激光技術應用

(深圳技師學院 廣東 深圳 518000)

激光作為最亮的光、最準的尺和最快的刀有著巨大的應用前景，激光作為高新技術正在滲透到各行各業。1960年世界上第一臺激光器誕生，使我們得到了地球上前所未有的相干光源。我國于1961年研制出第一臺激光器，40多年來，激光技術以其獨有的特性和強大的生命力在國防、科技、工業、農業、醫學、日常生活等幾乎所有領域得到了迅速發展和廣泛應用，已與多個學科相結合形成多個應用技術領域，比如光電技術，激光醫療與光子生物學，激光加工技術，激光檢測與計量技術，激光全息技術，激光光譜分析技術，非線性光學，超快激光學，激光化學，量子光學，激光雷達，激光制導，激光分離同位素，激光可控核聚變，激光武器等等。這些交叉技術與新的學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展。

一、激光技術應用簡介

激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔、微納加工以及做為光源，識別物體等的一門技術，傳統應用最大的領域為激光加工技術。激光技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術，傳統上看，它的研究范圍一般可分為：1、激光加工系統。包括激光器、導光系統、加工機床、控制系統及檢測系統。2、激光加工工藝。包括切割、焊接、表面處理、打孔、打標等各種加工工藝。

(1)激光焊接：20世紀60年代出現了激光器，幾年以后就開始用激光束去焊接金屬零件，將功率密度足夠的激光束照射到需要焊接的材料表面，使其局部溫度聲高直達熔點，被焊接材料結合部位融化成液體，然后冷卻凝固，于是兩種材料就被熔接在一起。激光焊接可以不用焊劑或填料，直接將兩個金屬零件焊接起來，被焊接的兩部分可以是相同的金屬，或是不同的金屬，甚至是非金屬。激光焊接常用的激光源是氣體CO2激光器、固體YAG激光器和半導體泵浦激光器。

(2)激光切割：激光切割是利用激光束形成的高功率密度光斑，將材料快速加熱至汽化溫度，蒸發形成小孔洞后，再使光束與材料相對移動，從而獲得窄的連續切縫。連續激光可用于各種材料的的高效率切割，紅外脈沖激光主要用于金屬材料的緊密切割，紫外脈沖激光主要用于薄板金屬或非金屬材料的精密切割。連續激光切割加工是激光加工應用的重要領域，而氣體CO2激光切割加工各種金屬和非金屬則是激光切割應用的最大市場。

激光切割是材料通過吸收激光能量而使其局部熔化，甚至汽化來完成材料的切割加工。當激光功率超過一定值后，在材料被激光穿透前，熔化的材料在激光噴嘴吹出的氣流的助推下被反向拋出，同時噴出物繼續吸收激光能量，形成等離子體。這些等離子體對激光的吸收率很大。屏蔽了部分激光向材料表面的直接注入，使材料對激光吸收減小，導致加熱熔化時間變長，熱影響區域變大，因此激光起始穿孔的口徑較大。材料對激光的吸收能力決定于激光的偏振性、模式、會聚角、燒蝕前沿的形狀和傾角以及材料的性質和氧化程度等一系列因素。

激光切割材料的特點：

* A、切割質量好：割縫窄、精度高、切口光滑平整。

* B、切割速度快、效率高：激光切割加工為無觸點加工，慣性小。

* C、影響區域小、幾乎無變形：激光照射加工部位的熱量很大、溫度很高，但照射光點小，并且光束移動速度快。

* D、整潔、安全、勞動強度低。

* E、幾乎可用于任何材料的切割：激光亮度高、方向性好，聚焦后的光點很小，能夠產生極高的能量密度和功率密度，足以熔化任何金屬，還可以加工非金屬，特別適合于加工高硬度、高脆性及高熔點的其他方法難以加工的材料。

* F、不易受電磁干擾：激光加工在空氣中進行，有時使用適當的輔助氣體，光束在空氣中傳輸過程不受電磁場干擾。

* G、激光束易于傳送：通過光路系統可以使激光束隨意改變方向，甚至可通過光纖傳輸。

* H、激光切割經濟效益好。

* I、節能和節省材料：激光束的能量利用率是常規熱加工工藝的10至100倍。

應用：汽車行業、計算機、電氣機殼、木刀模業、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸片、壓克力、彈簧墊片、2mm以下的電子機件用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英玻璃、硅橡膠、1mm以下氧化鋁陶瓷片、航天工業使用的鈦合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

(3)激光打標：激光打標技術是目前激光加工領域應用最廣泛、最成熟的一項技術，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。

(4)激光打孔：激光打孔屬于去除加工范疇，利用激光的功率密度高的特點，將其聚焦，使加工材料瞬間被加熱熔化、汽化，熔化物質被蒸氣的剩余壓力排擠出來，形成孔洞。它主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業。激光打孔的迅速發展，主要體現在打孔用YAG激光器的平均輸出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。國內目前比較成熟的激光打孔的應用是在人造金剛石和天然金剛石拉絲模的生產及鐘表和儀表的寶石軸承、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器為主，也有一些準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器。

(5)激光熱處理：激光熱處理是一種表面改造技術，主要指激光淬火、激光毛化、激光表面合金化、非晶化、沖擊強化等。它在汽車工業中應用廣泛，如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理，同時在航空航天、機床行業和其它機械行業也應用廣泛。

(6)激光快速成型：現代快速成型綜合了機械、電子、光學、材料等學科，以自動、直接、快速、精確為其特征，在產品研發，零件及模具的制造等方面必將對企業的制造方式產生深遠的影響。

二、激光加工技術及產業發展重點

目前激光加工技術及產業發展重點可歸納為：

(1)新一代工業激光器研究，目前處在技術上的更新時期，其標志是二極管泵浦全固態激光器的發展及應用。

(2)激光微細加工的應用研究。

(3)激光加工用大功率CO2和固體激光器及準分子激光器的機型研究，開發和研制專用配套的激光加工機床，提高激光器產品在生產線上穩定運行的周期。

(4)加工系統智能化，系統集成不僅是加工本身，而是帶有實時檢測、反饋處理，隨著專家系統的建立，加工系統智能化已成為必然的發展趨勢。

(5)建立激光加工設備參數的檢測手段，并進行方法研究。

(6)激光切割技術研究。對現有的激光切割系統進行二次開發和產業化，提供性能好、價格便宜的2-3軸數控CO2切割機，并開展相應的切割工藝的研究，使該工藝廣泛用于材料加工、汽車、航天及造船等領域。為此應著重在激光器外圍裝置，如：導光系統、過程監測和控制、噴咀、浮動裝置的設計和研制以及CAD/CAM等方面開展工作。

(7)激光焊接技術研究。開展激光焊接工藝及材料、焊接工藝對設備要求及焊接過程參數監測和控制技術研究，從而掌握普通鋼材、有色金屬及特殊鋼材的焊接工藝。

(8)激光表面處理技術研究。開展CAD/CAM技術、激光表面處理工藝、材料性能及激光表面處理工藝參數監測和控制研究，使激光表面處理工藝能較大幅度地應用于生產。

(9)激光加工光束質量及加工外圍裝置研究。研究各種激光加工工藝對激光光束的質量要求、激光光束和加工質量監控技術，光學系統及加工頭設計和研制。

(10)開展激光加工工藝技術研究，重點是材料表面改性和熱處理方面的研究和推廣應用；開展激光快速成形技術的應用研究，拓寬激光應用領域。