激光加工应用简介

激光技术是60年代初发展起来的影响了人类生活方方面面的一门新兴科学，由于激光具有强度高、单色性好、相干性好和方向性好等特点，在先进制造技术领域得到了广泛的应用，大大推动了制造业的进步。在制造业中广泛应用了激光砚觉三维测量、激光层析成像、激光无损检测技术和激光振动测量。激光快速成型技术、激光焊接技术、激光切割技术、激光打孔技术、激光标记技术、激光热处理技术和激光内腔加工技术在制造业中的应用，对提高产品质量、提高劳动生产辜、减少材料消耗有重要意义，也为实现自动化、无污染制造提供了技术基础。

1 激光测试技术在先进制造业中的应用

制造生产中的许多信息需要通过检测来提供，生产中出现的各种故障要通过检测去发现和防上，所需要的精度也要靠检测来保证。没有可靠的检测就没有现代化与自动化，更没有高效率和高质量。为适应柔性自动化的需要，机器人必须有砚觉系统，能对装配件的形体与姿态进行识别，应装有位置与触觉传感器，进行精确定位与抓握力的控制，自动导引车也应有视觉或声发射传感器，以发现行进中可能有的障碍物等。

1．1 激光视觉三维测量技术

随汁算机技术的日益完善，集信息处理为一体的激光三维砚觉系统得到了快速的发展和应用。工业砚觉测量技术在机械制造业宁的应用主要是视觉检测和视觉引导。视觉检测主要是使用图像或图像的一部分与设定的标准进行比较、判别，以达到检测、分析测试结果。砚觉引导是运用图像处理的方怯来引导自动导向车等的行走路线，找到最佳路径，克服行走障碍，实现准确的、快速的装配、上料等。

广泛应用的光点怯砚觉识别系统和片光怯砚觉识别系统，能对三维零件和平面图形进行正确的识别和分类。提高测量精度和进行快速测量，对大型复杂曲面的宏观形状测量具有广阔的前景，三维测量技术解决了对气轮机叶片等大型工件的曲面测量难题，有助于对产品进行设计仿真、模态分析和性能模拟，提高产品的设汁和制造质量。三维测量技术在机器识别、实物模型、工业检测、生物医学等领域的应用前景越来越广阔。

1．2 激光层析成像技术

通过激光扫描将激光源发出的激光照射到物体或流体的截面，探测阵列接受其透射光及散射光后，转变为数宇信号，获得被测物体的数据，然后再将所测得

的数宇信号进行处理，得到所测物体的每一像素点的参数值，根据像素矩阵经图像处理重建所测物体的图像。激光层析成像技术在先进制造业中的逆向工程，流体机械宁流场的温度、密度、压力和速度分析宁有很重要的应用。

1．3 激光无损检测技术

激光技术应用于无损检测的方法有激光全息干涉法、压力波检测怯、激光超生检测怯。激光全息干涉技术能对金属表面缺陷进行检测，压力波检测怯是利用激光作用在材料上所产生的应力对材料的内部缺陷进行检测，激光超生检测法是利用超声到达被测物体表面或沿表面传播时，物体表面形状或反射率的改变，将引起反射光的位置、强度对E位和频率的变化来实现的。

1．4 机械振动的激光测量技术

激光技术用于机械振动测量的方怯有迈克尔逊光纤干涉测量、激光衍射测量、全息术干涉法测量、多普勒测量技术和声光调制双频外差测试仪等。全息术干涉怯测量和多普勒测量技术为非接触式测量，对被测物没有影响，通过对全息干涉条纹进行解调汁算，求出振动机件各向的位移值、振动频辜，发现振源位置。通过对振动的激光测量与振动的特性分析，制造出轻量化、低噪声、低袖耗、高性能的经济型、环保型设备是现代制造业的发展方向和目标。

2 激光加工技术在先进制造业中的应用

由于现代机械制造业的发展，机械制造己包含着一种新的意义。它己经不是传统意义上的机械制造。它是集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光学、管理学等最新成就为一体的一个新兴技术与新兴工业。

2．1 激光快速成型技术

传统的工业成型技术大部分是遵循“去除法”的，如车削、铣削、钻削、磨削、刨削；另外一些是采用模具进行成形，如铸造、冲压。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，根据汁算机设汁出的零件的CAD模型立体图形，直接制造出模型，它制造模型的办怯是在一层接一层的基础上不断添加材料。激光快速成型方法有，液态光敏聚合物选择性固化、薄型材料选择性切割、丝状材料选择性熔复、粉末材料选择性烧结。

