激光加工原理

       激光(guang)加(jia)工技(ji)(ji)(ji)術(shu)（圖1）就是把光(guang)的(de)(de)能量(liang)，經(jing)過透(tou)鏡(jing)聚焦，形成能量(liang)密度極高的(de)(de)激光(guang)束(shu)，利(li)用(yong)激光(guang)束(shu)與物質相(xiang)互作(zuo)(zuo)用(yong)的(de)(de)特性對(dui)材料（包括(kuo)金屬(shu)與非金屬(shu)）進行(xing)切割、焊接、表面處理、打孔、微加(jia)工等(deng)的(de)(de)一門技(ji)(ji)(ji)術(shu)。激光(guang)加(jia)工技(ji)(ji)(ji)術(shu)作(zuo)(zuo)為(wei)(wei)先(xian)進制造技(ji)(ji)(ji)術(shu)已廣泛應用(yong)于(yu)汽車、電子、電器(qi)、航(hang)空、冶金、機(ji)械制造等(deng)國(guo)民經(jing)濟(ji)的(de)(de)重(zhong)要(yao)部門，對(dui)提高產品質量(liang)、勞動(dong)生產率、自(zi)動(dong)化(hua)，減少污染、材料消耗等(deng)起到愈(yu)來愈(yu)重(zhong)要(yao)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)。在各(ge)個領域，以激光(guang)切割、激光(guang)打標(biao)和激光(guang)焊接的(de)(de)應用(yong)最(zui)為(wei)(wei)廣泛。

圖1 激(ji)光加工原理圖

激光技術的應用

激光切割

        傳統切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)工(gong)藝有氣割(ge)(ge)(ge)、機(ji)械加(jia)(jia)工(gong)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)、沖(chong)裁剪切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)、等(deng)離子切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)等(deng)。氣割(ge)(ge)(ge)雖然(ran)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)速(su)度(du)快(kuai)，切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)厚(hou)度(du)大，但是(shi)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)尺(chi)寸精度(du)明顯不佳，切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)成(cheng)本較(jiao)大且(qie)后續加(jia)(jia)工(gong)成(cheng)本較(jiao)高(gao)；機(ji)械加(jia)(jia)工(gong)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)雖然(ran)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)精度(du)較(jiao)高(gao)，但切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)速(su)度(du)太慢，無(wu)法切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)復(fu)雜曲(qu)線，切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)時(shi)材料(liao)損耗嚴重；沖(chong)裁剪切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)效率(lv)較(jiao)高(gao)，成(cheng)本最(zui)低，但是(shi)加(jia)(jia)工(gong)質量不高(gao)，加(jia)(jia)工(gong)范圍(wei)有限(xian)，特別是(shi)在加(jia)(jia)工(gong)厚(hou)板和復(fu)雜曲(qu)線形狀板材時(shi)效果很差；等(deng)離子切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)雖然(ran)效率(lv)較(jiao)高(gao)，切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)斷面比上述幾種加(jia)(jia)工(gong)方(fang)式(shi)的切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)斷面質量都(dou)好，但是(shi)切(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)精度(du)只能達到毫米(mi)級(ji)別，也就是(shi)說只能進行粗加(jia)(jia)工(gong)和半精加(jia)(jia)工(gong)。

       與傳統切(qie)割(ge)(ge)(ge)工(gong)(gong)藝相比較，激(ji)光(guang)切(qie)割(ge)(ge)(ge)工(gong)(gong)藝（圖2）的(de)優(you)勢較明顯(xian)：切(qie)割(ge)(ge)(ge)速度快，效率高(gao)(gao)，加(jia)(jia)工(gong)(gong)范(fan)圍大，加(jia)(jia)工(gong)(gong)時(shi)(shi)由于是(shi)用光(guang)束代替傳統的(de)刀具(ju)或火焰，切(qie)口光(guang)滑平整，一般不需要后(hou)續加(jia)(jia)工(gong)(gong)，切(qie)割(ge)(ge)(ge)熱影(ying)響區小(xiao)，板材(cai)變形(xing)小(xiao)，切(qie)割(ge)(ge)(ge)縫(feng)小(xiao)（板材(cai)利用率高(gao)(gao)），切(qie)口沒(mei)有機械應力，無(wu)剪切(qie)毛刺，加(jia)(jia)工(gong)(gong)精度高(gao)(gao)，重復性好(hao)，不損傷(shang)板材(cai)表(biao)面(mian)，數控編程(cheng)，加(jia)(jia)工(gong)(gong)范(fan)圍大，無(wu)需開模(mo)，經(jing)濟省時(shi)(shi)；特別(bie)是(shi)加(jia)(jia)工(gong)(gong)曲(qu)線(xian)時(shi)(shi)，優(you)勢最為明顯(xian)。與沖裁(cai)剪切(qie)加(jia)(jia)工(gong)(gong)相比，加(jia)(jia)工(gong)(gong)面(mian)光(guang)滑圓潤，沒(mei)有沖裁(cai)加(jia)(jia)工(gong)(gong)曲(qu)線(xian)時(shi)(shi)明顯(xian)的(de)接刀痕跡，加(jia)(jia)工(gong)(gong)時(shi)(shi)由于板材(cai)靜止，也避(bi)免了板材(cai)表(biao)面(mian)運動時(shi)(shi)出現劃痕。

