激光加工技术应用文档格式.docx

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（2）正文

一、激光加工的原理及其特点

1、激光加工的起源：

早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。

到20世纪70年代，随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研究，激光加工技术有了很大进展，使用范围随之扩大。

数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。

各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。

2、激光加工的原理：

激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能，利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术，涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科。

由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。

由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。

由于激光加工热影响区域小，光束方向性好，几乎可以加工任何材料。

常用来进行选择性加工，精密加工。

由于激光加工的特殊特点，其发展前景广阔，目前已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、切削加工，快速成形，激光钻孔和基板划片，半导体处理等。

加工过程大体上可分为如下几个阶段：

1.激光束照射工件材料（光的辐射能部分被反射，部分被吸收并对材料加热，部分因热传导而损失）；

2.工件材料吸收光能；

3.光能转变成热能是工件材料无损加热（激光进入工件材料的深度极浅，所以在焦点中央，表面温度迅速升高）；

4.工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏；

5.作用结束与加工区冷凝。

3、激光加工的特点：

激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势

①由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。

②它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。

③激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。

④激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。

因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。

⑤它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。

⑥由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。

⑦使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。

例如：

1.美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到4H即可高质量完成，而原来采用电火花加工则需要9H以上。

仅此一项，每台发动机的造价可省5万美元。

2.激光切割钢件工效可提高8-20倍，材料可节省15-30%，大幅度降低了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。

虽然激光加工拥有许多优点，但不足之处也是很明显的。

二、目前激光加工的技术及应用

用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。

激光加工有许多优点：

①激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料（如陶瓷、金刚石等）也可用激光加工。

②激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题。

③工件不受应力，不易污染。

④可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工。

⑤激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工。

⑥激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度。

⑦在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。

目前已成熟的激光加工技术包括：

激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。

1、激光快速成形技术

激光快速成型技术是上世纪80年代发展起来的一门高新技术，它是利用激光技术、CAX技术、自动控制技术和新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一门多学科综合技术．激光快速成型技术一改传统加工“去除”成型加工工艺，改为“堆积”成型加工工艺，在加工领域具有划时代的意义。

激光快速成型技术中LOM工艺，是利用CAD模型设计功能和CAM加工制造功能，不需要工程图纸，将设计模型数据直接切片生成加工代码，快速制造出设计模型样件或样机。

在新产品开发设计阶段，采用激光快速成型技术可有效缩短设计周期。

如河北工业大学快速成型中心，对某型号汽车除霜管设计制造在一两天中即可完成，并取得了良好的效果．目前，激光快速成型技术广泛应用于航空航天、汽车、玩具制造等行业。

2、激光焊接技术

激光焊接是利用高能量激光束照射焊接工件，工件受热融化，然后冷却得到焊接的目的。

激光焊接的显著特征是大熔、焊道、小热影响区，以及高功率密度，大气压力下进行不要求保护气体，不产生X射线，在磁场内不会出现束偏移，更加之该法焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料便于实现遥控等优点，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料，因此很快在电子行业中实现了产业化。

激光焊接有两种基本方式：

传导焊与深熔（小孔）焊。

国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。

另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响。

日本自90年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变。

目前，激光焊接主要应用在汽车行业，如汽车车身的焊接（美国福特汽车公司），底板焊接（西德大众），发动机悬架焊接（奥迪轿车）等等。

3、激光打标技术

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。

激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。

激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米量到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。

准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。

4、激光打孔技术

激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。

激光打孔在微细孔加工中的应用，解决了一些传统机械加工不能解决的难题，为微孔加工提供了先进的加工手段。

在上世纪90年代，激光打孔技术就朝着多样化、高速度、高精度、直径更微小的方向发展。

例如在飞机机翼上打5万个直径为0.064mm的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力，取得节油40%的良好效果。

