标题：激光加工技术
学术概述
激光加工技术是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、微加工等的一门技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
学术分类
激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：
1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。
2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。
3.激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。
4.激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。
5.激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。
6.激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。
7.激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。
8.激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主。
9.激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光器为主
加工系统
激光加工的组成
激光加工有四部分组成，分别是激光器、电源、光学系统、机械系统。
工作原理
激光加工利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔、切割和焊接等的特种加工。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、  气体激光器加工原理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。  固体激光器加工原理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10(～10(瓦/厘米(，温度高达1万摄氏度以上，任何材料都会瞬时熔化、气化。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和气体激光器。
技术特性
激光加工技术与传统加工技术相比具有很多优点，所以得到如此广泛的应用。尤其适合新产品的开发：一旦产品图纸形成后，马上可以进行激光加工，可以在最短的时间内得到新产品的实物。
1、光点小，能量集中，热影响区小；
2、不接触加工工件，对工件无污染； 
3、不受电磁干扰，与电子束加工相比应用更方便； 
4、激光束易于聚焦、导向，便于自动化控制。 
5、范围广泛：几乎可对任何材料进行雕刻切割。
6、安全可靠：采用非接触式加工，不会对材料造成机械挤压或机械应力。
7、精确细致：加工精度可达到0.1mm
8、效果一致：保证同一批次的加工效果几乎完全一致。
9、高速快捷：可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割，且激光切割的速度与线切割的速度相比要快很多。
10、成本低廉：不受加工数量的限制，对于小批量加工服务，激光加工更加便宜。
11、切割缝细小：激光切割的割缝一般在0.1-0.2mm。
12、切割面光滑：激光切割的切割面无毛刺。
13、热变形小：激光加工的激光割缝细、速度快、能量集中，因此传到被切割材料上的热量小，引起材料的变形也非常小。
14、适合大件产品的加工：大件产品的模具制造费用很高，激光加工不需任何模具制造，而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边，可以大幅度地降低企业的生产成本提高产品的档次。
15、节省材料：激光加工采用电脑编程，可以把不同形状的产品进行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率，大大降低了企业材料成本。
应用范围
激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的范围一般可分为：
1．激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。
2．激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。
激光打标技术
简介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  烟酒激光打标机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到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。聚焦后的极细的激光光束如同刀具，可将物体表面材料逐点去除，其先进性在于标记过程为非接触性加工，不产生机械挤压或机械应力，因此不会损坏被加工物品；由于激光聚焦后的尺寸很小，热影响区域小，加工精细，因此，可以完成一些常规方法无法实现的工艺。
激光加工使用的“刀具”是聚焦后的光点，不需要额外增添其它设备和材料，只要激光器能正常工作，就可以长时间连续加工。激光加工速度快，成本低廉。激光加工由计算机自动控制，生产时不需人为干预。
作用激光能标记何种信息，仅与计算机里设计的内容相关，只要计算机里设计出的图稿打标系统能够识别，那么打标机就可以将设计信息精确的还原在合适的载体上。因此激光打标软件的功能实际上很大程度上决定了激光打标系统的功能。
激光切割技术
简介激光切割分类:
1、汽化切割
工件在激光作用下快速加热至沸点，部分材料化作蒸汽逸去，部分材料为喷出物从切割缝底部吹走。这种切割机是无融化材料的切割方式。
  激光切割2、熔化切割
激光将工件加热至熔化状态，与光束同轴的氩、氦、氮等辅助气流将熔化材料从切缝中吹掉。
3、氧助熔化切割
金属被激光迅速加热至燃点以上，与氧发生剧烈的氧化反应（即燃烧），放出大量的热，又加热下一层金属，金属被继续氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。
