摘要：介绍了激光加工的定义、原理、特点、基本设备，简述了激光加工的应用领域、发展现状以及发展前景。
关键词：激光加工；原理；特点；基本设备；应用领域；发展现状及前景
激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门学科，在材料加工方面，已逐步形成一种崭新的加工方法——激光加工（LBM）。激光加工可用于打孔、切割、焊接、热处理以及激光存储等各个领域。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，已经在生产实践中愈来愈多地显示了它的优越性，所以很受人们的重视[1]。 一、激光加工的定义
利用能量密度极高的激光束照射工件的被加工部位，使其材料瞬间熔化或蒸发，并在冲击波作用下，将熔融物质喷射出去，从而对工件进行穿孔、蚀刻、切割，或采用较小能量密度，使加工区域材料熔融黏合或改性，对工件进行焊接或热处理[2]。
二、激光加工的原理
激光加工是以激光为热源对工件进行热加工。
从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处的功率密度高达108～1010瓦／厘米2，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、汽化。激光加工就是利用这种光能的热效应对材料进行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固体激光器（图1）和气体激光器（图2）。使用二氧化碳气体激光器切割时，一般在光束出口处装有喷嘴，用于喷吹氧、氮等辅助气体，以提高切割速度和切口质量。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摩擦产生阻力，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[3]。 激光加工的物理过程大体上可分为如下几个阶段：
（1）材料对激光的吸收与能量转换：激光束照射工件材料表面时，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）材料的加热熔化：材料的加热是光能转换成热能的过程；
（3）材料的破坏：在足够功率密度的激光束照射下，被加工材料表面达到熔化和汽化温度，从而使材料汽化蒸发或熔融溅出，会引起材料的破坏；
（4）蚀除产物的抛出：由于激光束照射加工区域内材料的瞬时急剧熔化、汽化作用，加工区内的压力迅速增加，并产生爆炸冲击波，使金属蒸气和熔融物高速地从加工区喷射出来，熔融产物高速喷射时所产生的反冲力，又在加工区形成强烈的冲击波，进一步加强了蚀除产物的抛出效果[4]。
三、激光加工的特点
（1）一机多用 同一台机床可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加工，可分步加工，又可在几个工位同时进行加工。
（2）适应性强 可加工各种材料，包括高硬度、高熔点、高强度及脆性、软性材料；既可在大气中又可在真空中进行加工。
（3）加工质量好 由于能量密度高和非接触式加工，并可瞬时完成，工件热变形极小，而且无机械变形，对精密零件加工非常有利。
（4）加工精度高 如微型陀螺转子采用激光动平衡技术，其质量偏心值可控制在百分之一或千分之几微米的范围内。
（5）加工效率高 激光切割可比常规方法提高效率8～20倍。用激光焊接可提高效率3O倍；用激光强化电镀，其金属沉积率可提高1000倍；用激光微调薄膜电阻可提高工效1000倍，提高精度1～2个数量级。
（6）节能和节省材料 激光束的能量利用率为常规热加工工艺的l0～1000倍。激光切割可节省材料15%～30%。
（7）经济效益高 与其他方法相比，激光打孔可节省加工费用25%～75%，间接加工费用50%～75%[5]。
（8）无公害和污染 激光束不会产生X射线等有害射线，无加工污染，也无需安装射线防护装置[6]。
四、激光加工的基本设备
4.1 激光加工机的组成
（1）激光器 是激光加工最重要的设备，它的作用是产生激光束。
（2）电源 为激光器提供所需要的能量及控制功能。
（3）光学系统 包括激光聚焦系统和观察瞄准系统。
（4）机械系统 主要包括床身、工作台、机电控制系统等。
4.2 激光器
激光器按激活介质的种类可分为固体激光器和气体激光器。
（1）固体激光器 一般采用光激励，能量转换环节多，效率低。为避免固体介质过热，固体激光器常采用脉冲工作方式，较少采用连续工作方式。固体激光器主要有红宝石激光器、钕玻璃激光器和YAG激光器。
（2）气体激光器 一般采用电激励，其效率高、寿命长、连续输出功率大，广泛用于切割、焊接、热处理等加工。其种类主要有二氧化碳激光器和氩离子激光器[7]。
五、激光加工的应用
5.1 激光打孔和切割
由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量(108J／cm )，瞬间可使任何固体材料熔化，甚至蒸发，因此，从理论上说可以用激光来加工任何种类的固体材料。事实上，激光一发明，人们首先想到利用它来对宝石这类利用常规加工方法难以加工的材料进行孔加工。目前已经广泛用于各类材料进行孔加工和切割，如利用激光进行木模板的切割和石油管道的激光切缝等[8]。
5.2 激光焊接
