激光加工技术发展的探讨
摘要: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。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。本文分别从激光加工技术的原理及其应用综合评述了激光加工较传统加工技术的优越性,说明其在制造行业中不可替代的作用.结合我国激光加工制造现状与国际的差距,对我国激光加工业发展做了良好的展望.在分析国外研究动向的基础上，指出激光制造技术的发展趋势将重点定位在微结构、微刻蚀、微工具以及多功能性微技术、微工程的研究与开发上。可以预测，三维微纳尺度的激光微制造技术必将成为新世纪的主流制造技术。
关键词：激光加工 激光制造系统 技术发展
引言:激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。激光的高单色性，可在光化学领域对一些相距很近的能级作选择激发，进行重金属的同位素分离；激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业（大到航天器、飞机、汽车工业，小到微电子、信息、生物细胞分离等微技术）。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业。
激光制造技术包含两方面的内容，一是制造激光光源的技术，二是利用激光作为工具的制造技术。前者为制造业提供性能优良、稳定可靠的激光器以及加工系统，后者利用前者进行各种加工和制造，为激光系统的不断发展提供广阔的应用空间。两者是激光制造技术中不可或缺的环节，不可偏废。激光制造技术具有许多传统制造技术所没有的优势，是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。例如，材料浪费少，在大规模生产中制造成本低；根据生产流程进行编程控制（自动化），在大规模制造中生产效率高；可接近或达到“冷”加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的适应性强，且不受电磁干扰，对制造工具和生产环境的要求低；噪声低，不产生任何有害的射线与残剩，生产过程对环境的污染小等等。因此，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，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。可以预言，激光制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速普及的高新技术。
一、激光加工技术概述
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、打孔及微加工等的一门加工技术。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。
二. 激光加工技术应用
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。
到了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。
几种典型激光加工应用:
1.激光切割
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。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。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、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。
2.激光焊接
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。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。
3.激光钻孔
随着电子产品朝着便携式、小型化的方向发展，对电路板小型化提出了越来越高的需求，提高电路板小型化水平的关键就是越来越窄的线宽和不同层面线路之间越来越小的微型过孔和盲孔。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm
，这显然已不能满足要求，代而取之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40μm的小孔或用UV
激光加工10μm左右的小孔。目前在世界范围内激光在电路板微孔制作和电路板直接成型方面的研究成为激光加工应用的热点，利用激光制作微孔及电路板直接成型与其它加工方法相比其优越性更为突出，具有极大的商业价值。
三.激光加工技术较传统加工技术的优越性
（1）特种材料特殊要求的加工
激光焊接与大多数传统的焊接方法相比具有突出的优点。激光能量的高度集中和加热、冷却过程的极其迅速，可破坏一些难熔金属表面的应力阈值，或使高导热系数和高熔点金属快速熔化，完成某些特种金属或合金材料的焊接，而且在激光焊接过程中无机械接触，容易保证焊接部位不因热压缩而变形，还排除了无关物质落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光系统，还可实现特殊场合下的焊接，比如，由软件控制的需隔离的远距离在线焊接、高精密防污染的真空环境焊接等；在不发生材料表面蒸发的情况下可熔化最大数量的物质，达到高质量的焊接。以上特点是传统的焊接工具与方法很难或完全不能做到的。目前，在汽车、国防、航空航天等一些特殊行业，已普遍采用激光焊接技术2。例如欧洲一些国家，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼、航天器机身等一些特种材料的焊接，激光的应用已基本取代了传统的焊接工具和方法。
（2）特殊精度的加工制造
