(gè)小的范圍內(nèi)發(fā)射，所以激光能量密度極高；第三，激光波長(zhǎng)分布范圍非常窄，因此激光單色性很好，顏色極純；第四，高度一致的光學(xué)特性使得激光各光束間具有很好的相干性。

激光最為典型的應(yīng)用就是激光加工，激光加工可分為冷加工和熱加工兩類。激光經(jīng)過透鏡等聚焦系統(tǒng)聚焦后作用于金屬或非金屬材料表面，利用激光的高能量對(duì)材料瞬時(shí)加熱至超高溫，使照射部分的材料熔化甚至氣化，達(dá)到對(duì)材料的改性或去除，這種基于光熱效應(yīng)的加工被稱為“熱加工”。當(dāng)用某類波長(zhǎng)的高能量激光束照射到聚合物這類的材料時(shí)，可由光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)，這種加工過程被稱為光化學(xué)加工，也叫“冷加工”。光化學(xué)加工主要應(yīng)用于光化學(xué)沉積、激光刻蝕和激光照排等。其中熱加工的應(yīng)用較為廣泛。

激光加工是無接觸的方式，不會(huì)產(chǎn)生工具與工件表面的摩擦阻力，也不會(huì)直接對(duì)工件進(jìn)行沖擊，工件幾乎不會(huì)發(fā)生變形，且激光是對(duì)局部進(jìn)行加工，對(duì)非激光照射的部分幾乎沒有影響，所以激光加工是高速、高效、高精度的加工方式。激光加工技術(shù)是光與機(jī)電技術(shù)的結(jié)合，激光光束的移動(dòng)速度、功率密度和方向等都可以調(diào)節(jié)，易與數(shù)控系統(tǒng)配合來對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工，可由此對(duì)其實(shí)現(xiàn)不同層面和范圍的應(yīng)用。

一、激光模切技術(shù)

激光模切技術(shù)是根據(jù)在軟件中設(shè)計(jì)好的工件圖樣，將激光束聚焦后直接對(duì)材料表面完成模切或壓痕效果的一種切割方法。激光模切技術(shù)具有切割精度高、模切產(chǎn)品粗糙度低、模切加工時(shí)間短、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。由于無須更換模切刀版，也可實(shí)現(xiàn)不同版式工件之間的快速轉(zhuǎn)換，這樣節(jié)省了傳統(tǒng)模切刀版調(diào)整時(shí)間，尤其適用于輕薄、異形工件的加工。

典型的激光模切系統(tǒng)應(yīng)該包括有激光器、掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)室、廢料清除系統(tǒng)以及反饋系統(tǒng)。

圖 1 激光模切系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.激光器2.電源和控制電路3.計(jì)算機(jī)4.掃描系統(tǒng)5.Fθ透鏡6.像場(chǎng)

激光在模切加工中扮演“模切刀”的角色，其對(duì)最終的加工效果的影響是模切機(jī)各組成部分中最大的，目前市場(chǎng)上用于激光加工的激光器主要有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體激光器等。最常使用的是出波長(zhǎng)能被非金屬很好吸收且能夠產(chǎn)生連續(xù)激光或非連續(xù)激光脈沖的CO2激光器。

二、激光雕刻技術(shù)

激光雕刻機(jī)的主要組成為：激光器（提供激光光束，包括聚光腔、反射鏡）、聚焦系統(tǒng)（使高功率密度的激光能量聚集在小面積上，達(dá)到最佳的雕刻效率）、導(dǎo)光系統(tǒng)（改變激光照射方向）、工作臺(tái)（用于承載或移動(dòng)被雕刻工件）、控制面板（調(diào)整和控制電源及激光器）、水冷系統(tǒng)（調(diào)控激光器內(nèi)的溫度）。由于主要是對(duì)非金屬材料加工，所以激光雕刻與模切一樣常選用CO2激光器。為實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)陣雕刻和適量雕刻，激光雕刻大多采用振鏡式導(dǎo)光系統(tǒng)。

激光雕刻有以下三種方式：

(1)切割雕刻。先將圖文信息分解成無數(shù)切割線條, 然后用激光按照這些線條進(jìn)行切割, 最終得到利用切割線條表示出的圖文。

(2)凹模雕刻。去除圖文部分, 維持圖案外圍的部分原樣不動(dòng)。凹模雕刻有兩種情況, 一種是對(duì)圖文上每一點(diǎn)切除力度同樣大,主要靠輪廓來體現(xiàn)圖文信息；第二種是根據(jù)圖文的明暗對(duì)比的不同, 多切除圖文上暗的部分, 亮的部分則少切甚至不切除。