激光焊接与常规焊接方法相比具有：利用激光的高密度能量，可以对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接，也可以对非金属材料进行焊接(如玻璃的焊接)；加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可以忽略；属于非接触焊接，无机械应力和机械变形；激光焊接装置容易与计算机联机；可以在大气中焊接和无污染等一系列优点，因此，在工业上获得广泛应用[9]。
5.3 激光表面改性技术
激光表面改性技术包括：激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光表面非晶化与微晶和激光冲击强化等。利用激光表面改性技术可以极大地提高零件表面的机械、物理和化学性质，现在已经广泛应用于工业生产[10]。
5.4 激光刻蚀、铣削与毛化
激光刻蚀在微电子行业可以用于半导体器件和芯片的加工，也可以用于精密光学器件的加工。如用激光刻蚀加工半导体芯片和三维光栅。利用激光的高密度能量，可以对硬脆性难加工材料进行激光铣削加工[11]。利用脉冲激光还可以对轧辊进行毛化，经过毛化的轧辊轧制的汽车簿板具有油漆牢固的特点。另外，还可以利用激光对钢套等零件进行毛化，可以大大地提高其耐磨寿命。
5.5 激光快速成型技术
自20世纪90年代初美国3D Systems公司开发出世界首台商品化的快速成型系统以来，快速
成型技术得到蓬勃发展。快速成型(RP)是通过把材料堆积，快速、精密地制造出实际零件，它体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等学科和技术的综合利用。它不需要借助其它设备和工具迅速和精确地制造出复杂的工模具、模型和工艺品。激光快速成型技术主要有激光层叠法、粉末烧结法、光固化法等[12]。
5.6 激光标记和艺术品制作
生活用品和生产用品的标记和防伪是不可缺少的，而同时人们对产品的美化和艺术品的要求也越来越高。激光标记和艺术品制作就是利用高密度能量的激光束，会聚在工件表面的对目标进行表面扫描，使材料表面发生物理或化学的变化，导致目标表面的光反射特性的变化，从而获得可见图案。它属于一种非接触的标刻方式。与传统的加工方式(如喷墨打印，电火花加工，机械刀刻等)相比，它具有许多难以比拟的优点。如它采用计算机控制技术，效率高、节奏快；激光刻划精细，可以对各种材料的表面进行标记，并且耐久性非常好；采用激光标刻的防伪效果好等。现在已经广泛用激光来标刻的五金件和键盘，并且利用激光在竹和木头等材料上雕刻制作艺术品[13]。
5.7 激光存储
光盘的制作分两个阶段，第一阶段是激光刻制母盘既印模模具，第二阶段是压制生产用户盘。在母盘刻制中，信息首先用激光录制到优质盘形衬底的光致抗蚀剂上，这个过程称为主录。染料记录层改用无机材料层，无机材辩层可在晶态和非晶态之间转换，并通过脉冲激光加热又可变回来，实现对原有数据信息的擦除，并可重新录制新的数据信息。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[14]。
随着激光加工技术的不断发展，其应用范围将会不断扩大。
六、激光加工技术的发展现状
6.1 新型激光器的研究
(1)光纤激光器
近年来光纤激光器在技术上取得了巨大的进展，与传统的固体激光器相比较，整体化的结构从根本上解决了由于内腔光学件污染、位置变化引起的故障，大大提高了可靠性；同时，光纤激光器输出激光的模式由光纤波导参数决定，而这些参数取决于光纤的折射率分
布，因此输出的激光不仅光束质量好，而且稳定；加上体积小、转换效率高、光纤柔软可弯曲，便于激光传输，使得它在工业应用中对用户来说更具吸引力。据ILS统计，2005年光纤激光系统的销售额比2004年增长了170％，目前主要用于标记和高功率焊接，此外在薄金属构件的精密切割领域也开始应用。激光快速成型机
(2)飞秒激光器
采用飞秒激光进行材料加工时，由于激光脉冲持续时间为飞秒量级，远小于材料中受激电子的能量释放时间，激光在极短的时间间隔、极小的区域内与物质相互作用，几乎没有能量扩散的影响；另一方面，由于飞秒激光脉冲峰值功率非常高，例如脉宽50fs、能量0.2mJ的激光聚焦成20Ixm的光斑，可以达到1015 W／cm 的功率密度，此时，电子受激的动力学过程已不能用传统的线性共振吸收解释，强场使电子通过隧道效应而发生电离或直接摆脱原子的束缚，与材料相互作用时，可能诱发多光子吸收、自聚焦等非线性效应。因此，加工具有非热熔性、高3D空间分辨率、能耗低、加工材料广泛等特征，能完成比UV激光更精密的加工。
飞秒激光加工技术特别适合于微细加工，不仅能获得长脉冲无法比拟的高精度和低损伤，
而且不断发现新的应用，例如日本大版大学基于双光子吸收效应，用高分子材料制造出一个长10um、高7u m 的公牛模型，大小与一个红血球相当；再如在透明介质内加工波导、刻制光栅等等。可以预料，随着研究的不断深人，飞秒激光将在精密打孔如喷油嘴打孔、高清晰度喷墨头打孔，精密切割如心血管支架切割，高熔点、高硬度、脆性材料精细加工，集成电路、MO-EMS制造中大显身手[15]。
(3)半导体激光器
主要优点是体积小、电光转换效率高、可靠性高，主要缺点是光束质量不好。在材料加工领域目前主要作为全固态激光器的泵浦源，但已开始把它直接用来焊接、热处理、标记，并且显示出不可比拟的优越性。德国意识到半导体激光器将引起激光加工技术的重大变革，于1997年就开展了“模块化半导体激光束工具”的研究计划，研究内容包括管芯技术、器件与系统技术、工艺及应用，目标是改进高功率半导体激光单元，把半导体激光器集成为高功率系统，满足制造业应用[16]。
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