这里指的高精度除通常意义下的精确定位外，主要还体现在材料内部热传导效应量级上的控制。激光的显著特点之一，就是可采取连续和脉冲方式输出。以固体的钻孔与切割为例，激光能量高度集中，以及加热、冷却速度快的特点可实现传统技术达到的普遍要求，加工属热化学过程。这里要突出的是，通过脉冲式激光辐射可达到接近“冷”加工的光化学动力过程。一方面选择脉冲的时间宽度，使得材料内的热传导过程和热化学反应来不及发生；另一方面通过控制激光的功率密度和脉冲计数，按要求达到确定的去除深度，从而实现高精度的“线”切割和“点”钻孔加工。欧美一些国家在许多特殊要求的领域和产业中已普遍采用这种脉冲光制造技术。
（3）微细加工制造
激光微细加工技术最成功的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域。激光微细加工作为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一，现已形成固定模式并投入规模化生产中。除此之外，能突显其优势的领域还有精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞组织的医疗等。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（精密光刻）；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）。值得一提的是，高密度信息的激光记录和微细机械零部件的光制造。无论是数字记录或是扫描记录，还是图像与文字的模拟记录，激光记录方法(光刻)都具有特别的优势并取得了重要突破，以数字记录为例：①信息记录密度高（107～108bit/cm2以上），刻录槽宽0.7μm、深0.1μm，比磁记录密度提高两个数量级以上；②记录、检索、读出速度快，单波道达50Mbit/s，多波道可达320Mbit/s；信息的检索和读出速度远远小于1秒；③成本低、使用寿命长。在微细机械零部件的光制造方面，最近几年国外已将其列为攻关项目，成为未来高新技术前期研究的热点。日本采用激光技术，制造出微米量级的三维“纳米牛”，这说明日本在微纳量级的三维激光微成型机制上已经取得了巨大的进展。北京工业大学激光工程研究院应用准分子激光，通过掩模方法，已经加工出10齿/50μm和108齿/500μm的微型齿轮。
（4）高效的自动流程加工制造
由于激光输出的可控制性，使激光制造过程能够通过软件实行自动化流程的智能控制。根据生产性质的需要，既可实行加工台的定位控制亦可通过激光的光纤传输实行加工头的机器手定位控制，从而实现高效的自动化、智能化激光制造。比如，汽车车身覆盖件的三维定位切割、车身骨构架的焊接、齿轮盘及其他零部件的焊接加工等，已形成激光加工、组装一条龙的生产线。
四.激光加工技术现状及国内外发展趋势
1.激光加工技术现状和各领域的发展
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3亿美元，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。
到了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。
2.激光制造系统的发展
用于制造业中的激光系统即激光制造系统，一般由激光器、激光传输系统、激光聚焦系统、控制系统、运动系统、传感与检测系统组成，其核心为激光器。
激光作为热源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的结果。激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特征参数值Kf和衍射极限倍因子M2(M)或光束传输因子K值来表示。对小功率激光器，工作物质均匀稳定，一般可以实现基模输出，其光束横截面能量分布为高斯分布，且在传输过程中保持不变，光束质量较好；对于大功率激光器，一般不易得到基模输出，输出的往往为多模激光束，激光光束质量变差。目前工业上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器两种。大功率激光器的工业应用领域很广，激光切割、激光焊接都需要优良的光束质量，而追求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不断发展的目标。
从1964年第一台CO2激光器出现到现在，经过近四十年的发展，从封离式CO2激光器、慢速轴流CO2激光器、横流CO2激光器，到高频罗兹泵型快速轴流、射频turbo型快速轴流以至目前出现的扩散型Slab CO2激光器的发展中可以看到,一方面激光输出功率不断提高，体积不断缩小，另一方面激光器的效率不断提高，光束质量越来越好。扩散型Slab CO2激光器光束横截面上光强分布接近高斯分布，具有极好的光束质量，在加大的激光加工工作区焦点的漂移很小，非常有利于大范围激光传输与聚集，这对大尺寸工件的切割应用非常重要。
工业用固体YAG激光器也经历了从小功率灯泵浦（棒状）、灯泵浦（板条）、双灯泵浦（多棒）到光纤泵浦（棒状）、半导体泵浦（棒状）和片状固体激光器的过程。由于受工作物质热物理性质的制约，YAG激光光束质量模式相对较差。如何提高光束质量和激光功率，仍是YAG激光器面临的主要问题。
值得注意的是近年来发展起来的半导体激光器。半导体激光器具有小型化、频率极高、与光纤良好耦合、易于调制等优良特性，因而具有广阔的应用前景。
要在不同产业中广泛应用激光制造技术，很大程度上要依赖于激光加工系统的性能与工艺。欧、美、日一些国家在新光源、加工系统及工艺等方面的研究与开发就从未降温过。随着激光工作物质的研究与开发、器件与单元技术的改进和创新，以高性能、宽波段、大功率为特征的激光取得了蓬勃的发展，如紫外光输出的KrF、ArF准分子激光器、倍频激光器等。尤其是高功率光纤激光的出现，使激光制造的移动式定位加工变得更加便利。
五.阻碍我国激光加工技术发展的主要因素及以后主要研究方向
1.阻碍发展的主要因素:
①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.