圖2 激光切割

       激(ji)光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)(ge)是利用(yong)經聚焦的(de)高功率密度激(ji)光(guang)(guang)(guang)束照射工件，使(shi)被照射的(de)材料迅速熔化、汽(qi)化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光(guang)(guang)(guang)束同軸的(de)高速氣(qi)流吹除熔融物質，從而實(shi)現將(jiang)工件割(ge)(ge)開。激(ji)光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)(ge)屬于熱(re)切(qie)割(ge)(ge)方法之一(yi)。激(ji)光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)(ge)可分為(wei)激(ji)光(guang)(guang)(guang)汽(qi)化切(qie)割(ge)(ge)、激(ji)光(guang)(guang)(guang)熔化切(qie)割(ge)(ge)、激(ji)光(guang)(guang)(guang)氧氣(qi)切(qie)割(ge)(ge)、激(ji)光(guang)(guang)(guang)劃片與控制斷裂四類。

⑴激光汽化切割。

       激(ji)光汽(qi)(qi)化(hua)切(qie)(qie)割(ge)(ge)是利用(yong)高能量密度(du)的(de)(de)激(ji)光束(shu)加熱工件，使溫(wen)度(du)迅(xun)速(su)上(shang)升(sheng)，在非(fei)常短(duan)的(de)(de)時間內達到材(cai)料(liao)的(de)(de)沸點，材(cai)料(liao)開始汽(qi)(qi)化(hua)，形成(cheng)蒸(zheng)氣。這些蒸(zheng)氣的(de)(de)噴出速(su)度(du)很大，在蒸(zheng)氣噴出的(de)(de)同時，在材(cai)料(liao)上(shang)形成(cheng)切(qie)(qie)口。激(ji)光汽(qi)(qi)化(hua)切(qie)(qie)割(ge)(ge)多用(yong)于極薄金屬材(cai)料(liao)和非(fei)金屬材(cai)料(liao)的(de)(de)切(qie)(qie)割(ge)(ge)。

⑵激光熔化切割。

       激(ji)光(guang)(guang)熔(rong)化切(qie)割時，用激(ji)光(guang)(guang)加(jia)熱使(shi)金(jin)(jin)屬材(cai)料熔(rong)化，然后通(tong)過與光(guang)(guang)束同(tong)軸的(de)噴(pen)嘴噴(pen)吹(chui)非氧化性氣(qi)體（Ar、He、N2等(deng)），依(yi)靠氣(qi)體的(de)強大壓(ya)力使(shi)液(ye)態金(jin)(jin)屬排出，形(xing)成切(qie)口。激(ji)光(guang)(guang)熔(rong)化切(qie)割不需要使(shi)金(jin)(jin)屬完全汽化，所需能(neng)量只有汽化切(qie)割的(de)1/10。激(ji)光(guang)(guang)熔(rong)化切(qie)割主(zhu)要用于(yu)一些不易氧化的(de)材(cai)料或(huo)活性金(jin)(jin)屬的(de)切(qie)割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金(jin)(jin)等(deng)。

