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激光加工技術的應用

激光全稱為“受激輻射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）”。原子中的電子在光或電的激發(fā)下吸收光電能量，自低能級躍遷到高能級，再從高能級落回到低能級時，以光子的形式釋放出能量，且放出光的相位、頻率、方向等光學特性高度一致，這樣的光即為激光。激光與計算機、原子能、半導體共同被視為是二十世紀的四項重大發(fā)明，對人類社會的進步發(fā)展有十分重要的作用。

激光具有很多一般光源所不具備的特性：第一，激光束的發(fā)散度極小，幾乎為平行，所以激光方向性極好；第二，激光的亮度極高，能夠照亮超遠距離的物體，由于激光是定向發(fā)光，光子大都集中在一個小的范圍內發(fā)射，所以激光能量密度極高；第三，激光波長分布范圍非常窄，因此激光單色性很好，顏色極純；第四，高度一致的光學特性使得激光各光束間具有很好的相干性。

激光最為典型的應用就是激光加工，激光加工可分為冷加工和熱加工兩類。激光經過透鏡等聚焦系統(tǒng)聚焦后作用于金屬或非金屬材料表面，利用激光的高能量對材料瞬時加熱至超高溫，使照射部分的材料熔化甚至氣化，達到對材料的改性或去除，這種基于光熱效應的加工被稱為“熱加工”。當用某類波長的高能量激光束照射到聚合物這類的材料時，可由光子引發(fā)或控制光化學反應，這種加工過程被稱為光化學加工，也叫“冷加工”。光化學加工主要應用于光化學沉積、激光刻蝕和激光照排等。其中熱加工的應用較為廣泛。

激光加工是無接觸的方式，不會產生工具與工件表面的摩擦阻力，也不會直接對工件進行沖擊，工件幾乎不會發(fā)生變形，且激光是對局部進行加工，對非激光照射的部分幾乎沒有影響，所以激光加工是高速、高效、高精度的加工方式。激光加工技術是光與機電技術的結合，激光光束的移動速度、功率密度和方向等都可以調節(jié)，易與數(shù)控系統(tǒng)配合來對復雜工件進行加工，可由此對其實現(xiàn)不同層面和范圍的應用。

█ █ 激光模切技術 ————— 

激光模切技術是根據(jù)在軟件中設計好的工件圖樣，將激光束聚焦后直接對材料表面完成模切或壓痕效果的一種切割方法。激光模切技術具有切割精度高、模切產品粗糙度低、模切加工時間短、生產效率高等特點。由于無須更換模切刀版，也可實現(xiàn)不同版式工件之間的快速轉換，這樣節(jié)省了傳統(tǒng)模切刀版調整時間，尤其適用于輕薄、異形工件的加工。

典型的激光模切系統(tǒng)應該包括有激光器、掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、惰性氣體保護室、廢料清除系統(tǒng)以及反饋系統(tǒng)。

激光在模切加工中扮演“模切刀”的角色，其對最終的加工效果的影響是模切機各組成部分中最大的，目前市場上用于激光加工的激光器主要有YAG激光器、CO2激光器和半導體激光器等。最常使用的是出波長能被非金屬很好吸收且能夠產生連續(xù)激光或非連續(xù)激光脈沖的CO2激光器。

█ █ 激光雕刻技術 —————

激光雕刻機的主要組成為：激光器（提供激光光束，包括聚光腔、反射鏡）、聚焦系統(tǒng)（使高功率密度的激光能量聚集在小面積上，達到最佳的雕刻效率）、導光系統(tǒng)（改變激光照射方向）、工作臺（用于承載或移動被雕刻工件）、控制面板（調整和控制電源及激光器）、水冷系統(tǒng)（調控激光器內的溫度）。由于主要是對非金屬材料加工，所以激光雕刻與模切一樣常選用CO2激光器。為實現(xiàn)高速點陣雕刻和適量雕刻，激光雕刻大多采用振鏡式導光系統(tǒng)。

◆ 切割雕刻

先將圖文信息分解成無數(shù)切割線條, 然后用激光按照這些線條進行切割, 最終得到利用切割線條表示出的圖文。

◆ 凹模雕刻

去除圖文部分, 維持圖案外圍的部分原樣不動。凹模雕刻有兩種情況, 一種是對圖文上每一點切除力度同樣大,主要靠輪廓來體現(xiàn)圖文信息；第二種是根據(jù)圖文的明暗對比的不同, 多切除圖文上暗的部分, 亮的部分則少切甚至不切除。

◆  凸模雕刻

去除非圖文部分，維持圖文部分原樣，各點處切除力度必相同。此雕刻方法較適用于表達圖文輪廓等。

█ █ 激光焊接技術 —————

激光焊接技術主要用于對金屬及塑料制品進行焊接加工。以前金屬焊接大多采用電阻焊接工藝，但電阻焊存在耗電量大、熱影響區(qū)大、接口不美觀、可焊材料厚度受限等問題，所以激光焊接技術的應用越來越廣泛。激光焊接金屬的作用機理是用激光輻射金屬表面，通過激光與金屬的耦合作用使待焊接部位在極短時間內瞬間熔化甚至氣化，再冷卻凝固結晶而形成焊縫。激光焊接可分為熱傳導焊接和深熔焊兩種，前者會發(fā)生激光的功率密度較小，輻射能只作用于金屬表面，材料下層則靠熱傳導受熱熔化；深熔焊會產生小孔效應，即輸入激光能量很大，遠大于傳導及散熱的速率時，照射區(qū)域會在極短時間發(fā)生氣化形成小孔，孔內壓力形成動態(tài)的平衡，光束可以直接照射到孔底。小孔吸收射入的所有能量使孔壁金屬熔化，由此可形成尤其窄而深的焊縫，且改變焊接參數(shù)可以使焊縫熔深在較大范圍內變化，所以實際更多采用深熔焊接方式。

