激光加工技術是當今時代較先進的加工制造技術，與傳統加工方法相比具有明顯的競爭優勢。自20世紀70年代激光加工技術蓬勃發展以來，激光切割、激光雕刻、激光焊接、激光標記等激光加工技術已經形成。激光加工技術的高速、高精度、低消耗等優點得到了廣泛的推廣和應用。廣泛應用于微電子電器、汽車、航空航天、機械制造、印刷包裝等國民經濟的重要領域，對提高勞動生產率、提高產品質量、實現自動化生產、保護環境、減少材料資源消耗、降低生產成本起著非常重要的作用。

激光被稱為“受激輻射光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）”。在光或電的刺激下，原子中的電子吸收光電能量，從低能水平轉移到高能水平，然后從高能水平轉移到低能水平，以光子的形式釋放能量，釋放光的相位、頻率、方向等光學特性高度一致，即激光。激光與計算機、原子能、半導體共同被認為是20世紀的四大發明，對人類社會的進步和發展起著非常重要的作用。

激光具有一般光源所不具備的許多特性：一是激光束發散度小，幾乎平行，激光方向性好；二是激光亮度高，能照亮遠距離物體。由于激光是定向發光，大部分光子集中在小范圍內，激光能量密度高；第三，激光波長分布范圍很窄，所以激光單色性好，顏色很純；第四，高度一致的光學特性使激光光束之間具有良好的相關性。

較典型的激光應用是激光加工，可分為冷加工和熱加工兩類。激光通過透鏡等聚焦系統聚焦后作用于金屬或非金屬材料表面，利用激光的高能量瞬時將材料加熱到超高溫，熔化甚至氣化照射部分的材料，實現材料的改性或去除。這種基于光熱效應的加工被稱為“熱加工”。當某種波長的高能激光束照射到聚合物等材料中時，光子可以引起或控制光化學反應，稱為光化學加工，也稱為“冷加工”。光化學加工主要用于光化學沉積、激光刻蝕和激光照排。其中，熱加工應用廣泛。

激光加工是一種無接觸的方式，不會產生工具和工件表面的摩擦阻力，也不會直接影響工件，工件幾乎不會變形，激光是局部加工，對非激光部分幾乎沒有影響，因此激光加工是一種高速、高效、高精度的加工方法。激光加工技術是光與機電技術的結合。可以調整激光束的移動速度、功率密度和方向。它很容易與數控系統合作處理復雜的工件，從而實現不同層次和范圍的應用。

一、激光模切技術

激光模切技術是根據軟件中設計的工件圖案，將激光束聚焦，直接對材料表面完成模切或壓痕效果的切割方法。激光模切技術具有切割精度高、模切產品粗糙度低、加工時間短、生產效率高等特點。由于不需要更換模具切割版本，也可以實現不同布局工件之間的快速轉換，節省了傳統模具切割版本的調整時間，特別適用于輕、異形工件的加工。

典型的激光模切系統應包括激光器、掃描系統、控制系統、冷卻系統、惰性氣體保護室、廢物清除系統和反饋系統。

圖 1 激光模切系統構成示意圖

1.激光器2.電源和控制電路3.計算機4.掃描系統5.Fθ透鏡6.像場

激光在模具切割加工中起著“模具切割刀”的作用，其對較終加工效果的影響是模具切割機各部件中較大的。目前，市場上用于激光加工的激光器主要包括YAG激光器、二氧化碳激光器和半導體激光器。較常用的是二氧化碳激光器，它可以被非金屬吸收，并產生連續激光或非連續激光脈沖。

二、激光雕刻技術

激光雕刻機的主要組成部分是:激光器(提供激光束，包括聚光腔和反射鏡)、聚焦系統(將高功率密度的激光能量聚集在小面積上，達到較佳的雕刻效率)、導光系統(改變激光照射方向)、工作臺(用于承載或移動雕刻工件)、控制面板(調整和控制電源和激光器)、水冷系統(調節激光器內的溫度)。CO2激光器常用于激光雕刻，因為它主要用于非金屬材料的加工。激光雕刻多采用振鏡式導光系統，實現高速點陣雕刻和適量雕刻。

激光雕刻有三種方式：

(1)切割雕刻。首先將圖形信息分解成無數切割線， 然后用激光切割這些線， 最后，用切割線表示的圖文。

(2)凹模雕刻。去除圖文部分， 保持圖案外圍部分原樣不動。凹模雕刻有兩種情況， 一是切除圖文上的每一點，主要依靠輪廓來反映圖文信息；二是根據圖文的明暗對比， 切除圖文上的暗部分， 亮部分少切甚至不切。

(3)凸模雕刻。去除圖文部分，保持圖文部分原樣，切除各點必須相同。這種雕刻方法更適合表達圖文輪廓。

三、激光焊接技術

激光焊接技術主要用于金屬和塑料制品的焊接加工。過去，金屬焊接大多采用電阻焊接工藝，但電阻焊存在功耗大、熱影響區大、接口不美觀、焊接材料厚度有限等問題。因此，激光焊接技術的應用越來越廣泛。激光焊接金屬的作用機制是利用激光輻射金屬表面，使待焊接部位在很短的時間內瞬間熔化甚至氣化，然后冷卻凝固結晶形成焊縫。激光焊接可分為熱傳導焊接和深熔焊。前者激光功率密度小，輻射能僅作用于金屬表面，材料下層通過熱傳導熔化；深熔焊產生小孔效應，即輸入激光能量大，遠大于傳導和散熱速率，照射區氣化形成小孔，孔壓力形成動態平衡，光束可直接照射到孔底。孔吸收注入的所有能量熔化孔壁金屬，從而形成特別窄和深的焊縫，改變焊接參數可以在更大范圍內改變焊縫的熔化深度，因此實際上采用更多的深熔焊方法。