⑶激光氧氣切割。

       激(ji)(ji)(ji)光(guang)氧氣(qi)(qi)切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)原理類似于氧乙(yi)炔(gui)切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)。它(ta)是用(yong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)作(zuo)(zuo)(zuo)為預熱(re)(re)熱(re)(re)源，用(yong)氧氣(qi)(qi)等(deng)活性氣(qi)(qi)體(ti)(ti)作(zuo)(zuo)(zuo)為切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)。噴吹出的(de)(de)氣(qi)(qi)體(ti)(ti)一方(fang)面與切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)金(jin)屬作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)，發(fa)生氧化反(fan)應(ying)，放(fang)出大量的(de)(de)氧化熱(re)(re)；另一方(fang)面把熔融的(de)(de)氧化物(wu)和熔化物(wu)從(cong)反(fan)應(ying)區吹出，在金(jin)屬中形(xing)成切(qie)(qie)(qie)(qie)口(kou)。由(you)于切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)過程中的(de)(de)氧化反(fan)應(ying)產生了(le)大量的(de)(de)熱(re)(re)，所以激(ji)(ji)(ji)光(guang)氧氣(qi)(qi)切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)所需要的(de)(de)能量只是熔化切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)的(de)(de)1/2，而(er)切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)速度遠(yuan)遠(yuan)大于激(ji)(ji)(ji)光(guang)汽(qi)化切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)和熔化切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)。激(ji)(ji)(ji)光(guang)氧氣(qi)(qi)切(qie)(qie)(qie)(qie)割(ge)(ge)主要用(yong)于碳鋼(gang)、鈦鋼(gang)以及熱(re)(re)處(chu)理鋼(gang)等(deng)易氧化的(de)(de)金(jin)屬材料。

⑷激光(guang)劃片(pian)與控制斷裂。

       激光劃片(pian)是利用高能(neng)量密(mi)度的激光在脆(cui)性(xing)材料的表(biao)面(mian)進行掃描(miao)，使材料受(shou)熱蒸(zheng)發出一條小槽，然后施加(jia)一定的壓力，脆(cui)性(xing)材料就會沿(yan)小槽處裂開。

       前三種切(qie)(qie)(qie)割(ge)方式是目前激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)的主要應用(yong)(yong)(yong)方式。從目前市場上(shang)激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)機應用(yong)(yong)(yong)的情況來看(kan)，激(ji)光(guang)在切(qie)(qie)(qie)割(ge)黑色(se)金屬上(shang)應用(yong)(yong)(yong)效(xiao)果(guo)較好(hao)，切(qie)(qie)(qie)割(ge)速度快，切(qie)(qie)(qie)割(ge)厚度可以(yi)達(da)到20mm甚至更高。由于有(you)色(se)金屬的分子結(jie)構(gou)對激(ji)光(guang)束的反射作用(yong)(yong)(yong)，激(ji)光(guang)切(qie)(qie)(qie)割(ge)有(you)色(se)金屬效(xiao)果(guo)稍(shao)差(cha)，而且機床上(shang)必須要配置反光(guang)鏡。據統計，切(qie)(qie)(qie)割(ge)鋁合金金屬的厚度不(bu)超過黑色(se)金屬的一(yi)半。切(qie)(qie)(qie)割(ge)銅合金效(xiao)果(guo)更差(cha)，特別(bie)是切(qie)(qie)(qie)割(ge)紫銅。

       國(guo)(guo)外在激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)技術(shu)上(shang)研(yan)究較早，所研(yan)究生產(chan)(chan)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)機(ji)加工精(jing)度和穩(wen)定性(xing)均不錯。國(guo)(guo)內(nei)市場上(shang)使用(yong)的(de)(de)(de)國(guo)(guo)外品(pin)(pin)牌切(qie)(qie)割(ge)機(ji)有(you)德國(guo)(guo)的(de)(de)(de)通(tong)快(kuai)、瑞(rui)士的(de)(de)(de)百超、意(yi)大利的(de)(de)(de)普(pu)瑞(rui)瑪、比(bi)利時的(de)(de)(de)LVD、日本的(de)(de)(de)AMADA等品(pin)(pin)牌，從應用(yong)情況(kuang)來(lai)看德國(guo)(guo)通(tong)快(kuai)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)機(ji)質量(liang)更加突(tu)出一些(xie)，但(dan)是價格也是最高的(de)(de)(de)。國(guo)(guo)內(nei)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)領域近幾(ji)年也興起一些(xie)民族(zu)品(pin)(pin)牌，像大族(zu)，楚天，甚至金方圓(yuan)，揚(yang)力都(dou)有(you)進(jin)(jin)行(xing)激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)機(ji)的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)，但(dan)是機(ji)床(chuang)主要部件(jian)均為(wei)原裝進(jin)(jin)口，而且整機(ji)加工效果(guo)質量(liang)穩(wen)定性(xing)不高。限于(yu)目(mu)前(qian)國(guo)(guo)內(nei)這種狀態(tai)，國(guo)(guo)家(jia)對進(jin)(jin)口激(ji)(ji)光(guang)切(qie)(qie)割(ge)機(ji)實行(xing)免關稅政(zheng)策。