作用激光切割技术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。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。 以CO2激光切割机为例，整个系统由控制系统、运动系统、光学系统、水冷系统、排烟和吹气保护系统等组成，采用最先进的数控模式实现多轴联动及激光不受速度影响的等能量切割，同时支持DXP、PLT、CNC等图形格式并强化界面图形绘制处理能力；采用性能优越的进口伺服电机和传动导向结构实现在高速状态下良好的运动精度。
激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率，一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。每一个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面溅射出一个细小的孔，在计算机控制下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，这样就会把物体加工成想要的形状。切割时,一股与光束同轴气流由切割头喷出，将熔化或气化的材料由切口的底部吹出(注：如果吹出的气体和被切割材料产生热效反应,则此反应将提供切割所需的附加能源；气流还有冷却已切割面，减少热影响区和保证聚焦镜不受污染的作用)。与传统的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割质量(切口宽度窄、热影响区小、切口光洁) 、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状) 、广泛的材料适应性等优点。
激光焊接技术
简介激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件焊接中。高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔接，在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。
  激光焊接金刚石与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小。能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。便如，将铜和钽两种性质截然不同的材料焊接在一起，合格率几乎达百分之百。也可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中，例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等由于采用了激光焊，不仅生产效率大、高，且热影响区小，焊点无污染，大大提高了焊接的质量。
作用可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。在YAG激光技术中采用光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。 激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。
激光热处理技术
简介激光热处理（激光相变硬化、激光淬火）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  激光热处理金属实现相变硬化（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,耐腐蚀,抗氧化等性能,延长其使用寿命。
作用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。
其他技术
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  激光打孔机代制造领域的关键技术之一。在激光出现之前，只能用硬度较大的物质在硬度较小的物质上打孔。这样要在硬度最大的金刚石上打孔，就成了极其困难的事。
激光出现后，这一类的操作既快又安全。但是，激光钻出的孔是圆锥形的，而不是机械钻孔的圆柱形，这在有些地方是很不方便的。
激光熔覆技术利用激光高功率密度，由激光加工系统在数控控制下，在基材表面指定部位形成一层很薄的微熔层，同时添加特定成分的自熔合金粉，如镍基、钴基和铁基合金等，使它们以熔融状态均匀地铺展在零件表层并达到预定厚度，与微熔的基体金属材料形成良好的冶金结合，并且相互间只有很小的稀释度，在随后的快速凝固过程中，在零件表面形成与基材完全不同的、具有预定特殊性能的功能熔覆材料层，从而可以完全改变材料表面性能，可以使价廉的材料表面获得极高的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。该工艺可以修复材料表面的孔洞和裂纹，可以恢复已磨损零件的几何尺寸和性能。
  曲轴激光熔覆
激光快速成形技术激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术和材料技术的最新成果，根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层固化，精确堆积成样件，不需要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件，该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。
现状及国内外发展趋势
作为20世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。
激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业改造的重要手段，主要是kW级到10kW级CO2激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对各种材料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据1997~1998年的最新激光市场评述和预测，1997年全世界总激光器市场销售额达32.2亿美元，比1996年增长14%，其中材料加工为8.29亿美元，医疗应用4亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增长19%，可达到38.2亿美元。其中占第一位的材料加工预计超过10亿美元，医用激光器是国外第二大应用。
激光加工应用领域中，CO2激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70%和20%，表面处理则不到10%。而YAG激光器的应用是以焊接、标记（50%）和切割（15%）为主。在美国和欧洲CO2激光器占到了70~80%。我国激光加工中以切割为主的占10%，其中98%以上的CO2激光器，功率在1.5kW~2kW范围内，而以热处理为主的约占15%，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场前景。
