激光加工的现状及发展趋势

激光加工的现状及其发展前景

刘元锋

西南大学工程技术学院

2006级机械设计制造及其自动化二班

摘要：自第一台红宝石激光器问世以来，激光加工就成为一个很有前途的应用领域。与计量、图像技术、信息传递等激光应用领域一样，激光加工技术随着激光器及外围技术的进步而发展起来。本文综述了激光加工、激光器、激光加工工艺和应用以及激加工的现状及其发展前景。

关键词：激光加工 激光器 加工工艺和应用 现状和发展前景

1.前言

激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门新兴科学，在材料加工方面，已逐步形成了一种崭新的加工方法——激光加工（Lasser Beam Machining简称IBM）。激光加工可以用于打孔、切割、电子器件的微调、焊接、热处理、以及激光存贮等各个领域。由于激光加工不需要加工工具、而且加工速度快、表面变形小、可以加工各种材料，已经在生产实践领域中愈来愈多地显了它的优越性，越来越受到人们的重视。

2.正文

激光加工因激光特性，加工效果好。激光器、激光器加工装置、激光加工相关测量技术及加工技术决定了激光加工的应用的发展前景。

2.1 激光加工

2.1.1激光加工的含义 激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度靠光热效应来加工各种材料的。

2.1.2激光加工的特性 由于激光具有高亮极度、单色性好、相干性好、方向性好四大特性，因此就给激光加工带来一些其它加工方法所不具备的特性。

2.1.3激光加工特点 1.能量密度高，几乎可以熔化、气化任何材料；2.激光光斑大小可以聚焦到微米级，输出功率可以调节，因此可用以精密微细加工； 3.加工所用工具激光束是非接触工件加工，所以没有明显的机械力，没有工具损耗问题。加工速度快、热影响区小，容易实现加工过程自动化。还能通过透明体进行加工，如对真空管内部进行焊接加工等；4.激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多，因此，精微加工时，精度，尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必有反复试验，寻找合理的参数，才能达到一定的加工要求。由于光的反射作用，对于表面光洁或透明材料，必须预先进行色化或打毛处理才能加工。5.加工过程中产生的金属气体及火星等飞溅物。

2.1.4激光器 激光器是激光加工的重要设备，它能把电能转变光能，产生激光束。激光加工是靠激光与材料的相互作用而进行的。激光与材料的相互作用因激光波长、照射能量密度、作用时间的不同而有很大区别。这意味着加工方法与使用激光器的种类、谐振形态和光束特性密切相关。激光器可分为固体激光器和气体激光器。固体激光器包括红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器；气体激光器有CO2激光器、氩离子激光器。

2.2激光加工工艺和应用

激光加工是利用高功率密度的激光束作为热源来进行焊接、切割、打孔等加工。激光加工的主要用途有如下几种:

2.2.1激光打孔 激光打孔一般采用小功率的YAG固体激光器，由于激光束可通过透镜聚焦到很小焦点，因此适合于加工精密微细小孔。利用激光几乎可以在任何材料上打微型小孔，目前已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、化学纤维喷丝板打孔、钟表及仪表中的宝石轴承打孔、金刚石拉丝模加工等方面。激光打孔适合于自动化连续打孔。

2.2.2激光切割 激光切割原理和激光打孔原理基本相同。激光切割大都采用重复频率较高的脉冲激光器或连续输出的激光器。在精密机械加工中，一般采用高重复频率的脉冲激光器。YAG激光器输出的激光可应用于半导体划片、化学纤维喷丝头的Y形、十字形等开型孔加工、精密零件的窄缝切割与划线以及雕刻等。激光可用于各种各样的材料。可以切割金属，也可以切割非金属；既可以切割无机物，也可以切割皮革之类的有机物。它可以代替锯切割木材，代替剪子切割布料、纸张，还可以切割无法进行机械切割的工件，如电子管外部切断内部的灯丝。激光切割不会产生机械冲力和压力，故适宜切割玻璃、陶瓷和半导体等又硬又脆的材料。再加工光斑小、切缝窄、且便于自动控制，所以更向适宜于对细小部件作精密切割。