       激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)的(de)(de)(de)核心部件是激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)生器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)生器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)類型有(you)CO2激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)。CO2激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)是通過高(gao)(gao)壓對經(jing)過激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)腔里(li)的(de)(de)(de)一定比例(li)的(de)(de)(de)CO2，He和(he)(he)N2的(de)(de)(de)混合(he)氣體放(fang)(fang)電(dian)，混合(he)氣體中(zhong)的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)受(shou)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)釋放(fang)(fang)能(neng)量，能(neng)量以光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)子(zi)或電(dian)子(zi)的(de)(de)(de)形(xing)式輸出(chu)(chu)形(xing)成(cheng)(cheng)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)。CO2激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)所(suo)發(fa)射(she)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)為可見光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，長期(qi)直視會(hui)造(zao)成(cheng)(cheng)視網膜和(he)(he)皮膚(fu)輕微損(sun)(sun)(sun)傷，操作(zuo)時建議操作(zuo)人員配帶防(fang)護眼(yan)鏡。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)是指(zhi)用摻稀土元素的(de)(de)(de)玻璃光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)作(zuo)為增益介(jie)質的(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)，在泵(beng)浦光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)作(zuo)用下，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)內(nei)極(ji)易形(xing)成(cheng)(cheng)高(gao)(gao)功率密度，造(zao)成(cheng)(cheng)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)工作(zuo)物(wu)質的(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)能(neng)級“粒(li)子(zi)數反轉”，當適時加(jia)入(ru)正反饋(kui)回(hui)路(lu)（構(gou)成(cheng)(cheng)諧(xie)振(zhen)腔）便(bian)可形(xing)成(cheng)(cheng)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)振(zhen)蕩輸出(chu)(chu)。輸出(chu)(chu)的(de)(de)(de)為不(bu)可見光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，直視會(hui)造(zao)成(cheng)(cheng)視網膜和(he)(he)皮膚(fu)的(de)(de)(de)嚴重(zhong)受(shou)損(sun)(sun)(sun)，操作(zuo)時操作(zuo)者必須佩帶特殊(shu)防(fang)護眼(yan)鏡。CO2激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)結構(gou)較復雜，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學鏡片損(sun)(sun)(sun)耗也較大。對環境(jing)要(yao)求(qiu)(qiu)較高(gao)(gao)（塵(chen)埃較少(shao)），設備要(yao)求(qiu)(qiu)與(yu)震(zhen)源隔離，保證激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)干燥和(he)(he)恒溫(wen)。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)路(lu)簡單，對環境(jing)要(yao)求(qiu)(qiu)不(bu)高(gao)(gao)（對灰(hui)塵(chen)、震(zhen)蕩、沖(chong)擊、溫(wen)度、濕度有(you)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)容(rong)忍度）。切(qie)割(ge)薄板時光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)速度更(geng)快，切(qie)割(ge)厚板時CO2激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)能(neng)力更(geng)強。CO2激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)不(bu)能(neng)切(qie)割(ge)高(gao)(gao)反射(she)金屬板材。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)可以切(qie)割(ge)薄銅金屬板。