激光快速成型技术在模具制造宁的应用最为广泛，可以用快速成型件直接用

作模具；用快速成形件作母模，翻制软模具；用快速成形件翻制硬模具。用快速成形技术制作模具，既避开了复杂的机械切削加工，又可以保证模具的精度，还可以大大缩短制模时间、节省制模费用，对于形状复杂的精度模具，其优点尤为突出。该技术己在航空航天、电子、汽车、家电等工业领域得到广泛应用。但是，目前还存在着模具寿命相对较短的缺点，即使是金属面、硬背衬模具，其使用寿命也不及真正的金属模，所以快速成形模具较适合于单件小批量生产。

2．2 激光焊接技术

激光焊接是目前工业激光应用的第二大领域。激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊绕。激光焊结熔深大，速度快，效辜高；激光焊绕窄，热影响区很小，工件变形也很小，可实现精密焊接，激光焊绕结构均匀，品粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能，抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。

激光焊接技术具有铆他序化效应，能纯净焊绕金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高导热辜和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。目前，汽车行业将不同材质的薄钢板实施激光拼接焊后冲压成型，激光拼接焊取代了电焊。通过光纤传输的多路激光束进行多点或多组件焊接越来越普及。在远离装配区的位置装置一台中心激光器，由技工操作将激光能量用光纤传输到需要加工的地点从而最大限度的利用YAG系统的焊接效果。由于YAG激光器可利用光纤传输能量进行远距高的焊接将大大促进高功率YAG激光焊的发展。

2．3 激光切割技术

激光切割系统一直是激光加工应用最广泛的一项技术，激光切割是利用激光束聚焦形成高功辜密度的光斑，将材料快速加热至汽化温度，再用喷射气体吹化，以此分割材料。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。

与计算机控制的自动设备结合，激光束具有无限的仿形切割能力，切割轨迹修改方便；通过预先在汁算机内设汁，进行众车复杂零件整张板徘料，可牢邵．车零件同时切割，提高效车，节省材料。激光切割无机械变形、无刀具磨损，容易实现自动化生产。激光切割技术用在零件生产线上，做平板切割等工序，配合其生产产品的一道工序，可为完成产品零件生产解决加工关键，或提高加工速度。

2．4 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，己成为现代制造领域的关键技术之一。目前，工业发达国家己将激光深微孔技术大规模地应用到航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和大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，激光打孔朝着多样化、高速度、孔径更微小的方向发展。例如，在飞机机翼上打上 5万个直径为 0 064mm的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力，取得节袖的效果。

2．5 激光标记技术

激光标记机的市场是近儿年发展最快的一项应用技术。激光标记是利用高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技术。激光标记有许多独特的优点，能标记各种宇行、图案、数宇以及条形码，标记线宽可小于0.0lmm。，可深可浅，对很小零件也可打标，这是其他标记方法不能实现的；

激光打的标记属永久性，不像喷墨打印的宇可擦掉；可作防伪标记。不易被人假冒；属不接触加工，所以对零件表面没有损伤；标记的宇符清晰，图形质量好；效率很高，成本低，可对多种材料进行标记；由汁算机操作易于更换标记内容，也可以一个零件一个标记；由于有以上多种特点，所以应用越来越广泛，特别是多种电子器件、集成电路模块、汽车零件甚至汽车窗玻璃、导线、接插件、工具、医疗器械、精密仪器仪表、线路板、橡胶制品、计算机键盘、手机面板、精美礼品、玻璃制品等等。

2．6 激光热处理技术

激光热处理是利用高能激光照射到金属表层，通过激光和金属的交互作用达到改善金属表面性能的目的。激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术、激光冲击强化技术等，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。激光相变硬化〔即激光淬火〕是激光热处理宁研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高零件的耐磨性和疲劳强度。激光合金化和激光涂覆是利用高功率激光束快速扫描金属工件表面，使一种或多种合金元素与工件材料表面一起快速熔化再凝固，共同形成硬化层。激光表面合金化技术是材料

表面局部改性处理的新方怯，激光冲击强化使用脉冲宽度极短的激光照射到材料表面，可以产生高强度冲击被，使得金属材料的机械性能改善，阻止裂纹的产生和扩展，提高钢、铝、铁等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。激光热处理技术在汽车工业宁应用广泛，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。