(3)凸模雕刻。去除非圖文部分，維持圖文部分原樣，各點(diǎn)處切除力度必相同。此雕刻方法較適用于表達(dá)圖文輪廓等。

三、激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)主要用于對(duì)金屬及塑料制品進(jìn)行焊接加工。以前金屬焊接大多采用電阻焊接工藝，但電阻焊存在耗電量大、熱影響區(qū)大、接口不美觀、可焊材料厚度受限等問題，所以激光焊接技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。激光焊接金屬的作用機(jī)理是用激光輻射金屬表面，通過激光與金屬的耦合作用使待焊接部位在極短時(shí)間內(nèi)瞬間熔化甚至氣化，再冷卻凝固結(jié)晶而形成焊縫。激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊兩種，前者會(huì)發(fā)生激光的功率密度較小，輻射能只作用于金屬表面，材料下層則靠熱傳導(dǎo)受熱熔化；深熔焊會(huì)產(chǎn)生小孔效應(yīng)，即輸入激光能量很大，遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)及散熱的速率時(shí)，照射區(qū)域會(huì)在極短時(shí)間發(fā)生氣化形成小孔，孔內(nèi)壓力形成動(dòng)態(tài)的平衡，光束可以直接照射到孔底。小孔吸收射入的所有能量使孔壁金屬熔化，由此可形成尤其窄而深的焊縫，且改變焊接參數(shù)可以使焊縫熔深在較大范圍內(nèi)變化，所以實(shí)際更多采用深熔焊接方式。

接下來討論用于焊接金屬的激光器的選擇。金屬焊接大多采用YAG激光器，因?yàn)閅AG激光比 CO22激光更易于被金屬吸收，且受等離子體影響較小，焊接操作靈活。但YAG激光器運(yùn)作時(shí)易產(chǎn)生大量熱損耗，使激光腔溫度升高產(chǎn)生激光熱透鏡效應(yīng)，從而降低激光功率和能量轉(zhuǎn)化效率。YLR光纖激光器是以光纖為基材，摻雜不同的稀土離子的光纖傳輸傳輸，具有體積小、成本低、激光功率高等優(yōu)點(diǎn)，焊接熔深和速度更高，較YAG激光器更勝一籌。

激光焊接金屬過程幾乎不會(huì)產(chǎn)生碎屑廢渣，且無需添加粘合劑，具有速度快、精度高、熱影響區(qū)小、深寬比大、焊縫美觀等優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，已成為金屬包裝氣密性封裝等的主要方式。

對(duì)于塑料材料工件而言，傳統(tǒng)的塑料焊接主要采用超聲波焊接、摩擦焊接、振動(dòng)焊接、熱板焊接等技術(shù)，而實(shí)際時(shí)加工既要考慮其密封性能, 又要防止加工過程中會(huì)受到污染, 塑料激光焊接的高精度和無接觸性正好可以滿足這樣的要求。

激光焊接塑料的方法主要有兩種，一種是遠(yuǎn)紅外 CO2 激光焊接塑料（簡(jiǎn)稱 NCLW），一種是近紅外激光焊接熱塑性塑料的激光透射焊接（簡(jiǎn)稱 TTLW）。NCLW是用激光熱源在一定壓力的維持下使塑料軟化或熔化，之后撤掉熱源使塑料冷卻凝固實(shí)現(xiàn)焊接。TTLW需要待焊兩塑料上部吸收率小到盡可能透射激光,下部吸收率高，先將兩邊塑料相接觸， 然后激光穿過透過激光塑料部分被吸收激光塑料部分吸收，吸收激光塑料部分受熱軟化或熔化，透過激光塑料部分也由于熱傳導(dǎo)也軟化或熔化，當(dāng)熔核的尺寸達(dá)到要求時(shí)，撤掉激光源，塑料大分子在塑料熱膨脹產(chǎn)生的壓力下相互擴(kuò)散,從而連接在一起,實(shí)現(xiàn)塑料的焊接。該種焊接方法能應(yīng)用于對(duì)接接頭的焊接，但更多應(yīng)用于搭接接頭的焊接。

