激光加工技术是当今时代最具技术先进性的加工制造技术，较传统加工方式有着显而易见的竞争优势。自上世纪七十年代激光加工技术蓬勃兴起，现已形成了激光切割、激光雕刻、激光焊接、激光打标等几十种激光加工技术。激光加工技术的高速高精度低耗等优势使得其被大范围推广应用，现已大范围的应用于微电子电器、汽车、航空航天、机械制造、印刷包装等国民经济的重要领域，对于提高劳动生产率、提高产品质量、实现自动化生产、保护环境、减少材料资源消耗、降低生产所带来的成本等起着十分重要的作用。
激光全称为“受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）”。原子中的电子在光或电的激发下吸收光电能量，自低能级跃迁到高能级，再从高能级落回到低能级时，以光子的形式释放出能量，且放出光的相位、频率、方向等光学特性高度一致，这样的光即为激光。激光与计算机、原子能、半导体共同被视为是二十世纪的四项重大发明，对人类社会的进步发展有十分重要的作用。
激光具有很多一般光源所不具备的特性：第一，激光束的发散度极小，几乎为平行，所以激光方向性极好；第二，激光的亮度极高，能够照亮超远距离的物体，由于激光是定向发光，光子大都集中在一个小的范围内发射，所以激光能量密度极高；第三，激光波长分布范围非常窄，因此激光单色性很好，颜色极纯；第四，高度一致的光学特性使得激光各光束间具有非常好的相干性。
激光最为典型的应用就是激光加工，激光加工可分为冷加工和热加工两类。激光经过透镜等聚焦系统聚焦后作用于金属或非金属材料表面，利用激光的高能量对材料瞬时加热至超高温，使照射部分的材料熔化甚至气化，达到对材料的改性或去除，这种基于光热效应的加工被称为“热加工”。当用某类波长的高能量激光束照射到聚合物这类的材料时，可由光子引发或控制光化学反应，这种加工过程被称为光化学加工，也叫“冷加工”。光化学加工主要应用于光化学沉积、激光刻蚀和激光照排等。其中热加工的应用较为广泛。
激光加工是无接触的方式，不会产生工具与工件表面的摩擦阻力，也不会直接对工件进行冲击，工件几乎不会发生变形，且激光是对局部进行加工，对非激光照射的部分基本上没有影响，所以激光加工是高速、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，激光光束的移动速度、功率密度和方向等都可以调节，易与数控系统配合来对复杂工件进行加工，可由此对其实现不同层面和范围的应用。
一
激光模切技术
激光模切技术是根据在软件中设计好的工件图样，将激光束聚焦后直接对材料表面完成模切或压痕效果的一种切割方法。激光模切技术具有切割精度高、模切产品粗糙度低、模切加工时间短、生产效率高等特点。由于无须更换模切刀版，也可实现不同版式工件之间的快速转换，这样节省了传统模切刀版调整时间，尤其适用于轻薄、异形工件的加工。
典型的激光模切系统应该包括有激光器、扫描系统、控制管理系统、冷却系统、惰性气体保护室、废料清除系统以及反馈系统。
图 1 激光模切系统构成示意图-1.激光器2.电源和控制电路3.计算机4.扫描系统5.Fθ透镜6.像场。
激光在模切加工中扮演“模切刀”的角色，其对最终的加工效果的影响是模切机各组成部分中最大的，目前市场上用于激光加工的激光器主要有YAG激光器、CO2激光器和半导体激光器等。最常使用的是出波长能被非金属很好吸收且能够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
激光雕刻机的主要组成为：激光器（提供激光光束，包括聚光腔、反射镜）、聚焦系统（使高功率密度的激光能量聚集在小面积上，达到最佳的雕刻效率）、导光系统（改变激光照射方向）、工作台（用于承载或移动被雕刻工件）、控制面板（调整和控制电源及激光器）、水冷系统（调控激光器内的温度）。由于主要是对非金属材料加工，所以激光雕刻与模切一样常选用CO2激光器。为实现高速点阵雕刻和适量雕刻，激光雕刻大多采用振镜式导光系统。
激光雕刻有以下三种方式
01
切割雕刻
先将图文信息分解成无数切割线条, 然后用激光按照这些线条进行切割, 最终得到利用切割线条表示出的图文。
02
凹模雕刻
去除图文部分, 维持图案外围的部分原样不动。凹模雕刻有两种情况, 一种是对图文上每一点切除力度同样大,主要靠轮廓来体现图文信息；第二种是根据图文的明暗对比的不同, 多切除图文上暗的部分, 亮的部分则少切甚至不切除。
03
凸模雕刻
去除非图文部分，维持图文部分原样，各点处切除力度必相同。此雕刻方法较适用于表达图文轮廓等。
三
激光焊接技术