激光焊接

       激光(guang)焊(han)(han)(han)接(jie)（圖(tu)3）是(shi)(shi)激光(guang)技術的一個(ge)重要(yao)(yao)領域。激光(guang)焊(han)(han)(han)接(jie)的工作(zuo)原理(li)(li)是(shi)(shi)利(li)用高能量(liang)(liang)的激光(guang)脈(mo)沖對材(cai)料(liao)(liao)進(jin)行微小(xiao)區域內的局(ju)部加熱，激光(guang)輻射(she)的能量(liang)(liang)通過熱傳導向材(cai)料(liao)(liao)的內部擴散，將(jiang)材(cai)料(liao)(liao)熔化(hua)后形(xing)成特(te)定熔池。它是(shi)(shi)一種(zhong)新型的焊(han)(han)(han)接(jie)方式，激光(guang)焊(han)(han)(han)接(jie)主要(yao)(yao)針(zhen)對薄(bo)壁材(cai)料(liao)(liao)、精密零件的焊(han)(han)(han)接(jie)，可(ke)實現點焊(han)(han)(han)、對接(jie)焊(han)(han)(han)、疊(die)焊(han)(han)(han)、密封焊(han)(han)(han)等，主要(yao)(yao)特(te)點：深寬比(bi)高，焊(han)(han)(han)縫(feng)寬度(du)小(xiao)，熱影響區小(xiao)、變形(xing)小(xiao)，焊(han)(han)(han)接(jie)速度(du)快，焊(han)(han)(han)縫(feng)平整、美觀，焊(han)(han)(han)后無(wu)需處理(li)(li)或只(zhi)需簡單處理(li)(li)，焊(han)(han)(han)縫(feng)質量(liang)(liang)高，無(wu)氣孔，可(ke)精確(que)控(kong)制，聚焦光(guang)點小(xiao)，定位(wei)精度(du)高，易實現自動(dong)化(hua)。

圖3 激光焊接

激光焊接的主要優點：

⑴激光焊接時，可將入熱量降到(dao)最低的需要量，熱影響區金相變化(hua)范圍小，且因熱傳導(dao)所(suo)導(dao)致的變形亦最小。

⑵32mm板厚單道焊(han)接的(de)焊(han)接工(gong)藝參(can)數經檢定合格(ge)，可降低厚板焊(han)接所(suo)需的(de)時間，甚至可省掉(diao)填料(liao)金(jin)屬的(de)使用。

⑶不需使用(yong)電(dian)極，沒(mei)有電(dian)極污染或受損的顧(gu)慮(lv)，且因不屬于接觸式焊接制程，夾具的耗損及變形可(ke)降至最低。

⑷激光(guang)束易(yi)于(yu)聚焦、對準及受光(guang)學(xue)儀(yi)器所導引，可放(fang)置在(zai)離(li)工(gong)件適當之距離(li)，且可在(zai)工(gong)件周圍的機具(ju)或障礙間(jian)再導引，其(qi)他焊接法則因受到上(shang)述的空(kong)間(jian)限(xian)制(zhi)而無法發(fa)揮。

⑸工件(jian)可放置(zhi)在封閉(bi)的空(kong)間里（經抽真空(kong)或內部氣體環境在控制下）。

⑹激光束可聚焦(jiao)在很小的區域，可焊接小型且(qie)間(jian)隔相(xiang)近的部件。

⑺可焊材質種類范(fan)圍大(da)，亦可相(xiang)互接(jie)合各(ge)種異(yi)質材料。

⑻易于(yu)以(yi)自動化進行(xing)高速(su)焊接(jie)，亦可以(yi)數位或(huo)電腦控制。

⑼焊(han)(han)接(jie)薄材或細徑線材時，不會像(xiang)電弧焊(han)(han)接(jie)般易有回熔的困擾。

⑽不(bu)受磁場所(suo)影(ying)響（電(dian)弧(hu)焊(han)接及電(dian)子束焊(han)接則容(rong)易(yi)），能(neng)精確的對準焊(han)件。

⑾可(ke)焊接(jie)不同物性（如不同電阻）的兩種(zhong)金屬。

⑿若以(yi)穿孔式(shi)焊接(jie)，焊道(dao)深寬比可達10∶1。

⒀可以切換(huan)裝置將激光束(shu)傳送至多個工作站。

由于(yu)激(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)具(ju)有以上(shang)特性，激(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)在民(min)用(yong)車輛制(zhi)造領(ling)域應用(yong)較為(wei)普及。高(gao)鐵制(zhi)造行(xing)業，汽(qi)車制(zhi)造行(xing)業中激(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)是(shi)主要的焊(han)(han)接(jie)(jie)工(gong)藝，但是(shi)激(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)也有不少缺(que)點。激(ji)(ji)光(guang)焊(han)(han)接(jie)(jie)的主要缺(que)點：

⑴焊(han)件(jian)位置需非(fei)常精確(que)，務(wu)必在激光束的聚(ju)焦范圍內。

⑵焊件(jian)需使用(yong)夾具時，必須確(que)保焊件(jian)的最終位(wei)置與激光束將(jiang)沖(chong)擊的焊點對準。

⑶最大可焊(han)厚度受到限制，滲透厚度遠(yuan)超(chao)過19mm的工件，生產線上不適合(he)使用激光焊(han)接。

⑷高反射性(xing)及(ji)高導熱性(xing)材(cai)料(liao)如鋁、銅及(ji)其合金等，焊接(jie)性(xing)會受(shou)激光所(suo)改變。

