激光的應(yīng)用——激光加工技術(shù)

激光加工技術(shù)是當(dāng)今時(shí)代較先進(jìn)的加工制造技術(shù)，與傳統(tǒng)加工方法相比具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。自20世紀(jì)70年代激光加工技術(shù)蓬勃發(fā)展以來，激光切割、激光雕刻、激光焊接、激光標(biāo)記等激光加工技術(shù)已經(jīng)形成。激光加工技術(shù)的高速、高精度、低消耗等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。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)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)成本起著非常重要的作用。

激光被稱為“受激輻射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）”。在光或電的刺激下，原子中的電子吸收光電能量，從低能水平轉(zhuǎn)移到高能水平，然后從高能水平轉(zhuǎn)移到低能水平，以光子的形式釋放能量，釋放光的相位、頻率、方向等光學(xué)特性高度一致，即激光。激光與計(jì)算機(jī)、原子能、半導(dǎo)體共同被認(rèn)為是20世紀(jì)的四大發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展起著非常重要的作用。

激光具有一般光源所不具備的許多特性：一是激光束發(fā)散度小，幾乎平行，激光方向性好；二是激光亮度高，能照亮遠(yuǎn)距離物體。由于激光是定向發(fā)光，大部分光子集中在小范圍內(nèi)，激光能量密度高；第三，激光波長(zhǎng)分布范圍很窄，所以激光單色性好，顏色很純；第四，高度一致的光學(xué)特性使激光光束之間具有良好的相關(guān)性。

較典型的激光應(yīng)用是激光加工，可分為冷加工和熱加工兩類。激光通過透鏡等聚焦系統(tǒng)聚焦后作用于金屬或非金屬材料表面，利用激光的高能量瞬時(shí)將材料加熱到超高溫，熔化甚至氣化照射部分的材料，實(shí)現(xiàn)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)某種波長(zhǎng)的高能激光束照射到聚合物等材料中時(shí)，光子可以引起或控制光化學(xué)反應(yīng)，稱為光化學(xué)加工，也稱為“冷加工”。光化學(xué)加工主要用于光化學(xué)沉積、激光刻蝕和激光照排。其中，熱加工應(yīng)用廣泛。

激光加工是一種無接觸的方式，不會(huì)產(chǎn)生工具和工件表面的摩擦阻力，也不會(huì)直接影響工件，工件幾乎不會(huì)變形，激光是局部加工，對(duì)非激光部分幾乎沒有影響，因此激光加工是一種高速、高效、高精度的加工方法。激光加工技術(shù)是光與機(jī)電技術(shù)的結(jié)合?？梢哉{(diào)整激光束的移動(dòng)速度、功率密度和方向。它很容易與數(shù)控系統(tǒng)合作處理復(fù)雜的工件，從而實(shí)現(xiàn)不同層次和范圍的應(yīng)用。

一、激光模切技術(shù)

激光模切技術(shù)是根據(jù)軟件中設(shè)計(jì)的工件圖案，將激光束聚焦，直接對(duì)材料表面完成模切或壓痕效果的切割方法。激光模切技術(shù)具有切割精度高、模切產(chǎn)品粗糙度低、加工時(shí)間短、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。由于不需要更換模具切割版本，也可以實(shí)現(xiàn)不同布局工件之間的快速轉(zhuǎn)換，節(jié)省了傳統(tǒng)模具切割版本的調(diào)整時(shí)間，特別適用于輕、異形工件的加工。

典型的激光模切系統(tǒng)應(yīng)包括激光器、掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)室、廢物清除系統(tǒng)和反饋系統(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)

激光在模具切割加工中起著“模具切割刀”的作用，其對(duì)較終加工效果的影響是模具切割機(jī)各部件中較大的。目前，市場(chǎng)上用于激光加工的激光器主要包括YAG激光器、二氧化碳激光器和半導(dǎo)體激光器。較常用的是二氧化碳激光器，它可以被非金屬吸收，并產(chǎn)生連續(xù)激光或非連續(xù)激光脈沖。

二、激光雕刻技術(shù)