圖 2 塑料激光透射焊示意圖

塑料焊接激光器大多選用容易實(shí)現(xiàn)數(shù)控和自動(dòng)化的摻釹釔鋁石榴石合成晶體（Nd:YAG）激光器和效率高、輸出功率小、便攜的半導(dǎo)體激光器。塑料焊接有時(shí)也使用CO2激光器。但是CO2激光的穿透性能較差,主要用于薄膜焊接。光纖激光光源質(zhì)量高，效率高，且系統(tǒng)體積小、方便移動(dòng)和維修。未來光纖激光器將會(huì)逐步取代 Nd：YAG 及二極管激光器，廣泛應(yīng)用于塑料焊接領(lǐng)域。

四、激光打標(biāo)技術(shù)

激光打標(biāo)是應(yīng)用范圍最廣的一項(xiàng)激光加工技術(shù)，其機(jī)理是通過激光對(duì)工件的局部照射，使表面材料瞬間融熔氣化或者發(fā)生顏色變化，從而留下永久性的文字、圖案等的標(biāo)記。激光打標(biāo)對(duì)工件表面不會(huì)產(chǎn)生腐蝕，且加工后不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力而影響原有精度，所以激光打標(biāo)技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，對(duì)不同材料打標(biāo)的原理、系統(tǒng)組成基本相同，只需通過實(shí)驗(yàn)找出對(duì)每種材料最適合的參數(shù)設(shè)置即可完成對(duì)不同材料的激光打標(biāo)。

激光打標(biāo)系統(tǒng)由激光器（大多采用Nd:YAG 激光器）、振鏡部分（驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制振鏡偏轉(zhuǎn)使激光輸出點(diǎn)掃描出圖文）、數(shù)控部分（以完成掃描圖文的編輯、格式轉(zhuǎn)變、導(dǎo)出信息）和電源控制部分（包括激光電源、聲光電源、水冷系統(tǒng)的控制）四部分組成。

激光打標(biāo)過程是首先通過計(jì)算機(jī)軟件編輯好所需的圖文信息，轉(zhuǎn)為打標(biāo)軟件能識(shí)別的格式，導(dǎo)入振鏡伺服控制卡轉(zhuǎn)換成振鏡能夠識(shí)別的信號(hào)。這些電信號(hào)傳輸?shù)綊呙枵耒R使會(huì)使振鏡在Ｘ、Ｙ二個(gè)方向維度范圍內(nèi)擺動(dòng)，使輸出點(diǎn)掃描出圖文標(biāo)記信息。同時(shí)，在信號(hào)的控制下聲光電源使聲光 Q開關(guān)產(chǎn)生所需要的頻率調(diào)制信號(hào)，使連續(xù)的激光調(diào)制成非連續(xù)的激光脈沖，即可將掃描出的圖文標(biāo)記信息顯示在被加工工件上。

圖 3 激光打標(biāo)工作機(jī)理

影響激光打標(biāo)圖文效果的主要因素有激光掃描的速度、光點(diǎn)的直徑、激光的功率等。掃描速度越高標(biāo)記越模糊，光點(diǎn)直徑越大標(biāo)記越清晰，而隨著功率增加，打標(biāo)清晰程度會(huì)先升高后降低。

接下來討論打標(biāo)激光器的選擇。CO2氣體激光由于波長(zhǎng)只能被非金屬材料吸收所以只適用于非金屬材料的打標(biāo)，而YAG激光對(duì)金屬、非金屬材料均適用。摻稀土元素的光纖激光器與CO2、YAG 激光打標(biāo)機(jī)相比輸出功率更小，光斑直徑更小，標(biāo)記深度、精細(xì)度更高。紫外激光打標(biāo)一種是新研發(fā)出的激光冷加工技術(shù)。紫外光能量密度高，光束質(zhì)量好，聚焦光斑極小，熱影響區(qū)域極小，可實(shí)現(xiàn)超精細(xì)標(biāo)記，多用于打標(biāo)玻璃等非金屬材料。

激光打標(biāo)具有速度快，標(biāo)記精細(xì)且耐久性好，非接觸式加工，加工方式靈活，易于與自動(dòng)化加工生產(chǎn)線相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。可制作出復(fù)雜的不易被仿制或篡改的圖文標(biāo)記，所以也起到了很好的防偽作用。隨著消費(fèi)需求的擴(kuò)大和激光打標(biāo)技術(shù)的日趨先進(jìn),其在各行業(yè)中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

來源：北交大激光研究所