我国从上世纪60年代开始在钟表行业中使用激光加工技术，对宝石轴承进行激光打孔。

5、激光去重平衡技术

激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。

激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。

对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。

6、激光蚀刻技术

自从首次报道准分子激光能获得快速、高分辨光刻以来，人们在八十年代即对准分子激光光刻进行了大量研究。

尽管电子束、X射线、离子束具有更短的波长，在提高分辨率方面有更多好处，但曝光源、掩模、抗蚀剂、成像光学系统方面存在极大的困难。

而相反，准分子光刻有着明显的经济性和现实性，它将光学光刻扩展至DUV和VUV，其高功率大大缩短了基片曝光时间，分辨率易获得亚微米线宽，掩模和抗蚀剂问题易解决。

1992年美国IBM公司将准分子光刻机用于生产线上，商品化的XL-1型193nm光刻机能获得0.25m线宽光刻胶图形。

最近的相移掩模技术，将准分子光刻分辨率提高到0.13m以下。

另一方面，准分子激光直刻有机和无机物材料方面有着独到之处，单脉冲去除深度在0.05~0.1m之间，这使得通过简单的脉冲计数即可获得高精密切削。

将准分子光刻装备进行适合于材料加工的改进，如使掩模及整个光学系统能承受更大激光峰值功率密度，采用高倍率投影物镜，设计实时残渣去除系统等，则非常适于新近迅速发展起来的微结构、微机械的加工技术。

目前，英国Exitech公司，德国Microlas公司，日本浜松光子公司先后推出了商品化微结构加工用准分子激光微加工装备。

激光刻蚀技术主要应用在高集成度电路的制作。

7、激光微调技术

激光微调主要用于调整厚膜电路或薄膜电路中的电阻、电容以及其他多种功能参数。

激光调阻时，受到照射的部位受热汽化挥发，阻值区域截面面积减小，随之阻值增大。

过去对厚膜电阻采用机械磨蚀法，对薄膜电阻采用电火花烧蚀法，但这种调整法的精度、效率都很低，对工件产生严重污染，引起调阻后阻值漂移，改用激光微调则有很大的优越性。

激光微调的实质是打孔，每次打孔都很浅，约至几十纳米至几十微米之间，然后通过连续不断的打孔，搭接成一条线。

激光微调电阻除用强光照射将部分电阻膜气化外，还可通过无损伤照射改变膜的结构达到调整阻值的目的。

激光调阻技术主要应用于精密电阻阻值调解，精度可达0.1‰~0.02‰。

8、激光存储技术

光存储是最早预见的激光应用领域之一，激光存储技术是信息以反射/非反射带（正常表面和凹坑）的序列编码，已达到信息存储的目的。

目前，计算机所用的可写CD-ROM就是一种激光信息存储和信息再现的介质。

随着信息技术的发展，对信息存储的要求越来越高，数字视频光盘（DVD）是下一代光存储器，其存储能力是CD-ROM的7倍。

因数据存储密度与激光波长的平方成反比，所以，发展波长更短的激光是提高激光存储技术的关键。

激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技术，是信息化时代的支撑技术之一。

9、激光划线技术

与传统划片法相比，激光划片有很多优点。

例如，它能开出狭窄的切口、几乎没有残渣、热影响区小、噪声小，并可以节省材料15%~30%。

由于激光对划片材料几乎不产生机械冲力和压力，加上激光光斑小、划缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精密加工。

瑞士某公司利用固体激光器进行精密加工，其尺寸精度已经达到很高的水平。

激光划片制作印刷电路板PCB中表面安装用模板（SMTStrncil）与传统的SMT模板化学刻蚀法相比，其划线细、精度高（线宽为15~25m，槽深为5~200m），加工速度快（可达200mm/s），成品率可达99.5%以上。

化学刻蚀法其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚，且工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。

采用激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成品模板进行再加工，特别是加工精度及缝隙密度明显优于后者，制作费也由早期的远高于化学刻蚀到现在的略低于前者。