2．7 激光内腔加工技术

在光电通讯、制导和雷达等军工和医疗器械上，经常有一些高精度的内腔形体零件，这些零件口小型腔大，有的内腔形状还比较复杂。如果用传统的工艺方法，将它一分为二分别进行加工，尽管能保证两体加工精度很高，但是在合二为一的装配中，无论什么装配方法，都避免不了装配误差的存在，影响了产品的使用性能，难以实现产品设汁师的构想。伴随MEMS技术的发展，越来越多”口小肚子大”的内腔形体零件需机械制造业突破原有的工艺方法去实现其加工。回此，加工复杂高精度内腔形体难题己成为机械制造业刻不容缓亟待解决的间题。借助激光技术和计算机技术的发展，把激光对透明材料的作用机理运用到内腔加工上，使上述间题的解决成为了现实。激光在固体材料透明材料内部对材料产生作用，若激光的功辜密度大于介质的破坏值，则在激光作用的很短时间内，强激光的辐射将导致介质吸收大量的激光能量，产生使材料破坏的内爆轰，形空隙，达到体内局部切割的作用。由于切割过程相当迅速，聚焦点周围热传递造成的热损伤几乎为零。该方法是非接触加工，因而加工过程无变形，目无噪声和化学污染。

3 结束语

当前机械制造技术不仅在它的信息处理与控制等方面运用了微电子技术、计算机技术、激光加工技术，在加工机理、切削过程乃至所用的刀具也无不渗透着当代的高新技术，再也不是原来意义上的“机械加工”了。随着激光技术的快速发展，激光在机械制造领域的应用越来越广泛，越来越重要，影响越来越大。激光快速找正、激光测量、激光成形加工、焊接、切割、标记以及热处理等激光技术在先进制造业宁的应用，必将引起机械制造业各个领域的全面改观。

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，现在已开发出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。目前已成熟的激光加工技术包括：激

光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、

激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技

术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。

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。

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。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金

属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。现代的激光成了人们所幻想追求

的“削铁如泥”的“宝剑”。

激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属

材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特

性相差很大的金属焊接特别有利。激光焊接，用比切割金属时功率较小的激光束，

使材料熔化而不使其气化，在冷却后成为一块连续的固体结构。激光在工业领域

中的应用是有局限和缺点的，比如用激光来切割食物和胶合板就不成功，食物被

切开的同时也被灼烧了，而切割胶合板在经济上还远不合算。

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。准分子激光打

标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，

已广泛用于微电子工业和生物工程。

激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性

轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大

功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔

的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值

的平衡精度可达1%或千分之几微米。

激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可

加工0.125 ～1 微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。

激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01% ～0.002%，

比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻（0.01～0.6

微米厚）与厚膜电阻（20～50微米厚）的微调、电容的微调和混合集成电路的微 调。

激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种

技术，是信息化时代的支撑技术之一。

激光划线技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高（线宽为15～ 25微米，槽深为5 ～200 微米），加工速度快（可达200 毫米/ 秒），成品率可

达99.5% 以上。

激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品 率。

激光热、表处理技术包括：激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合

金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技

术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。

激光相变硬化（即激光淬火）是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、 应用最广的一种新工艺，适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位，可提高

零件的耐磨性和疲劳强度，国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。

激光包覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一，具有很好

的经济性，可大大提高产品的抗腐蚀性。

激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法，是未来应用潜力最

大的表面改性技术之一，适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要

改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。

激光退火技术是半导体加工的一种新工艺，效果比常规热退火好得多。激光

退火后，杂质的替位率可达到98% ～99% ，可使多晶硅的电阻率降到普通加热退

火的1/2 ～1/3 ，还可大大提高集成电路的集成度，使电路元件间的间隔缩小到

0.5 微米。

激光冲击硬化技术能改善金属材料的机械性能，可阻止裂纹的产生和扩展， 提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。

