目前国内激光加工技术进展及应用实例

目前国内激光加工技术进展及应用实例

摘要：概括地介绍了激光加工技术的应用领域，简单介绍了激光打孔和切割、激光焊接、激光表面改性技术、激光划蚀、铣削与毛化、激光沉积、激光快速成型技术、激光标记与标刻、激光加工技术在纺织，服装行业的应用等激光加工技术等若干典型应用，并介绍了国内的激光加工行业的发展现状。

关键词：激光技术；激光加工；发展现状

前言

激光是20世纪人类的四大发明之一，现在已经广泛应用于工业、军事、科学研究和日常生活中。2l世纪号称人类已经进入光电子时代，作为能量光电子的激光技术的进一步广泛应用将极大地改变人类的生产和生活。激光加工技术实现了光、机、电技术相结合，是一种先进制造技术．目前正处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。由于它具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、方便实行数控和可以用来进行特殊加工，目前已经广泛应用于汽车、冶金、航空航天、机械、纺织、化工、建筑、造船、仪器仪表、微电子工业、艺术品制作、日常生活用品和工业用品制造等众多领域。用来进行打孔、切割、铣削、焊接、刻蚀、大型零件的强化和修复、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造。工艺美术品制作和清洗、产品标刻和防伪等。

1 激光加工技术的主要应用

1．1 激光打孔和切割

由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量，瞬间可使任何固体材料熔化，甚至蒸发，因此，从理论上说可以用激光来加工任何种类的固体材料。事实上，激光一发明，人们首先想到利用它来对宝石这类利用常规加工方法难以加工的材料进行孔加工。目前已经广泛用于各类材料进行孔加工和切割，如利用激光进行木模板的切割和石油管道的激光切缝等。图1为激光在钢板上加工的密排孔，图2 为利用激光在金属上切割的渐开线(光滑无毛刺)。

1．2 激光焊接

与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小。能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。便如，将铜和钽两种性质截然不同的材料焊接在一起，合格率几乎达百分之百。也可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中，例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等由于采用了激光焊，不仅生产效率大、高，且热影响区小，焊点无污染，大大提高了焊接的质量。利用激光的高密度能量，可以对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接，也可以对非金属材料进行焊接(如玻璃的焊接)；加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可以忽略；属于非接触焊接，无机械应力和机械变形；激光焊接装置容易与计算机联机；可以在大气中焊接和无悸染等一系列优点，因此，在工业上获得广泛应用。图3和图4分别为激光焊接的锯片和钻头，图5激光焊接的不等厚钢板冲压成的汽车部件。

1．3 激光表面改性技术

激光表面改性技术包括：激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光表面非晶化与微晶和激光冲击强化等。利用激光表面改性技术可以极大地提高零件表面的机械、物理和化学性质，现在已经广泛应用于工业生产。图6是应用于冶金行业的轧辊激光相变淬火。

图1 激光加工的密排列图2 激光加工的渐开线

图3 激光焊接的金刚石锯片图4 激光焊接的钻头

图5 光焊接的不等厚钢板冲压的汽车部件图6 轧滚的激光相变淬火

1．4 激光刻蚀、铣削与毛化

激光刻蚀在微电子行业可以用于半导体器件和芯片的加工，也可以用于精密光学器件的加工。如用激光刻蚀加工半导体芯片和二维光栅。利用激光的高密度能量，可以对硬脆性难加工材料进行激光铣削加工为利用脉冲激光分别铣削加工的硬质合金和氧化铝陶瓷。利用二氧化碳激光器在钢材上铣削加工的三维模具。利用脉冲激光还可以对轧辊进行毛化，经过毛化的轧辊轧制的汽车簿板具有着油漆牢固的特点。另外，还可以利用激光对钢套等零件进行毛化，可以大大地提高其耐磨密寿命。