但由于用于激光加工的整套设备技术含量高，售价亦很高，目前仅美国、日本、德国等少数国家的几家公司能够生产整机。

10、激光清洗技术

激光清洗技术是工业生产等许多领域中的重要环节，传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法。

他们在环境保护和高精度要求方面的应用受到很大的限制。

激光清洗技术是近10多年来发展起来的新型清洗技术，它以自身的特点和优点得到了很好的应用，展示了广阔的应用发展前景。

集成电路硅基片的加工和光刻技术、微组装技术等关键技术要求相当严格，光刻技术现在已达到0.13m以下水平。

在此高精度的要求下，器件的清洗要求也非常严格，即使采用传统清洗法中精度最高的超声波清洗法进行清洗，也无法清除掉微电子产品中的次微米（0.5m以下）微小颗粒，影响高精度电子工业的发展。

激光清洗技术的使用有效地解决了集成电路的清洗。

11、激光热、表处理技术

激光热技术包括：

激光包覆技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术等，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。

于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。

激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对金属实现相变硬化（或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔粹火）、表面合金化等表面改性处理，产生用其大表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。

经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上,从而提高起抗磨性,抗疲劳,耐腐蚀,抗氧化等性能,延长其使用寿命。

激光热处理技术与其它热处理如高频淬火,渗碳,渗氮等传统工艺相比,具有以下特点:

1.无需使用外加材料,仅改变被处理材料表面的组织结构.处理后的改性层具有足够的厚度,可根据需要调整深浅一般可达0.1-0.8mm。

2.处理层和基体结合强度高.激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合,而且处理层表面是致密的冶金组织,具有较高的硬度和耐磨性。

3.被处理件变形极小，由于激光功率密度高，与零件的作用时间很短（10-2-10秒），故零件的热变形区和整体变化都很小。

故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。

4．加工柔性好，适用面广。

利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。

激光表面处理主要包括以下几方面的工艺：

激光表面相变硬化（LTH）、激光表面熔化（LSM）、激光表面合金化（LSA）、激光表面涂覆（LSC）以及激光表面冲击硬化（LSH）．激光表面相变硬化是用高能量激光束照射材料表面，使表面温度达到相变温度点以上，当激光束移开后，由于基体的传热使表面快速冷却（自淬火），从而使材料表面硬化的一项技术；

激光表面熔化可使材料表面得到细晶组织、非晶态和亚稳相，在满足材料表面某些方面需要，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显示出独特的优点；

激光表面合金化是利用激光照射使材料表面熔化并提供给表面（预覆或喷射）的合金元素的物质熔化、混合均匀，以便在材料表面形成一个理想的合金层，从而改善材料表面性质的工艺；

激光表面涂覆和激光表面合金化技术相似，激光表面涂覆经常用来提高材料的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能；

激光表面冲击硬化是利用激光脉冲使材料表面薄层（几个原子厚）快速蒸发，在表面原子移走的时候，发生动量脉冲并产生一个冲击波或应力波，对材料表面产生残余压应力，从而达到改善材料疲劳寿命的目的。

12、激光退火技术

激光退火技术是半导体加工的一种新工艺,效果比常规热退火好得多。

激光退火后,杂质的替位率可达到98%～99%,可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2～1/3,还可大大提高集成电路的集成度,使电路元件间的间隔缩小到0.5微米。

13、激光冲击硬化技术

激光冲击硬化技术能改善金属材料的机械性能,可阻止裂纹的产生和扩展,提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度,改善其抗疲劳性能。

14、激光强化电镀技术

激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度,速度比无激光照射快1000倍,对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大义意。

使用改技术可使电度层的牢固度提高昂100～1000倍。

15、激光切割技术

自从1967年Sullivan和Houldcroft首先提出并实现用吹氧气法进行金属激光切割以来，激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区域小、加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而应用越来越广。

激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。

脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

目前，激光切割主要应用在航空航天工业和汽车制造业中，如飞机框架、尾翼壁板、飞机主旋翼、汽车车架等切割。

在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。

对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。

在微电子学中，常用激光切划硅片或切窄缝，速度快、热影响区小。

用激光可对流水线上的工件刻字或打标记，并不影响流水线的速度，刻划出的字符可永久保持。

16、激光上釉技术

激光上釉技术对于材料改性很有发展前途,其成本低,容易控制和复制,有利于发展新材料。

激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术,在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。

