激光加工的原理、應用現狀與展望

姚蔡翔

(上海飛機設計研究院，中國 上海201210)

0 前言

激光是最重大的發明之一，具有巨大的技術潛力。它具有強度高、方向性好、單色性好的特點，因此特別適合進行材料加工。激光加工是激光應用最有發展前途的領域，國外已開發出20 多種激光加工技術。從早期功率小、多用于打小孔和微型焊接到現在的大功率二氧化碳激光器和高重復頻率釔鋁石榴石激光器， 激光加工技術有了很大進展。激光的空間控制性和時間控制性很好， 能夠自由地對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境進行控制，特別適用于自動化加工。 激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。

1 激光加工的原理

1.1 激光的特性

激光是一種光，它具有一般光的共性（折射、反射、干涉等）。 由于激光發射是受激輻射為主，因而發光物質中基本上是有組織地、相互關聯地產生光發射的，發出的光波具有相同的頻率、方向、偏振態和嚴格的位相關系，所以激光擁有強度高、單向性好、相干性好和方向性好這些特性[1]。

1.2 激光加工的原理

由于激光的發散角小和單色性好，理論上可以聚焦到尺寸與光的波長相近的小斑點上，再加上其強度高，因此其加工的功率密度可達到108～1010W/cm2，溫度可達1 萬攝氏度以上。 在這樣的高溫下，任何材料都將瞬時急劇熔化和汽化，并爆炸性地高速噴射出來，同時產生方向性很強的沖擊。 因此，激光加工是工件在光熱效應下產生高溫熔融和受沖擊波拋出的綜合過程。

1.3 激光加工的設備及加工流程

激光加工的基本設備包括激光器、電源、光學系統及機械系統等四大部分。目前常用的激光器按激活介質的種類可以分為固體激光器和氣體激光器，如圖1、圖2 所示。

激光加工過程大體上可分為如下幾個階段：

1）將激光束照射工件（在照射過程中，光的輻射能部分被反射，部分被吸收，部分因熱傳導而損失）；

2）工件材料吸收光能；

3）光能轉變成熱能使工件材料無損加熱（激光射到工件材料的深度很小，所以在焦點的中央，工件的表面溫度迅速升高）；

4）工件材料發生熔化、蒸發、汽化并濺出，從而從工件上去除或破壞掉；

5）作用結束以及加工區冷凝。

1.4 激光加工的特點

1）激光加工的光斑大小可以聚焦到很小，甚至微米級，而且輸出功率可進行調節，因此適用于進行精密精細加工；

2）激光加工為非接觸加工，無機械力作用于工件上，所以對工件不會產生損傷，也不會產生工具的損耗問題；

3）激光加工的速度快，熱影響區小，容易實現加工過程的自動化；

4）激光加工設備裝置簡單；

5）激光加工可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行加工。

2 激光加工的應用現狀

由于激光加工有其它加工工藝無法比擬的優點，因此它被廣泛應用于很多行業進行材料加工、零件制造等，例如激光快速成形技術、激光切割技術、激光打孔技術、激光焊接技術、激光打標技術、激光熔覆技術、激光近形(LENS)制造技術、激光劃線技術、激光熱處理和表面處理技術等。

2.1 激光快速成形技術

激光快速成形技術是根據零件的CAD 模型，，用激光束將光敏聚合材料逐層固化，精確堆積成樣件，不需要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復雜的零件，如圖3 所示。 該技術已在航空航天、電子、汽車等工業領域得到廣泛應用。美國、日本、德國已相繼開發出多種快速成型技術，如液體光敏樹脂固化、熔融沉積成型、實體疊層制造、分層固化、選擇性激光燒結、3D 噴射印刷等技術[2]。

圖1 固體激光器加工原理圖

圖2 氣體激光器加工原理圖

圖3 光敏樹脂激光快速成形

2.2 激光切割技術

激光切割技術是采用重復頻率較高的脈沖激光器或連續輸出的激光器，將材料置于激光熱源的照射下，引起照射點材料溫度急劇上升從而熔化、汽化被切材料。通過工件與激光束的相對移動，同時用平行光軸的強氣流吹走熔化或汽化了的材料，形成光滑的切縫，如圖4所示。 它既可以切割金屬，也可以切割非金屬；既可以切割無機物，也可以切割有機物。

