应用_激光加工技术的应用

激光加工技术是现代最先进的加工制造技术，比传统的加工方式具有明显的竞争优势。 自1970年代激光加工技术兴起以来，形成了激光切割、激光雕刻、激光焊接、激光刻印等几十种激光加工技术。 激光加工技术的高速、高精度、低消耗等优势得到广泛普及，目前已广泛应用于微电子、汽车、航天、机械制造、印刷包装等国民经济的重要领域，在提高劳动生产率、提高产品质量、自动化生产、保护环境、减少材料资源消耗、降低生产成本等方面发挥着重要作用。

激光被称为“激光辐射光放大”( lightanmicationationbystimulatedemissionofradiation )。 原子中的电子通过光和电的激发吸收光能，从低能级转变为高能级，从高能级返回低能级时，以光子的形式放出能量，放出光的相位、频率、方向等光学特性高度一致的光是激光。 激光与计算机、核能、半导体一起被视为二十世纪四大发明，对人类社会的进步发展起着重要作用。

激光多为一般光源所没有的特性。 第一，由于激光的发散度极小、大致平行，因此激光的指向性优异，第二，激光的亮度极高，能够照射超远距离的物体，激光是定向发光，光子几乎集中在小范围内发射，因此激光的能量密度极高 由于激光器的波长分布范围非常窄，所以激光器的单色性良好，颜色极为纯粹，第四，高度一致的光学特性在激光的各光束之间具有良好的相干性。

激光最典型的应用是激光加工，激光加工分为冷加工和热加工两种。 激光通过透镜等聚光系统聚光后，作用于金属或非金属材料的表面，通过激光的高能量瞬间将材料加热到超高温，使照射部分的材料熔融或气化，实现材料改性或除去的光热效应的加工称为“热加工”。 用某种波长的高能激光束照射聚合物之类的材料，光子诱发或控制光化学反应的工艺称为光化学加工，也称为“冷加工”。 光化学加工主要应用于光化学沉积、激光蚀刻、激光照射等。 其中热加工的应用广泛。

激光加工为非接触方式，工具与工件表面不产生摩擦阻力，工件不直接受到冲击，工件几乎不变形，激光加工被部分加工，对非激光照射部分几乎没有影响，因此激光加工是一种高速、高效、高精度的加工方式。 激光加工技术是光与机电技术的结合，可调节激光束的移动速度、功率密度和方向等，易于与数控系统配合加工复杂工件，从而实现不同水平和范围的应用。

一、激光冲模技术

激光切割技术是根据软件设计的工件图案，在激光束聚光后，在材料表面直接完成切割和压痕效果的切割方法。 激光模切技术具有切割精度高、模切制品粗糙度低、模切加工时间短、生产效率高等特点。 无需更换切削刀片，可实现不同布局的工件之间的高速转换，节省传统切削刀片的调整时间，特别适合薄型异形工件的加工。

典型的激光切割系统应包括激光、扫描系统、控制系统、冷却系统、惰性气体保护室、废物去除系统和反馈系统。

图1激光切割系统结构图-1.激光2 .电源和控制电路3 .计算机4 .扫描系统5.Fθ透镜6 .摄像场。

激光在冲切加工中起到“冲切机”的作用，对最终加工效果的影响是冲切机各构成部分中最大的，目前市场上用于激光加工的激光主要是YAG激光、CO2激光和半导体激光等。 最常用的是被非金属吸收，能产生连续激光或非连续激光脉冲的CO2激光器。

二、激光雕刻技术

激光雕刻机的主要结构包括激光(提供激光束，包括聚光腔、反射镜)、聚光系统(将高功率密度的激光能量聚集到小面积，达到最佳雕刻效率)、导光系统(改变激光照射方向)、工作台(用于承载或移动雕刻的工件)、控制面板(电源) 由于主要加工非金属材料，激光雕刻和模切一样多使用CO2激光。 为了实现高速格子雕刻和适量雕刻，激光雕刻多采用电镜式导光系统。

激光雕刻有以下三种方式

1 .雕刻

把文字信息分解成无数的切断线，用激光沿着这些线切断，最终得到用切断线表现的文字。

2 .模具雕刻

删除文字部分，图案周围的部分保持原样。 凹凸雕刻有两种情况:一是对文字各点的切除力相同，主要是用轮廓表现文字信息；二是根据文字明暗的对比度，多切除文字暗的部分，明亮的部分不切除。

3 .冲孔雕刻

除文字部分外，文字部分应保持原样，各点切除力应相同。 这种雕刻方法适用于表现文字轮廓等。

三、激光焊接技术

激光焊接技术主要用于金属和塑料制品的焊接加工。 以往金属焊接多采用电阻焊接技术，但电阻焊接存在功耗大、热影响区域大、接口不美、可焊材料厚度受限等问题，激光焊接技术的应用越来越广泛。 激光焊接金属的作用机理是激光发射金属表面，激光与金属的结合作用使焊接对象部位在短时间内瞬间熔融、气化，冷却凝固结晶形成焊接。 激光焊接分为导热焊接和深熔焊接，前者激光功率密度小，辐射能只作用于金属表面，材料下层热熔焊接产生小孔效应。 也就是说，当激光能量大，远大于传导和散热的速度时，照射区域在极短时间内汽化形成小孔，孔内的压力形成动态平衡，光束可以直接照射到孔底。 小孔通过吸收入射的全部能量熔化孔壁金属，可形成特别窄而深的焊接，通过改变焊接参数可使焊接熔化在较大范围内变化，因此实际上多采用深的焊接方式。