2.2.3激光焊接 由于激光束可利用反射镜任意改变方向，因而能焊接一般焊接方法难以接近的工件部位。采用固体激光器焊接时，由于输出能量小，脉冲激光持续时间短，其焊点可小至几十微米。适用于微型、精密、排列密集以及受热敏感的电子元件和仪器部件的焊接，例如集成电路的晶片焊接和丝焊等。采用气体激光器焊接时，由于输出功率大，并可产生连续激光，故可进行厚板的连续焊接，适用于焊接0.1～12mm厚的低合金钢、不锈钢、镍、钦、铝等金属及其合金。小功率的二氧化碳激光器可焊接石英、陶瓷、玻璃和塑料等非金属材料。

2.2.4.其他应用 利用激光可快速去除材料这一特点，还可用于薄膜和厚膜电阻微调、乐器簧片调谐、旋转体(如透平叶轮、陀螺仪、微电机和钟表摆轮等)的动平衡校正等。此外，激光加工还用于打标、划线、刻标计、材料表面热处理和材料沉积等方面。利用光化学反应，还可用于光化学沉积、立体光刻、激光刻蚀、在快速成形中的SLA、SLS等。

2.3激光加工的现状及其发展前景

2.3.1激光器及加工装置的发展 激光器的发展是激光加工技术发展的前提条件。近几年下述几种激光器输出功率和工作稳定性方面均有突破性进展，使激光加工技术跃上一个新的台阶，而激光器技术的发展，大大促进了激光加工技术的发展，它不仅给已有的加工方法带来了生机，而且也开辟了新的加工领域。

1.YAG激光器：

板条(Slab)Nd:YAG激光器:该激光器从结构上克服了激光棒的热变形(热透镜效应)，故有功率大(达2kW以上)、光束发散角小(接近衍射极限)的高质量激光输出，提高了加工能力，可进行超深加工，如钻孔深达76mm，切割厚度达40mm。激光二极管（LD-Laser Diode）泵浦的Nd:YAG激光器该激光器是用与YAG光谱吸收带吻合的激光二极管泵浦Nd:YAG，大大减少了非吸收带光能转化的热量，其主要特点是电光转换效率高（高达 20%～40%），能直接获得紫外波长的激光，从而为大功率、小型化、低能耗（工作电压也低）、热负荷小和长寿命稳定工作创造了条件。由于其波长位于紫外波段，光束质量好，可进行多种优质加工。

2.准分子(Excimer)激光器

用作激光工作介质的准分子有KrF,XeCl,AeF等气态物质。其发出的激光属紫外波段，激光器基本结构与CO 2 气体激光器相同。紫外波段的准分子激光加工机理比较复杂，通常的解释是依靠“激光消融”（Laser Ablation又称为“激光冷加工”）来蚀除材料。准分子激光具有波长短（190～350mm），频率高（达5kHz），效率高（达4%），光束质量好（发散角0.3mrad ，波长线宽1pm以下），工作寿命长，光束截面大等优点，是很有潜力的工业激光器。

3.CO激光器

CO激光波长是CO2 激光波长的一半，因此，光束的聚焦性和材料的吸收性都优于CO2 激光。例如3kW的CO激光的切割能力同5kW的CO2激光一样。目前最大CO激光达20kW。

4.铜蒸气激光器

铜蒸气激光是有望用于微细加工的一种激光器。它可作为倍频YAG激光的取代器件。其波长为511～578nm的可见光，光脉宽20～60ns，重复频率 2～32kHz，目前器件有实用价值的输出功率为10～120W，750W的器件也正在研究中。

