激光是20世紀人類的四大發明之一，現在已經廣泛應用于工業、軍事、科學研究和日常生活中。21世紀號稱人類已經進入光電子時代，作為能量光電子的激光技術的進一步廣泛應用將極大地改變人類的生產和生活。激光加工技術實現了光、機、電技術相結合，是一種先進制造技術，目前正處于向傳統制造技術中許多工藝過程積極滲透的階段。由于它具有無接觸、不需要工模具、清潔、效率較高、方便實行數控和可以用來進行特殊加工，目前已經廣泛應用于汽車、冶金、航空航天、機械、紡織、化工、建筑、造船、儀器儀表、微電子工業、藝術品制作、日常生活用品和工業用品制造等眾多領域。用來進行打孔、切割、銑削、焊接、刻蝕、大型零件的強化和修復、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造，工藝美術品制作和清洗、產品標刻和防偽等。
1 激光加工技術的主要應用
1.1 激光打孔和切害
由于激光可以通過聚焦而獲得高密度能量(106-8J/cm2)，瞬間可使任何固體材料熔化，甚至蒸發，因此從理論上說可以用激光來加工任何種類的固體材料。事實上，激光一發明，人們首先想到利用它來對寶石這類利用常規加工方法難以加工的材料進行孔加工。目前已經廣泛用于各類材料進行孔加工和切割，如利用激光進行木模板的切割和石油管道的激光切縫等。圖1為激光在鋼板上加工的密排孔，圖2為利用激光在金屬上切割的漸開線（光滑無毛刺）。
圖1 激光加工的密排孔
圖2 激光加工的漸開線
1.2 激光焊接
激光焊接與常規焊接方法相比具有：利用激光的高密度能量，可以對高熔點、難熔金屬或兩種不同金屬材料進行焊接，也可以對非金屬材料進行焊接（如玻璃的焊接）；加熱速度快，作用時間短，熱影響區小，熱變形可以忽略；屬于非接觸焊接，無機械應力和機械變形；激光焊接裝置容易與計算機聯機；可以在大氣中焊接和無污染等一系列優點，因此在工業上獲得廣泛應用。圖3和圖4分別為激光焊接的鋸片和鉆頭，圖5激光焊接的不等厚鋼板沖壓成的汽車部件。
圖3 激光焊接的金剛石劇片
圖4 激光焊接的鉆頭
圖5 激光焊接的不等厚鋼板沖壓的汽車部件
1.3 激光表面改性技術
激光表面改性技術包括：激光表面相變硬化、激光表面合金化與熔覆、激光表面非晶化與微晶和激光沖擊強化等。利用激光表面改性技術可以極大地提高零件表面的機械、物理和化學性質，現在已經廣泛應用于工業生產。圖6是應用于冶金行業的軋輥激光相變淬火。
圖6 軋滾的激光相變淬火
1.4 激光刻蝕、銑削與毛化
激光刻蝕在微電子行業可以用于半導體器件和芯片的加工，也可以用于精密光學器件的加工。如用激光刻蝕加工半導體芯片（圖7a）和三維光柵。利用激光的高密度能量，可以對硬脆性難加工材料進行激光銑削加工為利用脈沖激光分別銑削加工的硬質合金和氧化鋁陶瓷（圖7b、7c）。圖8是利用二氧化碳激光器在鋼材上銑削加工的三維模具。利用脈沖激光還可以對軋輥進行毛化，經過毛化的軋輥軋制的汽車簿板具有著油漆牢固的特點。另外，還可以利用激光對鋼套等零件進行毛化，可以大大地提高其耐磨壽命。
圖7 激光刻蝕（銑削）加工的難加工硬脆性材料
圖8 激光銑削的三維模具
1.5 激光物理氣相沉積、激光化學氣相沉積、激光誘導液相化學鍍和激光誘導固相反應沉積
激光物理沉積(LPVD)主要是利用蒸發機制制膜，利用此種方法可以制非金屬膜，也可以制金屬膜（包括難熔金屬膜）。激光化學氣相沉積(LCVD)是利用激光束的局部高溫、高能誘導反應氣體發生化學反應沉積成膜的方法。激光誘導液相化學鍍( LIEP)可將基板樣品直接放入鍍液中，用激光輻照誘導反應沉積。與普通化學鍍相比，激光誘導化學鍍沉積速度要快得多，鍍層更加平整致密。一般認為激光誘導化學鍍的機理是由于激光可在局部產生高溫，使照射區溶液迅速升溫活化，分離出金屬粒子。而基板表面同時被高溫活化吸附能力大為增強，所以沉積易于進行。激光誘導固相沉積法直接采用激光誘導固體膜發生作用，反應生成金屬或合金沉積在基板上。利用此種方法可以用來進行電路板布線。圖9所示為制好的電路的局部放大圖。
圖9 激光制的電路（局部放大）
1.6 激光快速成型技術
自20世紀90年代初美國3DSstems公司開發出世界首臺商品化的快速成型系統以來，快速成型技術得到蓬勃發展。快速成型(Rapid Prototyoing，簡稱RP)是通過把材料堆積，快速、精密地制造出實際零件，它體現了計算機輔助設計、數控、激光加工、新材料等學科和技術的綜合利用。它不需要借助其它設備和工具迅速和精確地制造出復雜的工模具、模型和工藝品。激光快速成型技術主要有激光層疊法、粉末燒結法、光固化法等。圖10是利用層疊法快速制造出出的藝術品，圖11是利用粉末燒結法快速制造出的復雜零件。