其次，研究了用于焊接金属的激光器的选择。 大多数金属焊接采用YAG激光器。 YAG激光比CO22激光更容易被金属吸收，等离子体的影响小，因此焊接作业灵活。 但YAG激光器工作时容易产生大量热损失，使激光腔温度上升，产生激光热透镜效应，降低激光功率和能量转换效率。 YLR光纤激光器是以光纤为基材，掺杂不同稀土类离子的光纤传输，具有体积小、成本低、激光功率高等优点，焊接熔透和速度更高，优于YAG激光器。

激光焊接的金属工艺具有垃圾几乎不产生、无需添加粘结剂、速度快、精度高、热影响区域小、深度比大、焊接美观等优点，自动化简单，产生良好的社会和经济效益，已成为金属包装气密性封装等主要方式。

对于塑料工件，传统的塑料焊接主要采用超声波焊接、摩擦焊接、振动焊接、热板焊接等技术，但实际加工要考虑密封性能，防止加工过程中的污染。 塑料激光焊接的高精度和非接触性恰好能满足这些要求。

激光焊接塑料的方法主要有两种，一种是远红外CO2激光焊接塑料(简称NCLW )，一种是近红外激光焊接热塑性塑料的激光透焊(简称TTLW )。 NCLW是用激光热源在一定压力的维持下使塑料软化或熔融，然后去除热源使塑料冷却凝固进行焊接。 TTLW焊接塑料的上部吸收率尽量小，下部吸收率高。 首先使两侧的塑料接触，透过激光的塑料部分被吸收了激光的塑料部分吸收，吸收了激光的塑料部分被热软化或熔融，透过激光的塑料部分也被热软化或熔融，在要求熔融核的尺寸时取出激光源 此焊接方法适用于对接接头的焊接，但适用于堆叠接头的焊接。

图2塑料激光透射焊接示意图

大多数塑料焊接激光器采用NC和易实现自动化的钕钇铝石榴石合成晶体( Nd:YAG )激光器，效率高、功率小、便携式半导体激光器。 塑料焊接有时也使用CO2激光器。 但CO2激光透射性能差，主要用于薄膜焊接。 光纤激光光源质量高，效率高，且系统体积小，便于移动和维护。 将来光纤激光器广泛应用于塑料焊接领域，取代Nd:YAG和二极管激光器。

四、激光刻印技术

激光刻印是应用范围最广的激光加工技术，其机理是激光局部照射工件，使表面材料瞬间熔融气化或变色，留下永久的文字或图案等标记。 由于激光刻印在工件表面不会产生腐蚀，加工后不会产生应力，因此激光刻印技术的应用范围广泛，每种材料的刻印原理和系统结构基本相同，只需实验性地找到每种材料的最佳参数设定，即可完成对不同材料的激光刻印。

激光打印系统包括激光( nd :多采用YAG激光)、检流计反射镜部分(驱动信号控制检流计反射镜的偏转并扫描激光输出点)、数字控制部分(完成扫描文字的编辑、格式转换、信息的导出)和电源控制部分(激光电源、声光电源、水冷)

激光打印过程首先通过计算机软件编辑必要的文字信息，转换为打印软件能够识别的格式，导入电流镜伺服控制卡，转换为电流镜能够识别的信号。 这些电信号传递到扫描振子后，振子在x、y两个方向的维度范围内摆动，在输出点扫描文字标记信息。 同时，在信号的控制下，声光电源产生声光q开关所需的调频信号，并且将连续激光调制为不连续激光脉冲，从而能够在工件上显示扫描的字符标记信息。

图3激光打印动作机构

影响激光打印文字效果的主要原因是激光扫描速度、光斑直径、激光功率等。 扫描速度越高，标记越模糊，光点直径越大，标记越清晰，随着功率的增大，印字的清晰度提高后降低。

接下来对刻印激光的选择进行研究。 CO2气体激光器由于波长仅被非金属材料吸收，因此只能适用于非金属材料的印字，与此相对，YAG激光器也适用于金属、非金属材料。 添加稀土类元素的光纤激光与CO2、YAG激光刻印机相比，输出功率小，光点直径小，刻印深度、精度高。 紫外激光刻印是新开发的激光冷加工技术。 紫外线能量密度高，光束品质好，聚光点极小，热影响区域极小，可进行超微细标记，多用于玻璃等非金属材料的刻印。

激光刻印具有速度快、刻印细腻、耐久性高、非接触加工、加工方式灵活、易与自动加工生产线结合等优点。 因为可以制作复杂的复印和不易被篡改的文字标记，防伪也很好。 随着消费需求的扩大和激光刻印技术的进步，其在行业中的应用越来越广泛。

资料来源:北交大激光研究所