接下來討論用于焊接金屬的激光器的選擇。金屬焊接大多采用YAG激光器，因為YAG激光比 CO22激光更易于被金屬吸收，且受等離子體影響較小，焊接操作靈活。但YAG激光器運作時易產生大量熱損耗，使激光腔溫度升高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，摻雜不同的稀土離子的光纖傳輸傳輸，具有體積小、成本低、激光功率高等優(yōu)點，焊接熔深和速度更高，較YAG激光器更勝一籌。

激光焊接金屬過程幾乎不會產生碎屑廢渣，且無需添加粘合劑，具有速度快、精度高、熱影響區(qū)小、深寬比大、焊縫美觀等優(yōu)點，易實現(xiàn)自動化，可產生良好的社會和經濟效益，已成為金屬包裝氣密性封裝等的主要方式。

對于塑料材料工件而言，傳統(tǒng)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，而實際時加工既要考慮其密封性能, 又要防止加工過程中會受到污染, 塑料激光焊接的高精度和無接觸性正好可以滿足這樣的要求。

激光焊接塑料的方法主要有兩種，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（簡稱 TTLW）。NCLW是用激光熱源在一定壓力的維持下使塑料軟化或熔化，之后撤掉熱源使塑料冷卻凝固實現(xiàn)焊接。TTLW需要待焊兩塑料上部吸收率小到盡可能透射激光,下部吸收率高，先將兩邊塑料相接觸， 然后激光穿過透過激光塑料部分被吸收激光塑料部分吸收，吸收激光塑料部分受熱軟化或熔化，透過激光塑料部分也由于熱傳導也軟化或熔化，當熔核的尺寸達到要求時，撤掉激光源，塑料大分子在塑料熱膨脹產生的壓力下相互擴散,從而連接在一起,實現(xiàn)塑料的焊接。該種焊接方法能應用于對接接頭的焊接，但更多應用于搭接接頭的焊接。

塑料焊接激光器大多選用容易實現(xiàn)數(shù)控和自動化的摻釹釔鋁石榴石合成晶體（Nd:YAG）激光器和效率高、輸出功率小、便攜的半導體激光器。塑料焊接有時也使用CO2激光器。但是CO2激光的穿透性能較差, 主要用于薄膜焊接。光纖激光光源質量高，效率高，且系統(tǒng)體積小、方便移動和維修。未來光纖激光器將會逐步取代 Nd：YAG 及二極管激光器，廣泛應用于塑料焊接領域。

█ █ 激光打標技術 —————

激光打標是應用范圍最廣的一項激光加工技術，其機理是通過激光對工件的局部照射，使表面材料瞬間融熔氣化或者發(fā)生顏色變化，從而留下永久性的文字、圖案等的標記。激光打標對工件表面不會產生腐蝕，且加工后不會產生應力而影響原有精度，所以激光打標技術應用范圍很廣，對不同材料打標的原理、系統(tǒng)組成基本相同，只需通過實驗找出對每種材料最適合的參數(shù)設置即可完成對不同材料的激光打標。

激光打標系統(tǒng)由激光器（大多采用Nd:YAG 激光器）、振鏡部分（驅動信號控制振鏡偏轉使激光輸出點掃描出圖文）、數(shù)控部分（以完成掃描圖文的編輯、格式轉變、導出信息）和電源控制部分（包括激光電源、聲光電源、水冷系統(tǒng)的控制）四部分組成。

激光打標過程是首先通過計算機軟件編輯好所需的圖文信息，轉為打標軟件能識別的格式，導入振鏡伺服控制卡轉換成振鏡能夠識別的信號。這些電信號傳輸?shù)綊呙枵耒R使會使振鏡在Ｘ、Ｙ二個方向維度范圍內擺動，使輸出點掃描出圖文標記信息。同時，在信號的控制下聲光電源使聲光 Q開關產生所需要的頻率調制信號，使連續(xù)的激光調制成非連續(xù)的激光脈沖，即可將掃描出的圖文標記信息顯示在被加工工件上。

影響激光打標圖文效果的主要因素有激光掃描的速度、光點的直徑、激光的功率等。掃描速度越高標記越模糊，光點直徑越大標記越清晰，而隨著功率增加，打標清晰程度會先升高后降低。

接下來討論打標激光器的選擇。CO2氣體激光由于波長只能被非金屬材料吸收所以只適用于非金屬材料的打標，而YAG激光對金屬、非金屬材料均適用。摻稀土元素的光纖激光器與CO2、YAG 激光打標機相比輸出功率更小，光斑直徑更小，標記深度、精細度更高。紫外激光打標一種是新研發(fā)出的激光冷加工技術。紫外光能量密度高，光束質量好，聚焦光斑極小，熱影響區(qū)域極小，可實現(xiàn)超精細標記，多用于打標玻璃等非金屬材料。

激光打標具有速度快，標記精細且耐久性好，非接觸式加工，加工方式靈活，易于與自動化加工生產線相結合等優(yōu)點。可制作出復雜的不易被仿制或篡改的圖文標記，所以也起到了很好的防偽作用。隨著消費需求的擴大和激光打標技術的日趨先進,其在各行業(yè)中的應用會越來越廣泛。