⑸采(cai)用(yong)高(gao)能量激光束(shu)焊(han)接時，需使用(yong)等離(li)子控(kong)制器將熔池周圍(wei)的離(li)子化(hua)氣體(ti)驅除，以確(que)保焊(han)道的再現。

⑹能量轉(zhuan)換效率太(tai)低，通常低于10%。

⑺焊(han)道快(kuai)速(su)凝固(gu)，可能有氣孔及脆化的顧(gu)慮。

⑻價格昂貴。

       特別是最后(hou)一條缺點，設備價(jia)格昂(ang)貴(gui)。與(yu)普通焊機(ji)數(shu)千元(yuan)一臺(tai)相(xiang)比較，激光焊機(ji)動輒(zhe)數(shu)十萬，甚至數(shu)百萬一臺(tai)的價(jia)格極大的限制了激光焊接技(ji)術的應(ying)用普及。

激光刻字

       激(ji)光(guang)(guang)刻(ke)(ke)字(zi)(zi)的工作原(yuan)理(li)是(shi)(shi)以(yi)能量密度(du)極高(gao)的激(ji)光(guang)(guang)束在(zai)計算機的控制下，照射到需要(yao)打(da)標(biao)的產品(pin)表面(mian)，使(shi)產品(pin)表面(mian)瞬(shun)間熔化或汽(qi)化，從而在(zai)產品(pin)表面(mian)標(biao)刻(ke)(ke)出需要(yao)的文字(zi)(zi)或圖案(an)標(biao)識(shi)，如圖4所(suo)示。激(ji)光(guang)(guang)刻(ke)(ke)字(zi)(zi)也叫(jiao)激(ji)光(guang)(guang)打(da)標(biao)，激(ji)光(guang)(guang)打(da)標(biao)的特(te)點：永(yong)久牢固、圖案(an)精美、高(gao)速高(gao)效、非接觸方式(shi)、重(zhong)復(fu)精度(du)高(gao)、無須制版、沒(mei)有污染、易于實現與(yu)生產線同步飛(fei)行打(da)印等特(te)點。標(biao)記內容可(ke)(ke)以(yi)是(shi)(shi)數字(zi)(zi)、字(zi)(zi)母(mu)、漢字(zi)(zi)、圖形(xing)圖象、條形(xing)碼等。激(ji)光(guang)(guang)刻(ke)(ke)字(zi)(zi)是(shi)(shi)目前國際流行的最(zui)為先進的打(da)標(biao)模式(shi)，非常適應現代化生產（高(gao)效率、快節奏）。如表1所(suo)示是(shi)(shi)幾種(zhong)標(biao)記工藝的對比，從中可(ke)(ke)以(yi)看出來，激(ji)光(guang)(guang)打(da)標(biao)技(ji)術的優勢是(shi)(shi)非常明顯的。