激光焊接技术大多数都用在对金属及塑料制品进行焊接加工。以前金属焊接大多采用电阻焊接工艺，但电阻焊存在耗电量大、热影响区大、接口不美观、可焊材料厚度受限等问题，所以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用激光辐射金属表面，通过激光与金属的耦合作用使待焊接部位在极短时间内瞬间熔化甚至气化，再冷却凝固结晶而形成焊缝。激光焊接可分为热传导焊接和深熔焊两种，前者会发生激光的功率密度较小，辐射能只作用于金属表面，材料下层则靠热传导受热熔化；深熔焊会产生小孔效应，即输入激光能量很大，远大于传导及散热的速率时，照射区域会在极短时间发生气化形成小孔，孔内压力形成动态的平衡，光束可以直接照射到孔底。小孔吸收射入的所有能量使孔壁金属熔化，由此可形成尤其窄而深的焊缝，且改变焊接参数可以使焊缝熔深在较大范围内变化，所以实际更多采用深熔焊接方式。
接下来讨论用于焊接金属的激光器的选择。金属焊接大多采用YAG激光器，因为YAG激光比 CO22激光更易于被金属吸收，且受等离子体影响较小，焊接操作灵活。但YAG激光器运作时易产生大量热损耗，使激光腔温度升高产生激光热透镜效应，从而降低激光功率和能量转化效率。YLR光纤激光器是以光纤为基材，掺杂不同的稀土离子的光纤传输传输，具有体积小、成本低、激光功率高等优点，焊接熔深和速度更高，较YAG激光器更胜一筹。
激光焊接金属过程几乎不会产生碎屑废渣，且无需添加粘合剂，具有速度快、精度高、热影响区小、深宽比大、焊缝美观等优点，易实现自动化，可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的主要方式。
对于塑料材料工件而言，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，而实际时加工既要考虑其密封性能, 又要防止加工过程中会受到污染, 塑料激光焊接的高精度和无接触性正好能够完全满足这样的要求。
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射焊接（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化，之后撤掉热源使塑料冷却凝固实现焊接。TTLW需要待焊两塑料上部吸收率小到尽可能透射激光,下部吸收率高，先将两边塑料相接触， 然后激光穿过透过激光塑料部分被吸收激光塑料部分吸收，吸收激光塑料部分受热软化或熔化，透过激光塑料部分也由于热传导也软化或熔化，当熔核的尺寸达到要求时，撤掉激光源，塑料大分子在塑料热膨胀产生的压力下相互扩散,从而连接在一起,实现塑料的焊接。该种焊接方法能应用于对接接头的焊接，但更多应用于搭接接头的焊接。
图 2 塑料激光透射焊示意图
塑料焊接激光器大多选用容易实现数控和自动化的掺钕钇铝石榴石合成晶体（Nd:YAG）激光器和效率高、输出功率小、便携的半导体激光器。塑料焊接有时也使用CO2激光器。但是CO2激光的穿透性能较差,大多数都用在薄膜焊接。光纤激光光源质量高，效率高，且系统体积小、方便移动和维修。未来光纤激光器将会逐步取代 Nd：YAG 及二极管激光器，大范围的应用于塑料焊接领域。
四
激光打标技术
激光打标是应用场景范围最广的一项激光加工技术，其机理是通过激光对工件的局部照射，使表面材料瞬间融熔气化或者发生颜色变化，从而留下永久性的文字、图案等的标记。激光打标对工件表面不会产生腐蚀，且加工后不会产生应力而影响原有精度，所以激光打标技术应用场景范围很广，对不同材料打标的原理、系统组成基本相同，只需通过实验找出对每种材料最适合的参数设置即可完成对不同材料的激光打标。
激光打标系统由激光器（大多采用Nd:YAG 激光器）、振镜部分（驱动信号控制振镜偏转使激光输出点扫描出图文）、数控部分（以完成扫描图文的编辑、格式转变、导出信息）和电源控制部分（包括激光电源、声光电源、水冷系统的控制）四部分组成。
激光打标过程是首先通过计算机软件编辑好所需的图文信息，转为打标软件能识别的格式，导入振镜伺服控制卡转换成振镜能够识别的信号。这些电信号传输到扫描振镜使会使振镜在Ｘ、Ｙ二个方向维度范围内摆动，使输出点扫描出图文标记信息。同时，在信号的控制下声光电源使声光 Q开关产生所需要的频率调制信号，使连续的激光调制成非连续的激光脉冲，即可将扫描出的图文标记信息显示在被加工工件上。
图 3 激光打标工作机理
影响激光打标图文效果的重要的因素有激光扫描的速度、光点的直径、激光的功率等。扫描速度越高标记越模糊，光点直径越大标记越清晰，而随着功率增加，打标清晰程度会先升高后降低。
接下来讨论打标激光器的选择。CO2气体激光由于波长只能被非金属材料吸收所以只适用于非金属材料的打标，而YAG激光对金属、非金属材料均适用。掺稀土元素的光纤激光器与CO2、YAG 激光打标机相比输出功率更小，光斑直径更小，标记深度、精细度更高。紫外激光打标一种是新研发出的激光冷加工技术。紫外光能量密度高，光束质量好，聚焦光斑极小，热影响区域极小，可实现超精细标记，多用于打标玻璃等非金属材料。
激光打标具有速度快，标记精细且耐久性好，非接触式加工，加工方式灵活，易于与自动化加工生产线相结合等优点。可制作出复杂的不易被仿制或篡改的图文标记，所以也起到了很好的防伪作用。随着消费需求的扩大和激光打标技术的日趋先进,其在各行业中的应用会越来越广泛。
来源：北交大激光研究所