在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯曲的表面打小孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本Toyota已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。
80年代，YAG激光器在焊接、切割、打孔和标记等方面发挥了越来越大作用。通常认为YAG激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在切割速度上受到限制。随着YAG激光器输出功率和光束质量的提高而被突破。YAG激光器已开始挤进kw级CO2激光器切割市场。YAG激光器特别适合焊接不允许热变形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。YAG激光器打孔已发展成为最大的激光加工应用。
目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w提高到了800w至1000w。打孔峰值功率高达30~50kw，打孔用的脉冲宽度越来越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量，提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。
研究开发的重点目前激光加工技术研究开发的重点可归纳为：
新一代工业激光器研究，目前处在技术上的更新时期，其标志是二极管泵浦全固态激光器的发展及应用；
精细激光加工，在激光加工应用统计中微细加工1996年只占6%，1997年翻了一倍达12%，1998年已增加到20%；
加工系统智能化，系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已成为必然的发展趋势。
激光技术在我国经过30多年的发展，取得了上千项科技成果，许多已用于生产实践，激光加工设备产量平均每年以20%的速度增长，为传统产业的技术改造、提高产品质量解决了许多问题，如激光毛化纤技术正在宝钢、本钢等大型钢厂推广，将改变我国汽车覆盖件的钢板完全依赖进口的状态，激光标记机与激光焊接机的质量、功能、价格符合国内目前市场的需求，市场占有率达90%以上。
存在的主要问题：
科研成果转化为商品的能力差，许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段；
激光加工系统的核心部件激光器的品种少、技术落后、可靠性差。国外不仅二级管泵浦的全固态激光器已用于生产过程中，而且二级管激光器也被应用，而我国二极管泵浦的全固态激光器还处在刚开始研究开发阶段；
对加工技术的研究少，尤其对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少；
激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。
技术与科学的关系科学的任务是认识世界，技术的任务是改造世界，技术是从科学到生产的中间环节，是把科学理论转化为生产力的桥梁，技术来源于实验经验的总结和科学原理的指导。
技术特性当技术的使用在现代社会无所不在，一套共同的特性可以用来现代技术上。许多的作者，如McGinn (1991)和Winston (2003)列了下列一些关键的特性： 
复杂度，指大多现今的工具都很难以了解的特性(即需要一连串对制造或使用的事先训练)。一些较相对简单使用，但却相对困难去理解其来源和制造方法，如餐刀、棒球及高加工食品等。另外也有很难使用且很难理解的，如拖拉机、电视、电脑等。 
依赖性，指现今工具多依赖著其他的现代工具，而其他的现代工具又依赖着另外的其他现代工具的事实，不论是在制造、使用上面。例如，车子便有一巨大且复杂的制造及维护工业持撑著。而使用也需要有一复杂的公路、街道、高速公路、加油站、保养厂和废弃物收集等设备。 
多样性，指相同工具的不同类型和变异。想像今日所存在的众多汤匙和剪刀。即使是更复杂的工具也通常有许多的形状和样式，如建筑起重机或车子。 
普及性，规模，指现代技术的普及。简单地说，技术似乎在每一个角落。它支配了现代的生活。另外，规模亦指许多现代技术计划的范围，如手机网络、因特网、飞机航行、通讯卫星及其对地球上人们的影响。
激光技术的发展和应用
激光是本世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力，专家们认为，现在是电子技术的全胜时期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是激光。激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。
激光加工技术的应用

市场展望
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2%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。
预测今后2-3年内，我国销售额将会由2004年的15亿人民币上升翻一倍，也就是说会达到30亿元产值。其原因:
1、国家重视，各级政府部门都在积极关注、规划、立项，多方面资金正在注入。特别是国家强调立项主体由大专院校，科研部门料转到以企业为主，这就促进了企业产品的自主创新，技术升级。
2、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，采用它可达到“敏捷制造”的水平，满足市场对“个性化”产品的要求。
3、国内已逐步形成了产业群体激光零部件配套企业慢慢补齐，各类具有特色的激光加工系统制造商纷纷建立，国内已形成四个激光加工装备制造的产业带，它们主要分布在华中;珠江三角洲;长江三角洲和京津环渤海经济发达地区。
4、国际上知名的激光加工制造商有的在华投资建厂;有的以国内合资生产，总趋势是纷纷进入，形成国际竞争国内化。
5、国内在主力激光器方面逐步过关，进入市场应用。如大功率轴流CO2激光器，中小功率金属腔射频CO2激光器，半导体泵浦全固态激光器、光纤激光器、及倍频DPL、大功率二极管模块等，正蓄势待发，进入产品化初期，进入市场。为国产激光加工的升值开拓新应用创造条件。
在国内已创立的一片大好形势下，我们殷切期望业内各企业努力创造具有自主创新的产品，尽力避免低价位、低利润率的竞争，使国产设备走上越来越健康发展局势。[1]