圖4 激光刻字件

激光快速成形技術

圖5 激光成形

       激(ji)光快(kuai)速(su)(su)(su)成(cheng)形技(ji)(ji)(ji)術（圖5）是(shi)現代制(zhi)造(zao)(zao)技(ji)(ji)(ji)術的(de)(de)一(yi)個(ge)重大變革。是(shi)激(ji)光技(ji)(ji)(ji)術在工業(ye)領域應用的(de)(de)一(yi)個(ge)拓展。隨(sui)著全球市場一(yi)體(ti)化進程的(de)(de)加(jia)速(su)(su)(su)，制(zhi)造(zao)(zao)業(ye)的(de)(de)競爭十(shi)分激(ji)烈，產(chan)(chan)品的(de)(de)開(kai)發速(su)(su)(su)度日(ri)益(yi)成(cheng)為競爭的(de)(de)主要(yao)矛(mao)盾。同時，制(zhi)造(zao)(zao)業(ye)需(xu)要(yao)滿足日(ri)益(yi)變化的(de)(de)用戶(hu)需(xu)求，又要(yao)求制(zhi)造(zao)(zao)技(ji)(ji)(ji)術有較強的(de)(de)靈(ling)活性，能夠以小(xiao)批(pi)量甚至單件生(sheng)產(chan)(chan)而不增(zeng)加(jia)產(chan)(chan)品的(de)(de)成(cheng)本。激(ji)光快(kuai)速(su)(su)(su)成(cheng)形（RP-Rapid Prototyping）技(ji)(ji)(ji)術是(shi)一(yi)種用材料逐層堆積出(chu)制(zhi)件的(de)(de)制(zhi)造(zao)(zao)方(fang)法。或者更(geng)通俗的(de)(de)說其實就是(shi)電腦(nao)設計3D圖形，利用激(ji)光產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)高(gao)溫按照3D圖形燒結(jie)金屬(shu)粉末，產(chan)(chan)生(sheng)金屬(shu)構件。采用該技(ji)(ji)(ji)術能在幾小(xiao)時或幾十(shi)小(xiao)時內直(zhi)接從CAD三維實體(ti)模型制(zhi)作出(chu)原型，與圖紙和(he)計算機屏(ping)幕提(ti)供(gong)的(de)(de)信息相比，快(kuai)速(su)(su)(su)成(cheng)形提(ti)供(gong)了一(yi)個(ge)信息更(geng)豐富(fu)、更(geng)直(zhi)觀(guan)的(de)(de)實體(ti)。特別是(shi)在產(chan)(chan)品開(kai)發階段，利用快(kuai)速(su)(su)(su)成(cheng)形技(ji)(ji)(ji)術全面(mian)考慮各(ge)種因素，力(li)爭使(shi)開(kai)發能夠一(yi)次獲得成(cheng)功，從而縮短開(kai)發周期(qi)，提(ti)高(gao)產(chan)(chan)品質量，降低成(cheng)本，避免開(kai)發的(de)(de)投資風(feng)險。

激光成形主(zhu)要有四(si)種主(zhu)要方法(fa)：

⑴立體光固化（SLA）。

       立體(ti)光固(gu)化造(zao)形是將計算機控(kong)制下的紫外線激光以預定零件各(ge)分層(ceng)(ceng)截面的輪廓為(wei)軌跡對液態(tai)樹脂(zhi)逐(zhu)點、逐(zhu)層(ceng)(ceng)進行(xing)掃描，使被掃描的樹脂(zhi)薄層(ceng)(ceng)產生光聚合反應而固(gu)化成形。

表1 幾種標記工藝對比

⑵疊層法（LOM）。

       疊層(ceng)法出現于1985年。首先在基(ji)板上鋪一層(ceng)箔材（如紙張），然后用(yong)一定(ding)功率的(de)(de)紅外激光(guang)在計算機的(de)(de)控(kong)制下(xia)按(an)(an)分(fen)層(ceng)信(xin)息切出輪廓，同時將非零件部分(fen)按(an)(an)一定(ding)的(de)(de)網格形狀切成(cheng)碎(sui)片以便(bian)去(qu)除(chu)，加(jia)(jia)工完(wan)一層(ceng)后，再鋪上一層(ceng)箔材，用(yong)熱輥碾壓，使新(xin)鋪上的(de)(de)一層(ceng)在粘(zhan)接劑的(de)(de)作用(yong)下(xia)粘(zhan)在已成(cheng)形體(ti)上，再切割該層(ceng)的(de)(de)形狀，如此反復直(zhi)至加(jia)(jia)工完(wan)畢。最后去(qu)除(chu)切碎(sui)的(de)(de)多(duo)余(yu)部分(fen)，便(bian)可得到完(wan)整的(de)(de)零件。

⑶激光選區燒結(jie)法（SLS）。

       激光選區(qu)燒(shao)結法屬(shu)于(yu)(yu)機械工程學科特(te)種(zhong)加工工藝的(de)范疇，于(yu)(yu)20世(shi)紀80年代后(hou)期興起，源(yuan)于(yu)(yu)美國，后(hou)經技(ji)(ji)術(shu)改革，延續傳播到日本(ben)、西(xi)歐和中國。激光選區(qu)燒(shao)結法是(shi)一(yi)項多(duo)學科交叉多(duo)技(ji)(ji)術(shu)集成的(de)先進制(zhi)造技(ji)(ji)術(shu)，也是(shi)制(zhi)造業理(li)論研究(jiu)成果(guo)中具有代表性的(de)成果(guo)之一(yi)。