圖4 激光切割

2.3 激光打孔技術

激光打孔技術與激光切割技術基本原理相同，都是使材料在激光熱源照射下產生一系列熱物理現象。利用激光幾乎可以在任何材料上打出微小的孔，如圖5 所示。目前，激光打孔技術已應用于火箭發動機和柴油機的燃料噴嘴加工、鐘表及儀表中的寶石軸承打孔等方面。 在國外，激光精密打孔已經達到很高的水平。 瑞士某公司利用固體激光器給飛機渦輪葉片進行打孔， 可以加工直徑從20μm 到80μm 的微孔，并且其直徑與深度之比可達1：80。 激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等[3]。

圖5 激光打孔

2.4 激光焊接技術

激光焊接是將聚焦后的高強度激光直接輻射至材料表面，材料吸收的光能通過熱傳導向內部擴散，使工件達到一定的熔池深度實現焊接，如圖6 所示。 激光焊接主要優點是能焊接多種金屬，焊接部位狹小，深腔焊接不變形，焊池周邊無凹陷現象，能補焊極硬鋼板材料，焊接不擊穿薄板材料， 焊接工藝高超， 焊縫整齊美觀。 國外利用固體YAG 激光器進行縫焊和點焊，已有很高的水平。 在激光焊接方面，世界領先的國家有德國、瑞士、美國和日本[4]。目前，高強鋁合金激光焊接成果已經成功應用于空客飛機制造中。

圖6 激光焊接樣品

2.5 激光打標技術

激光打標是在機械設備或產品上用激光器打上特殊標記和符號，如圖7 所示。 該技術在激光技術應用中占據最重要位置之一。 其應用非常廣泛[5]，目前已應用于電子工業、汽車工業、工具量具、航空航天、儀器儀表、包裝工業、醫療產品、家用電器、鍵盤、面板、廣告標牌、證件卡片、日常用品和珠寶鉆石等領域。標記的材料是各類金屬和非金屬，如不銹鋼、鋁合金、有機玻璃、塑料、陶瓷、合成材料、木材、橡膠、皮革制品、紙制品、印刷電路板、多種電子電器元件、香煙、鈕扣、雷管、金屬零件以及食品包裝、藥品包裝等。

圖7 激光打標

2.6 激光熔覆技術

激光熔覆技術是一種重要的材料表面改性技術，亦被稱為激光鍍覆或激光表面硬化。它是以高能密度的激光為熱源在基材表面熔覆一層熔覆材料，使之與基材實現冶金結合，在基材表面形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層的表面改性方法。 主要應用[6]諸如模具和汽輪機發動機零部件等的修復，如圖8 所示。

圖8 激光熔覆技術

2.7 激光近形(LENS)制造技術

激光近形制造是基于局域送粉的金屬零件快速制造方法，它是在激光涂覆技術的基礎上發展起來的。 在航空領域，它可用于鈦合金結構件的直接制造和制作大型帶加強筋的整體薄壁結構零件[7]，還可用于大型金屬零件的修復，如汽輪機葉片的修復等，如圖9 所示。 目前，該技術已經成為美國航空航天國防武器裝備大型鈦合金結構件的核心制造新技術之一。

圖9 LENS 技術修復的葉片

2.8 激光劃線技術

激光劃線技術是生產集成電路的關鍵技術，其劃線細、精度高、加工速度快、成品率高。 例如[8]，它能開出狹窄的切口，幾乎沒有殘渣，熱影響區小，噪聲小，并可以節省15%～30%的材料。

2.9 激光熱處理和表面處理技術

激光熱處理和表面處理技術是利用高功率密度的激光束對金屬進行表面處理的方法，如圖10 所示。 它可以對金屬實現相變硬化、表面合金化等表面改性處理， 產生用其大表面淬火達不到的表面成分、組織、性能的改變。 經激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達到HRC60 度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達HRC70 度以上，從而提高起抗磨性，抗疲勞，耐腐蝕，抗氧化等性能，延長其使用壽命。

