雷射加工技術的應用

雷射加工技術是當今時代最具技術先進性的加工製造技術，較傳統加工方式有著顯而易見的競爭優勢。自上世紀七十年代雷射加工技術蓬勃興起，現已形成了雷射切割、雷射雕刻、雷射焊接、雷射打標等幾十種雷射加工技術。雷射加工技術的高速高精度低耗等優勢使得其被大範圍推廣應用，現已廣泛應用於微電子電器、汽車、航空航天、機械製造、印刷包裝等國民經濟的重要領域，對於提高勞動生產率、提高產品質量、實現自動化生產、保護環境、減少材料資源消耗、降低生產成本等起著十分重要的作用。

雷射全稱為「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，這樣的光即為雷射。雷射與計算機、原子能、半導體共同被視為是二十世紀的四項重大發明，對人類社會的進步發展有十分重要的作用。

雷射具有很多一般光源所不具備的特性：第一，雷射束的發散度極小，幾乎為平行，所以雷射方向性極好；第二，雷射的亮度極高，能夠照亮超遠距離的物體，由於雷射是定向發光，光子大都集中在一個小的範圍內發射，所以雷射能量密度極高；第三，雷射波長分布範圍非常窄，因此雷射單色性很好，顏色極純；第四，高度一致的光學特性使得雷射各光束間具有很好的相干性。

雷射最為典型的應用就是雷射加工，雷射加工可分為冷加工和熱加工兩類。雷射經過透鏡等聚焦系統聚焦後作用於金屬或非金屬材料表面，利用雷射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，這種基於光熱效應的加工被稱為「熱加工」。當用某類波長的高能量雷射束照射到聚合物這類的材料時，可由光子引發或控制光化學反應，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於光化學沉積、雷射刻蝕和雷射照排等。其中熱加工的應用較為廣泛。

雷射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衝擊，工件幾乎不會發生變形，且雷射是對局部進行加工，對非雷射照射的部分幾乎沒有影響，所以雷射加工是高速、高效、高精度的加工方式。雷射加工技術是光與機電技術的結合，雷射光束的移動速度、功率密度和方向等都可以調節，易與數控系統配合來對複雜工件進行加工，可由此對其實現不同層面和範圍的應用。

雷射模切技術是根據在軟體中設計好的工件圖樣，將雷射束聚焦後直接對材料表面完成模切或壓痕效果的一種切割方法。雷射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。由於無須更換模切刀版，也可實現不同版式工件之間的快速轉換，這樣節省了傳統模切刀版調整時間，尤其適用於輕薄、異形工件的加工。

典型的雷射模切系統應該包括有雷射器、掃描系統、控制系統、冷卻系統、惰性氣體保護室、廢料清除系統以及反饋系統。

圖 1 雷射模切系統構成示意圖-1.雷射器2.電源和控制電路3.計算機4.掃描系統5.Fθ透鏡6.像場。

雷射在模切加工中扮演「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，目前市場上用於雷射加工的雷射器主要有YAG雷射器、CO2雷射器和半導體雷射器等。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雷射或非連續雷射脈衝的CO2雷射器。

雷射雕刻機的主要組成為：雷射器（提供雷射光束，包括聚光腔、反射鏡）、聚焦系統（使高功率密度的雷射能量聚集在小面積上，達到最佳的雕刻效率）、導光系統（改變雷射照射方向）、工作檯（用於承載或移動被雕刻工件）、控制面板（調整和控制電源及雷射器）、水冷系統（調控雷射器內的溫度）。由於主要是對非金屬材料加工，所以雷射雕刻與模切一樣常選用CO2雷射器。為實現高速點陣雕刻和適量雕刻，雷射雕刻大多採用振鏡式導光系統。

先將圖文信息分解成無數切割線條, 然後用雷射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。

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,主要靠輪廓來體現圖文信息；第二種是根據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。

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。此雕刻方法較適用於表達圖文輪廓等。

雷射焊接技術主要用於對金屬及塑料製品進行焊接加工。以前金屬焊接大多採用電阻焊接工藝，但電阻焊存在耗電量大、熱影響區大、接口不美觀、可焊材料厚度受限等問題，所以雷射焊接技術的應用越來越廣泛。雷射焊接金屬的作用機理是用雷射輻射金屬表面，通過雷射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。雷射焊接可分為熱傳導焊接和深熔焊兩種，前者會發生雷射的功率密度較小，輻射能只作用於金屬表面，材料下層則靠熱傳導受熱熔化；深熔焊會產生小孔效應，即輸入雷射能量很大，遠大於傳導及散熱的速率時，照射區域會在極短時間發生氣化形成小孔，孔內壓力形成動態的平衡，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，且改變焊接參數可以使焊縫熔深在較大範圍內變化，所以實際更多採用深熔焊接方式。