激光雕刻機(jī)的主要組成部分是:激光器(提供激光束，包括聚光腔和反射鏡)、聚焦系統(tǒng)(將高功率密度的激光能量聚集在小面積上，達(dá)到較佳的雕刻效率)、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)雕刻工件)、控制面板(調(diào)整和控制電源和激光器)、水冷系統(tǒng)(調(diào)節(jié)激光器內(nèi)的溫度)。CO2激光器常用于激光雕刻，因?yàn)樗饕糜诜墙饘俨牧系募庸?。激光雕刻多采用振鏡式導(dǎo)光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)陣雕刻和適量雕刻。

激光雕刻有三種方式：

(1)切割雕刻。首先將圖形信息分解成無數(shù)切割線， 然后用激光切割這些線， 最后，用切割線表示的圖文。

(2)凹模雕刻。去除圖文部分， 保持圖案外圍部分原樣不動(dòng)。凹模雕刻有兩種情況， 一是切除圖文上的每一點(diǎn)，主要依靠輪廓來反映圖文信息；二是根據(jù)圖文的明暗對(duì)比， 切除圖文上的暗部分， 亮部分少切甚至不切。

(3)凸模雕刻。去除圖文部分，保持圖文部分原樣，切除各點(diǎn)必須相同。這種雕刻方法更適合表達(dá)圖文輪廓。

三、激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)主要用于金屬和塑料制品的焊接加工。過去，金屬焊接大多采用電阻焊接工藝，但電阻焊存在功耗大、熱影響區(qū)大、接口不美觀、焊接材料厚度有限等問題。因此，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)制是利用激光輻射金屬表面，使待焊接部位在很短的時(shí)間內(nèi)瞬間熔化甚至氣化，然后冷卻凝固結(jié)晶形成焊縫。激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊。前者激光功率密度小，輻射能僅作用于金屬表面，材料下層通過熱傳導(dǎo)熔化；深熔焊產(chǎn)生小孔效應(yīng)，即輸入激光能量大，遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)和散熱速率，照射區(qū)氣化形成小孔，孔壓力形成動(dòng)態(tài)平衡，光束可直接照射到孔底?？孜兆⑷氲乃心芰咳刍妆诮饘?，從而形成特別窄和深的焊縫，改變焊接參數(shù)可以在更大范圍內(nèi)改變焊縫的熔化深度，因此實(shí)際上采用更多的深熔焊方法。

接下來，討論用于焊接金屬的激光器的選擇。YAG激光器主要用于金屬焊接，因?yàn)閅AG激光比 二氧化碳激光更容易被金屬吸收，受等離子體影響較小，焊接操作靈活。然而，YAG激光器在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生大量的熱損失，從而提高激光腔溫度，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，與不同稀土離子混合的光纖傳輸。它具有體積小、成本低、激光功率高、焊接深度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)于YAG激光器。

激光焊接金屬工藝幾乎不會(huì)產(chǎn)生廢渣，不需要添加粘合劑，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)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能產(chǎn)生良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，已成為金屬包裝氣密性包裝的主要方式。

對(duì)于塑料工件，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)，實(shí)際加工應(yīng)考慮其密封性能， 防止加工過程中的污染， 塑料激光焊接的高精度和無接觸性能正好滿足這一要求。

激光焊接塑料主要有兩種方法，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(以下簡(jiǎn)稱 TTLW）。NCLW利用激光熱源在一定壓力下軟化或熔化塑料，然后去除熱源冷卻和凝固塑料，實(shí)現(xiàn)焊接。TTLW需要焊接兩種塑料，上部吸收率小到盡可能透射激光，下部吸收率高，先接觸兩側(cè)塑料， 然后激光通過激光塑料部分吸收激光塑料部分，吸收激光塑料部分熱軟化或熔化，通過激光塑料部分也由于熱傳導(dǎo)軟化或熔化，當(dāng)熔體尺寸滿足要求時(shí)，去除激光源，塑料大分子在塑料熱膨脹壓力下相互擴(kuò)散，將塑料焊接連接在一起。該焊接方法可用于對(duì)接接頭的焊接，但更多地用于對(duì)接接頭的焊接。