圖10 激光熱、表處理技術

2.10 激光雷達技術

激光雷達用激光器作為發射光源，采用光電探測技術手段的主動遙感設備。 它由發射系統、接收系統、信息處理等部分組成，是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。 它具有高角分辨率、高速度分辨率、高距離分辨率、強抗干擾能力和良好的隱蔽性等優點，在很多領域，尤其是在軍事領域、大氣環境監測領域中得到了廣泛的應用[9]。

2.11 激光全息照相技術

激光全息照相技術是利用激光的相干性原理，將物體對光的振幅和位相反射（或透射）情況同時記錄在感光板上，形成三維空間的立體圖像。 其工作原理如圖11 所示[10]。

激光全息照相技術能夠將物體表面發出的全部信息記錄下來，并能完全再現被攝物體光波的全部信息，因此，該技術在生產實踐和科學研究領域中有著廣泛的應用。

圖11

3 激光加工技術的展望

隨著資源儲量的日益減少，本著可持續發展的思想，激光加工技術作為新時代的新型加工工藝，對提高產品質量、勞動生產率、自動化生產、“綠色制造”、減少材料損耗等方面起著越來越重要的作用[11]。 同時，隨著科學技術的發展，激光加工技術也得到了其它高新技術的有力支撐。 激光產品必然有著非常廣闊的前景[12]。

目前我國的激光加工技術與國外仍存在著一定的差距，尤其體現在激光加工系統的核心部件品種少、技術落后、可靠性差，對加工技術的研究少，對精細加工技術的研究更為薄弱，對紫外波激光進行加工的研究進行的極少，激光加工設備的可靠性、安全性、可維修性、配套性較差，難以滿足工業生產的需要。 而且許多有市場前景的成果停留在實驗室的樣機階段。因此我們在保持對現有技術的持續改進的基礎上，還應順應時代發展要求，積極探索、開發更多具有實用價值的激光加工技術，將研發中的激光技術轉化為實用的加工技術，拓寬激光加工的領域，在電子、汽車、鋼鐵、石油、造船、航空等傳統工業領域內進行激光技術的改造，為信息、材料、生物、能源、空間、海洋等六大高科技領域提供嶄新的激光設備和儀器。如此，必能推動我國電子、機械制造業等的水平邁上一個新的臺階。

4 結論

激光加工技術是對傳統加工技術的一次革命，是國家生產力的進步。 它對傳統加工技術和新興產業的發展，對國民經濟的發展起著巨大的推動作用。 只要我們將已經成熟的激光技術轉化為生產力，加快技術改進，提高光束質量與加工精度，結合材料的加工工藝研究，盡可能地占領激光精密加工市場， 就可以推動激光加工技術的迅速發展，并最終會使激光加工形成較大的規模產業。

［1］劉晉春，白基成，郭永豐.特種加工.5 版[M].北京：機械工業出版社，2008.

［2］張永忠，石力開，章萍芝，徐駿.基于金屬粉末的激光快速成型技術新進展[J].稀有金屬材料與工程，2000，29（6）：361.

［3］李祥友，曾曉雁，黃維玲.激光精密加工技術的現狀和展望[J].激光雜志，2000，21（5）：2.

［4］王家淳.激光焊接技術的發展與展望[J].激光技術，2001，25（1）：48－54.

［5］鄧樹森.國激光加工產業現狀及市場展望[J].激光技術與應用，2007，2（2）：20.

［6］陳苗海.國內外激光加工產業和市場發展概況[J].激光技術與應用，2004，9：10.

［7］鄧琦林.致密金屬零件的激光近形制造[J].特種加工，2000，36（1）：27.

［8］林樹忠，孫會來.激光加工技術的應用及發展[J].河北工業大學學報，2004，33（2）：80.

［9］陳利，賈友，張爾嚴.激光雷達技術及其應用[J].河南理工大學學報，2009，28（5）：583.

［10］楊帆，楊寧.激光全息照相技術及其應用前景[J].中州大學學報，2008，25（2）：106.

［11］邱星武.激光技術在材料加工領域的發展及應用[J].稀有金屬與硬質合金，2010，38（1）：60.

［12］孫會來，林樹忠.激光加工技術應用及發展趨勢[C]//第十屆全國機床學術會議.2002，12：87.