1．5 激光物理气相沉积、激光化学气相沉积、激光诱导液相化学镀和激光诱导固相反应沉积

激光物理沉积主要是利用蒸发机制制膜．利用此种方法可以制非金属膜，也可以制金属膜(包括难熔金属膜)。激光化学气相沉积是利用激光束的局部高温、高能诱导反应气体发生化学反应沉积成膜的方法。激光诱导液相化学镀可将基板样品直接放入镀液中，用激光辐照诱导反应沉积。与普通化学镀相比，激光诱导化学镀沉积速度要快得多，镀层更加平整致密。一般认为激光诱导化学镀的机理是由于激光可在局部产生高温，使照射区溶液迅速升温活化。分离出金属粒子。而基板表面同时被高温活化，吸附能力大为增强．所以沉积易于进行。激光诱导

固相沉积法直接采用激光诱导固体膜发生作用，反应生成金属或合金沉积在基板上。利用此种方法可以用来进行电路板布线。

1．6 激光快速成型技术

自20世纪90年代初美国3D Systems公司开发出世界首台商品化的快速成型系统以来，快速成型技术得到蓬勃发展。快速成型(Rapid Prototyoing，简称RP)是通过把材料堆积，快速、精密地制造出实际零件，它体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等学科和技术的综合利用。它不需要借助其它设备和工具迅速和精确地制造出复杂的工模具、模型和工艺品。激光快速成型技术粉末烧结法快速制造出的零件主要有激光层叠法、粉末烧结法、光固化法等。

1．7 光标记和艺术品制作

生活用品和生产用品的标记和防伪是不可缺少的，而同时人们对产品的美化和艺术品的要求也越来越高。激光标记和艺术品制作就是利用高密度能量的激光束，会聚在工件表面的对目标进行表面扫描，使材料表面发生物理或化学的变化，导致目标表面的光反射特性的变化，从而获得可见图案。它属于一种非接触的标刻方式。与传统的加工方式(如喷墨打印，电火花加工．机械刀刻等)相比，它具有许多难以比拟的优点。如它采用计算机控制技术，效率高、节奏快；激光刻划精细，可以对各种材料的表面进行标记，并且耐久性非常好；采用激光标刻的防伪效果好等。现在已经广泛用激光来标刻的五金件和键盘，并且利用激光在竹和木头等材料上雕刻制作艺术品。

1．8 激光材料合成、激光清洗和激光加工在建筑上的应用

早在1977年美国麻省理工学院材料科学与工程系科学Haggerty博士发明了陶瓷粉末的激光合成法，现在已经发展到广泛利用激光来制造金属和非金属材料纳米粉。

激光清洗可以使物体表面的污垢吸收光能而蒸发去除，或者在表面产生力学共振而使污垢凝结脱落。激光清洗可以用来清洗微电子芯片、设备的剥漆和古董及字画的除垢等。

目前，激光加工在建筑上的应用主要是高档建筑五金的焊接，以及建筑装饰品的制造，而国外已经有利用激光进行建筑陶瓷和大理石的切割应用报道。随着激光器和激光加工技术的发展，有望可以利用激光进行混凝土件表面玻璃化处理、岩石打洞、大块混凝土件的切割和放射性物质的处理等。

1．9 激光加工技术在纺织，服装行业的应用实例

1.9.1 成衣激光绣花

超过三分之二的纺织服装面料可利用激光来制作各种数码图案。传统的纺织面料制作工艺需要后期的磨花、烫花、压花等加工处理，而二氧化碳激光打标机在此方面具有制作方便、快捷、图案变换灵活、图像清楚、立体感强、能够充分表现各种面料的本色质感，以及历久常新等上风。假如结合镂空工艺更是一语道破，相得益彰。服装面料及成衣激光绣花适合：纺织面料后整理加工厂、面料深加工厂、成衣服装厂、面辅料及来料加工企业。

1.9.2 商标激光打标

激光打标具有打标精度高，速度快，打标清楚，可在硬、软、脆产品的平面、弧面和飞行物上打印各种文字、符号、图案的特点。激光打标兼容了激光切割、雕刻的各种优点，可在金属及有机聚合物薄片上精密加工，加工尺寸小的复杂图