接下來討論用於焊接金屬的雷射器的選擇。金屬焊接大多採用YAG雷射器，因為YAG雷射比 CO22雷射更易於被金屬吸收，且受等離子體影響較小，焊接操作靈活。但YAG雷射器運作時易產生大量熱損耗，使雷射腔溫度升高產生雷射熱透鏡效應，從而降低雷射功率和能量轉化效率。YLR光纖雷射器是以光纖為基材，摻雜不同的稀土離子的光纖傳輸傳輸，具有體積小、成本低、雷射功率高等優點，焊接熔深和速度更高，較YAG雷射器更勝一籌。

雷射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、熱影響區小、深寬比大、焊縫美觀等優點，易實現自動化，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。

對於塑料材料工件而言，傳統的塑料焊接主要採用超聲波焊接、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汙染, 塑料雷射焊接的高精度和無接觸性正好可以滿足這樣的要求。

雷射焊接塑料的方法主要有兩種，一種是遠紅外 CO2 雷射焊接塑料（簡稱 NCLW），一種是近紅外雷射焊接熱塑性塑料的雷射透射焊接（簡稱 TTLW）。NCLW是用雷射熱源在一定壓力的維持下使塑料軟化或熔化，之後撤掉熱源使塑料冷卻凝固實現焊接。TTLW需要待焊兩塑料上部吸收率小到儘可能透射雷射,下部吸收率高，先將兩邊塑料相接觸， 然後雷射穿過透過雷射塑料部分被吸收雷射塑料部分吸收，吸收雷射塑料部分受熱軟化或熔化，透過雷射塑料部分也由於熱傳導也軟化或熔化，當熔核的尺寸達到要求時，撤掉雷射源，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,實現塑料的焊接。該種焊接方法能應用於對接接頭的焊接，但更多應用於搭接接頭的焊接。

圖 2 塑料雷射透射焊示意圖

塑料焊接雷射器大多選用容易實現數控和自動化的摻釹釔鋁石榴石合成晶體（Nd:YAG）雷射器和效率高、輸出功率小、便攜的半導體雷射器。塑料焊接有時也使用CO2雷射器。但是CO2雷射的穿透性能較差,主要用於薄膜焊接。光纖雷射光源質量高，效率高，且系統體積小、方便移動和維修。未來光纖雷射器將會逐步取代 Nd：YAG 及二極體雷射器，廣泛應用於塑料焊接領域。

雷射打標是應用範圍最廣的一項雷射加工技術，其機理是通過雷射對工件的局部照射，使表面材料瞬間融熔氣化或者發生顏色變化，從而留下永久性的文字、圖案等的標記。雷射打標對工件表面不會產生腐蝕，且加工後不會產生應力而影響原有精度，所以雷射打標技術應用範圍很廣，對不同材料打標的原理、系統組成基本相同，只需通過實驗找出對每種材料最適合的參數設置即可完成對不同材料的雷射打標。

雷射打標系統由雷射器（大多採用Nd:YAG 雷射器）、振鏡部分（驅動信號控制振鏡偏轉使雷射輸出點掃描出圖文）、數控部分（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（包括雷射電源、聲光電源、水冷系統的控制）四部分組成。

雷射打標過程是首先通過計算機軟體編輯好所需的圖文信息，轉為打標軟體能識別的格式，導入振鏡伺服控制卡轉換成振鏡能夠識別的信號。這些電信號傳輸到掃描振鏡使會使振鏡在Ｘ、Ｙ二個方向維度範圍內擺動，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製信號，使連續的雷射調製成非連續的雷射脈衝，即可將掃描出的圖文標記信息顯示在被加工工件上。

影響雷射打標圖文效果的主要因素有雷射掃描的速度、光點的直徑、雷射的功率等。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後降低。

接下來討論打標雷射器的選擇。CO2氣體雷射由于波長只能被非金屬材料吸收所以只適用於非金屬材料的打標，而YAG雷射對金屬、非金屬材料均適用。摻稀土元素的光纖雷射器與CO2、YAG 雷射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。紫外雷射打標一種是新研發出的雷射冷加工技術。紫外光能量密度高，光束質量好，聚焦光斑極小，熱影響區域極小，可實現超精細標記，多用於打標玻璃等非金屬材料。

雷射打標具有速度快，標記精細且耐久性好，非接觸式加工，加工方式靈活，易於與自動化加工生產線相結合等優點。可製作出複雜的不易被仿製或篡改的圖文標記，所以也起到了很好的防偽作用。隨著消費需求的擴大和雷射打標技術的日趨先進,其在各行業中的應用會越來越廣泛。