⑷融熔(rong)沉積法（FDM）。

       融熔沉積(ji)法(fa)是(shi)1988年發明(ming)的(de)(de)，利用(yong)噴頭中噴出(chu)的(de)(de)熔化材料(liao)(liao)在X－Y工作(zuo)臺的(de)(de)帶動下，按截面形(xing)狀鋪在底板上，一層一層加工，最終制造出(chu)零(ling)件。商品化的(de)(de)FDM設備使用(yong)的(de)(de)材料(liao)(liao)范圍(wei)很廣(guang)，如鑄造石蠟、尼龍、熱(re)塑(su)性塑(su)料(liao)(liao)、ABS等。此外為提高效(xiao)率可以采(cai)用(yong)多個噴頭。

       激光快(kuai)(kuai)速成形技術(shu)與鑄(zhu)(zhu)造(zao)(zao)車間現有(you)(you)的(de)(de)(de)精密鑄(zhu)(zhu)造(zao)(zao)工(gong)藝相結合，使鑄(zhu)(zhu)造(zao)(zao)車間自己有(you)(you)能(neng)力快(kuai)(kuai)速生產各類大(da)(da)尺寸、結構復雜(za)熔模精密鑄(zhu)(zhu)件(jian)所用蠟模，減(jian)少(shao)大(da)(da)量外協費(fei)用，同時(shi)(shi)對于(yu)單件(jian)、小批(pi)量熔模精密鑄(zhu)(zhu)件(jian)的(de)(de)(de)生產可(ke)以(yi)不用模具，從而(er)節(jie)省大(da)(da)量模具加工(gong)費(fei)用，大(da)(da)大(da)(da)縮(suo)短生產周(zhou)期，為(wei)新產品研(yan)制和開(kai)發節(jie)省了(le)大(da)(da)量寶貴時(shi)(shi)間，降低了(le)生產成本，而(er)且也使鑄(zhu)(zhu)造(zao)(zao)車間精密鑄(zhu)(zhu)造(zao)(zao)水平有(you)(you)所提高，為(wei)確(que)保后續型號產品中(zhong)精密鑄(zhu)(zhu)件(jian)生產任務的(de)(de)(de)順利完成打下良(liang)好(hao)的(de)(de)(de)基礎(chu)。可(ke)以(yi)肯(ken)定未來(lai)激光快(kuai)(kuai)速成形技術(shu)將得到更加廣泛的(de)(de)(de)應(ying)用。

激光熱處理

       激光(guang)(guang)熱處(chu)理(li)（圖6）是一種表(biao)面(mian)(mian)熱處(chu)理(li)技(ji)術。即利用(yong)激光(guang)(guang)加熱金(jin)屬材料表(biao)面(mian)(mian)實(shi)現(xian)表(biao)面(mian)(mian)熱處(chu)理(li)。它可(ke)以(yi)(yi)對金(jin)屬實(shi)現(xian)相(xiang)變(bian)硬(ying)(ying)化（或稱作表(biao)面(mian)(mian)淬(cui)火、表(biao)面(mian)(mian)非(fei)晶化、表(biao)面(mian)(mian)重熔淬(cui)火）、表(biao)面(mian)(mian)合金(jin)化等表(biao)面(mian)(mian)改性處(chu)理(li)，產(chan)生(sheng)用(yong)其大(da)表(biao)面(mian)(mian)淬(cui)火達不到的(de)表(biao)面(mian)(mian)成分、組(zu)織、性能(neng)的(de)改變(bian)。經激光(guang)(guang)處(chu)理(li)后(hou)，鑄(zhu)鐵(tie)表(biao)面(mian)(mian)硬(ying)(ying)度(du)可(ke)以(yi)(yi)達到60HRC以(yi)(yi)上(shang)，中碳及高碳的(de)碳鋼，表(biao)面(mian)(mian)硬(ying)(ying)度(du)可(ke)達70HRC以(yi)(yi)上(shang)，從而提高其抗磨性、抗疲勞、耐(nai)腐蝕,抗氧化等性能(neng)，延長其使用(yong)壽(shou)命。在鈑(ban)金(jin)行業中，AMADA數控(kong)轉塔(ta)(ta)沖(chong)床的(de)轉塔(ta)(ta)就采用(yong)激光(guang)(guang)淬(cui)硬(ying)(ying)處(chu)理(li)，處(chu)理(li)后(hou)的(de)轉塔(ta)(ta)耐(nai)磨性能(neng)特別(bie)好。

圖6 激光熱處理