圖 2 塑料激光透射焊示意圖

大多數(shù)塑料焊接激光器選擇易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控和自動(dòng)化的合成晶體（Nd:YAG）半導(dǎo)體激光器具有效率高、輸出功率小、便攜性強(qiáng)。CO2激光器有時(shí)用于塑料焊接。但CO2激光穿透性差，主要用于薄膜焊接。光纖激光光源質(zhì)量高，效率高，系統(tǒng)體積小，移動(dòng)維護(hù)方便。未來光纖激光器將逐漸取代 Nd：YAG 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)

激光標(biāo)記是應(yīng)用較廣泛的激光加工技術(shù)。其機(jī)制是通過激光局部照射工件，使表面材料瞬間熔化氣化或變色，從而留下永久性的文字和圖案標(biāo)記。激光標(biāo)記不會(huì)對(duì)工件表面產(chǎn)生腐蝕，加工后不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，影響原精度，因此激光標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用廣泛，不同材料標(biāo)記原理、系統(tǒng)組成基本相同，只需通過實(shí)驗(yàn)找到每種材料較合適的參數(shù)設(shè)置即可完成不同材料的激光標(biāo)記。

激光標(biāo)記系統(tǒng)由激光器制成(主要使用Nd):YAG 激光器）、振動(dòng)鏡部分(驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制振動(dòng)鏡偏轉(zhuǎn)使激光輸出點(diǎn)掃描圖文)、數(shù)控部分（由四個(gè)部分組成：編輯、格式轉(zhuǎn)換、導(dǎo)出信息）和電源控制部分（包括激光電源、聲光電源和水冷系統(tǒng)控制）。

激光打標(biāo)過程是通過計(jì)算機(jī)軟件編輯所需的圖形信息，將其轉(zhuǎn)換為打標(biāo)軟件可識(shí)別的格式，將振動(dòng)器伺服控制卡轉(zhuǎn)換為振動(dòng)器可識(shí)別的信號(hào)。這些電信號(hào)傳輸?shù)綊呙枵駝?dòng)器，使振動(dòng)器Ｘ、Ｙ在兩個(gè)方向維度范圍內(nèi)擺動(dòng)，使輸出點(diǎn)掃描圖形標(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)生所需的頻率調(diào)制信號(hào)，使連續(xù)激光調(diào)制成非連續(xù)激光脈沖，并在加工工件上顯示掃描的圖形標(biāo)記信息。

圖 3 激光標(biāo)記工作機(jī)制

影響激光標(biāo)記圖形效果的主要因素有激光掃描速度、光點(diǎn)直徑、激光功率等。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。隨著功率的增加，標(biāo)記的清晰度將首先增加，然后降低。

接下來，我們將討論標(biāo)記激光器的選擇。CO2氣體激光只適用于非金屬材料的標(biāo)記，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)只能被非金屬材料吸收，而YAG激光適用于金屬和非金屬材料。光纖激光器與CO2混合稀土元素、YAG 與輸出功率相比，激光打標(biāo)機(jī)的光斑直徑更小，標(biāo)記深度和精細(xì)度更高。紫外激光標(biāo)記是一種新開發(fā)的激光冷加工技術(shù)。紫外線能量密度高，光束質(zhì)量好，聚焦光斑小，熱影響面積小，可實(shí)現(xiàn)超精細(xì)標(biāo)記，多用于標(biāo)記玻璃等非金屬材料。

激光標(biāo)記具有速度快、標(biāo)記精細(xì)、耐久性好、非接觸式加工、加工方法靈活、易于與自動(dòng)加工生產(chǎn)線相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。它可以制作復(fù)雜的圖形標(biāo)記，不容易被模仿或篡改，因此它也起到了很好的防偽作用。隨著消費(fèi)者需求的擴(kuò)大和激光標(biāo)記技術(shù)的日益先進(jìn)，它將在各個(gè)行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

來源：北交大激光研究所：