2.3.2激光加工中辅助器具的发展 激光加工是制造技术家庭中最具活力的一个新成员，它以能力强、速度快、附加效益高等特点，活跃在各个领域。但对于每一项新开发的激光加工方法，能否最终转换为生产力，还取决于是否有激光器加工设备、工艺技术及测试监控技术等与之配套。这些方面近期也有很大发展，主要体现在多坐标数控化设备的研究；实现高速传输光束的研究；工艺控制及检测智能化的研究等。

1、导光器件

采用新激光器的加工装置、加工技术作为生产装置、生产技术引入到产业中，开发适用于真空紫外激光范围的反射镜、透镜等光学元件是很重要的。折射光学元件的设计和性能评价工作正在进行，相信在不久的将来，能够直接控制光束内能量密度分布的光学元件将得到普及。将来，如果大功率LD的输出光束能直接用于加工，则由于其与固体激光器相比尺寸较小，故在应用上需要充分研究导光光纤的护套和连接器，以适应需求。

2、光束特性的测量

激光加工状态很大程度上受激光功率、模式、光束扩散角等激光特性影响，加工特性与光束特性之间的定量关系目前实验数据还不充分。没有方便地测量大功率激光光束直径和发散角的测量装置，准确地把握加工状态，理解和控制加工现象。另外，与焊接缺陷有关的毫秒级功率变动和大功率激光聚焦光斑直径的测量等光束特性评价装置也明显不足。 3、加工夹具、工具

即便是在热加工领域，大功率激光器可以用于金属板材的切割加工、高速小形变立光抓电信渡Vbl.Ir，N劝。ZOJ000综合评述体形状的焊接、局部合金化，以及立体形状的形成、加热成形等方面.为使激光加工技术适应于各种产品的制造，有些技术是不可缺少的。如在激光焊接中，焊缝的检测、辅助气体、焊丝供给系统、焊接头的姿势与位置控制系统;在激光合金化及熔砚处理中，粉末添加材料的准确供给、加工状态的监测等。

2.3.3激光加工技术

1.kw级YAG激光焊接

功率为4kw的YAG激光器已开始用于汽车车身的三维焊接，目前的4kw～6kw级激光器从价格及耗电方面考虑，其应用受到一定限制，但如果LD泵浦的激光器普及起来，则激光加工的应用将会发生很大变化.另一方面，将功率为数千瓦的YAG激光束重登在一起的大功率激光焊接加工实验处于进行中，通过实验明激光器用于加工是非常有利的，但在加工头的小型化方面需要进一步研究。

2.超短脉冲激光加工

超短脉冲激光加工对熔石英材料进行烧蚀加工时，如果使用脉冲宽度在Ps以下的超短脉冲激光，改变波长分别至750nm、526nm，则能进行加工的阂值随脉冲宽度变窄而降低。在脉冲宽度为10Ps以下时热扩散将摆脱与脉冲宽度t的1/2成正比的关系。

3.薄膜的形成

短波和紫外光准分子激光适用于打印机墨头喷嘴小孔、印刷电路徽孔等高分子材料徽孔加工。随着光束特性的改善，也被LSI曝光装置所采用。图2所示的准分子激光装置在1995年起市场份额急剧增加。激光烧蚀法在高温超导材料、强电介质材料薄膜形成方面的研究、在光化学气相沉积膜形成方面的研究等正在进行。最近，正在开辟准分子激光应用的新领域，如在超高真空中用烧蚀法制Pbo.Tio、BaT等陶瓷膜的研究、复合化学反应的水晶烧蚀加工的研究等。

4.超微细加工

采用激光的最先进的微细加工技术是半导体加工技术。现在，在0.025nm级的64MbitDRAM生产中采用的是KrF激光.1GbitDRAM生产中需要0.15nm以下的曝光技术。作为曝光光源，有电子线、X射线、准分子激光等。作为下一代光刻光源有ArF(波长193nm)准分子激光，更下一代有FZ(波长157nm)激光。为使这些超微细加工实用化，不仅要研