圖10 層疊法快速制造出藝術品
圖11 粉末燒結法快速制造出的零件
1.7 激光標記和藝術品制作
生活用品和生產用品的標記和防偽是不可缺少的，而同時人們對產品的美化和藝術品的要求也越來越高。激光標記和藝術品制作就是利用高密度能量的激光束，會聚在工件表面的對目標進行表面掃描，使材料表面發生物理或化學的變化，導致目標表面的光反射特性的變化，從而獲得可見圖案。它屬于一種非接觸的標刻方式。與傳統的加工方式（如噴墨打印，電火花加工，機械刀刻等）相比，它具有許多難以比擬的優點。如它采用計算機控制技術，效率高、節奏快；激光刻劃精細，可以對各種材料的表面進行標記，并且耐久性非常好；采用激光標刻的防偽效果好等。現在已經廣泛用激光來標刻的五金件和鍵盤，并且利用激光在竹和木頭等材料上雕刻制作藝術品。
1.8 激光材料合成、激光清洗和激光加工在建筑上的應用
早在1977年美國麻省理工學院材料科學與工程系科學家Haggerty博士發明了陶瓷粉末的激光合成法，現在已經發展到廣泛利用激光來制造金屬和非金屬材料納米粉。
激光清洗可以使物體表面的污垢吸收光能而蒸發去除，或者在表面產生力學共振而使污垢凝結脫落。激光清洗可以用來清洗微電子芯片、設備的剝漆和古董及字畫的除垢等。
目前，激光加工在建筑上的應用主要是高檔建筑五金的焊接，以及建筑裝飾品的制造，而國外已經有利用激光進行建筑陶瓷和大理石的切割應用報道。隨著激光器和激光加工技術的發展，有望可以利用激光進行混凝土件表面玻璃化處理、巖石打洞、大塊混凝土件的切割和放射性物質的處理等。
2 國內外及安徽省內激光加工的發展現狀
由上可見，激光加工作為先進制造技術已廣泛應用于汽車、電子、電器、航空、冶金、機械制造等國民經濟重要部門對提高產品質量、勞動生產率、自動化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。德國為了推廣激光加工技術，除了建立9個國家級激光中心外，還大量建立激光加工站；同時在大、中、小型企業積極建立激光加工生產線，例如：大眾汽車廠的齒輪激光加工生產線；奔馳汽車廠共有18個廠房，其中有8個廠房安裝了激光加工生產線。美國是世界上最早建立激光加工站的國家，1996年的統計結果表明，美國激光加工站的年收入已逾60-80億美元，在美國激光加工站(jop shop)已超過1765家，這對于在美國推廣激光加工技術起著重要的作用。激光切割和焊接等在日本電子、電機、汽車、車輛零部件，OA機器等小件、大批量生產中得到迅速發展。總之，日本產業界應用激光加工技術是最為普及的。
我國在20世紀90年代初，在武漢建立了國家級的激光加工工程研究中心，以期達到在全國起到示范和推廣的目的。北京、上海等地方和部委聯合建立激光加工工程研究中心，另外，很多地方政府以及眾多科研機構和高校也建立了激光加工研究中心來進行激光加工技術研究和推廣，已經取得了比較滿意的效果。例如，天津冷軋薄板廠由于采用了激光毛化技術，將面臨倒閉的企業起死回生，僅1995年生產了6億元的激光毛化鋼板，出口創匯數千萬美元；又如西安內燃機配件廠建立了12條缸套激光熱處理生產線，將缸套壽命提高了1～3倍，現已在全國范圍推廣。因此，發展激光產業將帶動傳統工業的改造和發展。然而作為未來世界加工工廠的中國，目前只有一百三、四十家類似國外的激光加工站，因此，很必要加大力度進行推廣。安徽光機所、中國科大及合工大，雖然早在20世紀70年代就從事激光技術的研究，但由于主要研究領域不在激光加工方面，因此，很多領域的研究和開發還處于空白。同時，省內目前也還沒有一家面向企業服務的綜合激光加工站，這就造成了安徽激光加工技術的研究、開發和應用滯后。近年來已引起相關人員的注意，如省內有單位已經在激光熔覆陶瓷研究方面取得了顯著成績。另外，相關行業也引進和打算引進激光加工技術進行技術改造或產品開發。
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本文標題：激光加工技術的應用與發展現狀
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