电子材料、电磁材料和其它电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。

17、激光强化处理技术

激光表面强化技术基于激光束的高能量密度加热和工件快速自冷却两个过程，在金属材料激光表面强化中，当激光束能量密度处于低端时可用于金属材料的表面相变强化，当激光束能连密度处于高端时，工件表面光斑出相当与一个移动的坩埚，可完成一系列的冶金过程，包括表面重熔、表层增碳、表层合金化和表层熔覆。

这些功能在实际应用中引发的材料替代技术，将给制造业带来巨大的经济效益。

而在刀具材料改性中主要应用的是熔化处理，熔化处理是金属材料表面在激光束照射下成为溶化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。

根据材料表面组织变化情况，可分为合金化、溶覆、重溶细化、上釉和表面复合化等。

18、激光熔凝技术

激光熔凝是用适当的参数激光辐照材料表面，使其表面快速熔融、快速冷凝，获得较为细化均质的组织和所需性质的表面改性技术。

它具有以下优点：

a、表面熔化时一般不添加任何金属元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。

b、在激光熔凝过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得的杂志有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。

c、其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大。

有时可不再进行后续磨光而直接使用。

d、提高溶质原子在基体中固溶度极限，晶粒及第二相质点超细化，形成亚稳相可获得无扩散的单一晶体结构甚至非晶态，从而使生成的新型合金获得传统方法得不到的优良性能。

19、激光微细加工技术

选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。

利用其锋芒尖利的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；

也可利用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。

例如，高精密光栅的刻制；

通过CAD/CAM软件进行仿真图案（或文字）和控制，实现高保真打标；

利用光阱的“束缚力”，对生物细胞执行移动操作（生物光镊）。

三、激光加工技术的发展趋势及发展展望

1、激光加工技术的发展趋势

数控化和综合化：

把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。

小型化和集成化：

可进行几种工艺研制和生产加工的激光加工系统，已成为激光加工的另一发展趋势。

国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。

2、激光加工技术的发展展望

激光加工技术具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,随着该技术的不断进步与完善,人们将能对工艺的自动化和工作效率提出更高的要求。

在理论研究的支持和实际需要的配合下,激光技术在工业领域的应用将更为广泛,这也使激光技术有了更加丰富的研究内容和更加广阔的应用前景。

以下几个方面将是近期激光技术发展的关键和前沿课题:

（1）研制大功率、高寿命和小型化的激光装置。

该研究主要包括制备适用于大功率激光的光学器件材料,提高电源的稳定性和使用寿命,实现大功率激光装置的小型化。

（2）建立简洁且适合于现场控制的数学分析模型,缩短确定最佳工艺参数的时间。

（3）从凝固动力学、结晶学和相变理论出发,系统研究激光快速凝固行为,揭示材料微结构的形成、演化机理及其规律,如探讨凝固过程中溶质的非平衡规律及界面的稳定性,丰富和发展快速凝固理论、相变理论和界面理论。

四、结束语

激光加工属于较为前沿的技术，但经过几十年的发展，已广泛应用于很多领域。

由于其激光加工可实现零误差，在精密加工上有着无可替代的地位。

在未来的某一天，激光加工定会融入到生活应用的各方各面。

激光加工用于再制造业和应用于其他制造业一样，有其不可替代的优点，并优于其它加工技术。

激光加工用于再制造业是由相变硬化发展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂层发展到复合涂层及陶瓷涂层，从而使得激光表面加工技术成为再制造的一项重要手段。

它主要是采用5KW~10KWCO2高功率激光器及其系统。

与国际上激光加工系统相比，我国的激光加工系统差距甚大，仅占全球销售额的4%左右。

主要表现为：

高档激光加工系统很少，甚至没有；

主力激光器不过关；

微细激光加工装备缺口较大；

而这些领域我国的生产加工企业正在积蓄力量稳步进入，国内应用市场有很大发展空间。

预测不久，我国激光加工销售额将会由2008年的35亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到70亿元产值。

国内各类制造业接受了激光加工技术，它可使他们的产品增加技术含量，加快产品更新换代，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性