②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
③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.
④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.
⑤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.
2.针对我国激光技术现状展望未来主要研究方向:
①激光加工用大功率CO2和固体激光器及准分子激光器的引进机型研究，提高国产机水平；同时开发和研制专用配套的激光加工机床，提高激光器产品在生产线上稳定运行的周期，力争在国内建立较全面的加工用激光器的生产基地。
②建立激光加工设备参数的检测手段，并进行方法研究。
③激光切割技术研究。对现有的激光切割系统进行二次开发和产业化，提供性能好、价格便宜的2－3轴数控CO2切割机，并开展相应的切割工艺的研究，使该工艺广泛用于材料加工、汽车、航天及造船等领域。为此应着重在激光器外围装置，如：导光系统、过程监测和控制、喷咀、浮动装置的设计和研制以及CAD／CAM等方面开展工作。
④激光焊接技术研究。开展激光焊接工艺及材料、焊接工艺对设备要求及焊接过程参数监测和控制技术研究，从而掌握普通钢材、有色金属及特殊钢材的焊接工艺。
⑤激光表面处理技术研究。开展维CAD／CAM技术、激光表面处理工艺、材料性能及激光表面处理工艺参数监测和控制研究，使激光表面处理工艺能较大幅度的应用于生产。
⑥激光加工光束质量及加工外围装置研究。研究各种激光加工工艺对激光光束的质量要求、激光光束和加工质量监控技术，光学系统及加工头设计和研制。
⑦择优支持2~3个国家级加工技术研究中心，开展激光加工工艺技术研究，重点是材料表面改性和热处理方面的研究和推广应用；开展激光快速成形技术的应用研究，拓宽激光应用领域。
六.对激光加工技术展望
诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman早在50年代末就曾预言，制造技术将沿着从大到小的途径发展，即用大机器制造出小机器，用这种小机器又能制造出更小的机器，并由此在微小尺度领域制造出一代代的批量加工工具。科学技术的革命证实了Feynman的预言。微电子技术的出现就是最有说服力的例子，从集成到大规模集成到超大规模集成技术的迅猛发展中，已经显示出未来的制造技术必将沿着“越来越小”的方向进军。20世纪把电子技术的主要功能高度集成在一起，形成了世纪标志的高技术产业，并渗透到人类活动的各个领域。21世纪则是多门学科的集成技术，即把微电子、微光学、微机械以及传感器、执行器的信号处理单元集成在一起的微纳制造和微系统技术。微纳制造技术与功能微系统将成为21世纪高新技术与产业的里程碑，其发展将使人类在认识和改造自然的能力上达到一个新的高度，导致人类生活和社会物质文明及科学技术的巨大变革。
样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面”，并启动了第一个研究计划。进入90年代后，日本也开始实施为期10年、总投资为250亿日元的“微型机械技术”大型研究开发计划。为寻求适应微系统制造的三维结构精细微加工的技术途径，欧共体组织了德国汉诺威激光中心和法国、瑞士、意大利等国的相关科研机构，进行合作开发研究。目前在微纳制造技术上已经形成国际性竞争，已经开始新世纪高技术产业全球市场的争夺战。
目前的研究进展也已经显示，激光微技术是有发展潜力的三维微制造技术，将可能成为微系统制造的主流技术之一。德国国家教研部从2002年开始，出台了为期五年的光学资助计划，其中重要的一项内容就是激光微制造技术的研究。该计划仅2002年的资金投入就是0.478亿欧元，后续几年的投入按一定比例递增。德国采取分解式的单元技术研究，在光的微制造与微纳技术的硬件方面，五年研究规划的目标定位在新的激光光源和超精细聚焦系统上，达到150～0.1nm光谱范围的超紫外输出和能越过衍射极限、分辨率小于100nm的高重复性近场透镜。
结束语
微纳光制造及其相关技术，是当前国际竞争的主要领域，激光加工技术的发展,使传统加工技术发生了新的飞跃.展望未来,激光加工技术将得到越来越广泛的应用,具有非常广阔的市场前景,在国民经济和工业发展中发挥着日益重要的作用.我国在现代光制造发展方面，机遇与挑战并存，我们要抓住机遇，迎接新世纪光制造时代的到来。
参考文献:
《现代加工技术》 左敦稳 黎向峰 赵剑峰 编著 北京航空航天大学出版社