接下來，討論用于焊接金屬的激光器的選擇。YAG激光器主要用于金屬焊接，因為YAG激光比 二氧化碳激光更容易被金屬吸收，受等離子體影響較小，焊接操作靈活。然而，YAG激光器在運行過程中容易產生大量的熱損失，從而提高激光腔溫度，產生激光熱透鏡效應，從而降低激光功率和能量轉化效率。YLR光纖激光器是以光纖為基材，與不同稀土離子混合的光纖傳輸。它具有體積小、成本低、激光功率高、焊接深度高、速度快等優點，優于YAG激光器。

激光焊接金屬工藝幾乎不會產生廢渣，不需要添加粘合劑，具有速度快、精度高、熱影響區小、深寬比大、焊縫美觀等優點，易于實現自動化，能產生良好的社會經濟效益，已成為金屬包裝氣密性包裝的主要方式。

對于塑料工件，傳統的塑料焊接主要采用超聲波焊接、摩擦焊接、振動焊接、熱板焊接等技術，實際加工應考慮其密封性能， 防止加工過程中的污染， 塑料激光焊接的高精度和無接觸性能正好滿足這一要求。

激光焊接塑料主要有兩種方法，一種是遠紅外 CO2 激光焊接塑料(簡稱 NCLW），一種是近紅外激光焊接熱塑性塑料的激光透射焊接(以下簡稱 TTLW）。NCLW利用激光熱源在一定壓力下軟化或熔化塑料，然后去除熱源冷卻和凝固塑料，實現焊接。TTLW需要焊接兩種塑料，上部吸收率小到盡可能透射激光，下部吸收率高，先接觸兩側塑料， 然后激光通過激光塑料部分吸收激光塑料部分，吸收激光塑料部分熱軟化或熔化，通過激光塑料部分也由于熱傳導軟化或熔化，當熔體尺寸滿足要求時，去除激光源，塑料大分子在塑料熱膨脹壓力下相互擴散，將塑料焊接連接在一起。該焊接方法可用于對接接頭的焊接，但更多地用于對接接頭的焊接。

圖 2 塑料激光透射焊示意圖

大多數塑料焊接激光器選擇易于實現數控和自動化的合成晶體（Nd:YAG）半導體激光器具有效率高、輸出功率小、便攜性強。CO2激光器有時用于塑料焊接。但CO2激光穿透性差，主要用于薄膜焊接。光纖激光光源質量高，效率高，系統體積小，移動維護方便。未來光纖激光器將逐漸取代 Nd：YAG 二極管激光器廣泛應用于塑料焊接領域。

四、激光打標技術

激光標記是應用較廣泛的激光加工技術。其機制是通過激光局部照射工件，使表面材料瞬間熔化氣化或變色，從而留下永久性的文字和圖案標記。激光標記不會對工件表面產生腐蝕，加工后不會產生應力，影響原精度，因此激光標記技術應用廣泛，不同材料標記原理、系統組成基本相同，只需通過實驗找到每種材料較合適的參數設置即可完成不同材料的激光標記。

激光標記系統由激光器制成(主要使用Nd):YAG 激光器）、振動鏡部分(驅動信號控制振動鏡偏轉使激光輸出點掃描圖文)、數控部分（由四個部分組成：編輯、格式轉換、導出信息）和電源控制部分（包括激光電源、聲光電源和水冷系統控制）。

激光打標過程是通過計算機軟件編輯所需的圖形信息，將其轉換為打標軟件可識別的格式，將振動器伺服控制卡轉換為振動器可識別的信號。這些電信號傳輸到掃描振動器，使振動器Ｘ、Ｙ在兩個方向維度范圍內擺動，使輸出點掃描圖形標記信息。同時，在信號的控制下，聲光電源使聲光 Q開關產生所需的頻率調制信號，使連續激光調制成非連續激光脈沖，并在加工工件上顯示掃描的圖形標記信息。

圖 3 激光標記工作機制

影響激光標記圖形效果的主要因素有激光掃描速度、光點直徑、激光功率等。掃描速度越高，標記越模糊，光點直徑越大，標記越清晰。隨著功率的增加，標記的清晰度將首先增加，然后降低。

接下來，我們將討論標記激光器的選擇。CO2氣體激光只適用于非金屬材料的標記，因為波長只能被非金屬材料吸收，而YAG激光適用于金屬和非金屬材料。光纖激光器與CO2混合稀土元素、YAG 與輸出功率相比，激光打標機的光斑直徑更小，標記深度和精細度更高。紫外激光標記是一種新開發的激光冷加工技術。紫外線能量密度高，光束質量好，聚焦光斑小，熱影響面積小，可實現超精細標記，多用于標記玻璃等非金屬材料。

激光標記具有速度快、標記精細、耐久性好、非接觸式加工、加工方法靈活、易于與自動加工生產線相結合等優點。它可以制作復雜的圖形標記，不容易被模仿或篡改，因此它也起到了很好的防偽作用。隨著消費者需求的擴大和激光標記技術的日益先進，它將在各個行業得到越來越廣泛的應用。

來源：北交大激光研究所：