激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度，速度比无激光照射快1000倍，对

微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大

意义。使用该技术可使电镀层的牢固度提高100 ～1000倍。

激光上釉技术对于材料改性很有发展前途，其成本低，容易控制和复制，有

利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术，在控

制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁

材料和其它电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。

激光在电子工业中也得到广泛应用。可以用它来进行微型仪器的精密加工， 可以对脆弱易碎的半导体材料进行精细的划片，也可以用来调整微型电阻的阻值。

随着激光器性能的改善和新型激光器的出现，激光在超大规模集成电路方

面

的应用已经成为许多其他工艺所无法取代的关键性技艺，为超大规模集成电路的

发展展现出令人鼓舞的前景。

激光技术是高科技的产物，其产生又推动了科学研究的深入发展，并开拓出

许多新的学科领域，如非线性光学、激光光谱学、激光化学、激光生物学等。激

光被用来研究与生命密切相关的光合作用、血红蛋白、DNA 等的机制。激光还将

成为时间和长度的新标准，以后任何高精度的钟表和米尺都可以用某一特定波长

的激光束来标定。

激光在核能应用上也将大显身手。乐观的专家们估计，到2020年强大的激光

会产生安全经济的热核聚变，这类似恒星内部的核反应过程。如果实现，热核聚

变将带来巨大无比的社会和经济效益，能源危机亦将不复存在。到那时，一桶水

中的氢聚变后所产生的电力足够一个城市使用。

目前，激光技术已经融入我们的日常生活之中了。在未来的岁月中，激光会

带给我们更多的奇迹。

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中国的工来激光市场应该在全球占据着重要地位，但统计资料表明，中国的激光加工市场，不到全球激光产业市场的1%，存在着巨大的差距。

在世界上第一台红宝石激光器出现的第二年，中国就研究出了自己的红宝石激光器，此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果，各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。

在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，并显示出强大的生命力和竟争力。

在材料加工领域，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益，这是中国激光材料加工的雏形，但是未能形成气候，直正得到重视并实质性起步，还是在改革开放后，特别是“发展高技术，实现产业化“的政策向导下，我国才有了真正意义上的激光产业。

1987年1月，中国光学行业协会成立，后改名为中国光学光电子行业协会，其下设有激光分会。据1998年该行业协会对我国激光产业状况的调研统计，全国主要激光产品生产单位约100我家，从业人员6400人，人均销售额12.5万元，主要分布在湖北、北京和上海。我国的激光产业由1988年的1亿元增加到1998年的8亿元，平均年增长22.3%，10年总销售额达41.2亿无。1998年出口1120万美元，占总值的11.6%。

体现激光材料加工的发展水平有三个方面的因素：第一是激光器技术，即应用于激光材料加工的激光器件技术；第二是激光设备加工的机械控制系统等，即激光加工设备；第三是激光加工工艺水平。 目前，我国在工业激光器水平有了许多重要进展：CO2激光器（100W~5KW）以及YAG激光器（30W~500W）已经有了系列化产品，有

5个工厂已形成了年产20到50台500W~5KW模流CO2激光器的生产能力，有生产500W~3KW轴流CO2激光器的10台~20台能力的厂2家，这种激光器主要用来作激光切割，此种激光器到2001年底，共生产和销售了近600台，此外，激光加工用的YAG激光器（包括连续、准连续、脉冲激光），到2001年底共生产、销售了约3000台，其中以30W、50W、100W、200W为主，已形成YAG激光器生产能力的工厂和研究所有10余家，以上足以说明我国激光器已被企业科研院所、高校采购的国产各类激光器超过4000台，中小功率的准分子激光器也已开发成功，400W准分子激光器已通过鉴定，研究单位在制备薄膜、光刻、清洗方面试用。

我国主要CO2激光器加工机批量产品有CO2激光热处理机、CO2激光切割机、小功率CO2激光雕刻机及CO2激光标记机，主要生产CO2激光热处理机的企业有6家，生产中高功率CO2激光切割机有5家，生产CO2激光雕刻机的4家，生产CO2激光标记机的在6家以上。其中激光热处理机用于发动机缸体、气缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴及治金工业的轧辊、导板等易损件的热处理，也有多种专用机在生产线上应用。激光切割机主要用于金属板、木模板、塑料板等切割成型；激光雕刻机用于图章及柔版雕刻；激光标记机用作电子元器件、物品包装等生产线上打标。

我国YAG激光加工机批量产品有激光标记机、激光焊接机、激光划片机、激光电阻微调机、拉丝模激光打孔机以及掩模板激光修正设

备等，已形成批量或小批量生产的企业（研究所）17~18家，已经能部分满足国内生产企业应用，并出口到多个国家和地区。

随着激光加工技术的发展和应用，推动了我国生产各类激光加工产品和零部件企业如雨后春笋般成立和壮大，并在全国有一个分布，目前有多家超过千万元的企业，主要分布在湖北、北京、广东、上海、山东、江苏，其它有辽宁、广西和浙江，其中有三家企业年销售额超过5000万元。

目前，激光材料加工已经在中国成为一个新兴产业，激光企业已经达到规模化生产水平，有成熟完善的激光产品和批量生产能力，有完整的产、供、销、维修服务体系，大部分激光企业都已经通过了各种质量体系认证，激光材料加工企业已经形成具有一定规模的激光产业群，并具有地区颁布优势，一般集中在科研力量雄厚和经济较为发达的省份，为以后的发展奠定了良好基础。

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