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爭優(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)，再從高能級(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

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)?？芍谱鞒鰪?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