材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等。该技术涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科。激光自其诞生之日来，已对人类生活产生了巨大影响。其应用已渗入到人类生活的方方面面，比如监测、检测、制造业、医学、航天等。工程上常用来进行选择性加工，精密加工等。由于激光加工的特殊特点，其发展前景广阔，目前已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、切削加工，快速成形，激光钻孔和基板划片，半导体处理等。作为一种先进的制造技术，激光加工技术对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用，对国民经济的发展也起到了很大的推动作用。
【关键词】激光加工；原理；应用；前景
0 前言
激光是最重大的发明之一，具有巨大的技术潜力。它具有强度高、方向性好、单色性好的特点，因此特别适合进行材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技术。从早期功率小、多用于打小孔和微型焊接到现在的大功率二氧化碳激光器和高重复频率钇铝石榴石激光器，激光加工技术有了很大进展。激光的空间控制性和时间控制性很好，能够自由地对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境进行控制，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。
1 激光加工的原理
1.1 激光的特性
激光是一种光，它具有一般光的共性（折射、反射、干涉等）。由于激光发射是受激辐射为主，因而发光物质中基本上是有组织地、相互关联地产生光发射的，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位相关系，所以激光拥有强度高、单向性好、相干性好和方向性好这些特性[1]。
1.2 激光加工的原理
由于激光的发散角小和单色性好，理论上可以聚焦到尺寸与光的波长相近的小斑点上，再加上其强度高，因此其加工的功率密度可达到108～1010W/cm2，温度可达1万摄氏度以上。在这样的高温下，任何材料都将瞬时急剧熔化和汽化，并爆炸性地高速喷射出来，同时产生方向性很强的冲击。因此，激光加工是工件在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。
1.3 激光加工的设备及加工流程
激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统及机械系统等四大部分。目前常用的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器，如图1、图2所示。
激光加工过程大体上可分为如下几个阶段：
1）将激光束照射工件（在照射过程中，光的辐射能部分被反射，部分被吸收，部分因热传导而损失）；
2）工件材料吸收光能；
3）光能转变成热能使工件材料无损加热（激光射到工件材料的深度很小，所以在焦点的中央，工件的表面温度迅速升高）；
4）工件材料发生熔化、蒸发、汽化并溅出，从而从工件上去除或破坏掉；
5）作用结束以及加工区冷凝。
1.4 激光加工的特点
1）激光加工的光斑大小可以聚焦到很小，甚至微米级，而且输出功率可进行调节，因此适用于进行精密精细加工；
2）激光加工为非接触加工，无机械力作用于工件上，所以对工件不会产生损伤，也不会产生工具的损耗问题；
3）激光加工的速度快，热影响区小，容易实现加工过程的自动化；
4）激光加工设备装置简单；
5）激光加工可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行加工。
2 激光加工的应用现状
由于激光加工有其它加工工艺无法比拟的优点，因此它被广泛应用于很多行业进行材料加工、零件制造等，例如激光快速成形技术、激光切割技术、激光打孔技术、激光焊接技术、激光打标技术、激光熔覆技术、激光近形（LENS）制造技术、激光划线技术、激光热处理和表面处理技术等。
2.1 激光快速成形技术
激光快速成形技术是根据零件的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，如图3所示。该技术已在航空航天、电子、汽车等工业领域得到广泛应用。美国、日本、德国已相继开发出多种快速成型技术，如液体光敏树脂固化、熔融沉积成型、实体叠层制造、分层固化、选择性激光烧结、3D喷射印刷等技术[2]。
2.2 激光切割技术
激光切割技术是采用重复频率较高的脉冲激光器或连续输出的激光器，将材料置于激光热源的照射下，引起照射点材料温度急剧上升从而熔化、汽化被切材料。通过工件与激光束的相对移动，同时用平行光轴的强气流吹走熔化或汽化了的材料，形成光滑的切缝，如图4所示。它既可以切割金属，也可以切割非金属；既可以切割无机物，也可以切割有机物。
2.3 激光打孔技术
激光打孔技术与激光切割技术基本原理相同，都是使材料在激光热源照射下产生一系列热物理现象。利用激光几乎可以在任何材料上打出微小的孔，如图5所示。目前，激光打孔技术已应用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴加工、钟表及仪表中的宝石轴承打孔等方面。在国外，激光精密打孔已经达到很高的水平。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔，可以加工直径从20μm到80μm的微孔，并且其直径与深度之比可达1：80。激光束还可以在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔、方孔等[3]。
2.4 激光焊接技术
激光焊接是将聚焦后的高强度激光直接辐射至材料表面，材料吸收的光能通过热传导向内部扩散，使工件达到一定的熔池深度实现焊接，如图6所示。激光焊接主要优点是能焊接多种金属，焊接部位狭小，深腔焊接不变形，焊池周边无凹陷现象，能补焊极硬钢板材料，焊接不击穿薄板材料，焊接工艺高超，焊缝整齐美观。国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。在激光焊接方面，世界领先的国家有德国、瑞士、美国和日本[4]。目前，高强铝合金激光焊接成果已经成功应用于空客飞机制造中。
2.5 激光打标技术
激光打标是在机械设备或产品上用激光器打上特殊标记和符号，如图7所示。该技术在激光技术应用中占据最重要位置之一。其应用非常广泛[5]，目前已应用于电子工业、汽车工业、工具量具、航空航天、仪器仪表、包装工业、医疗产品、家用电器、键盘、面板、广告标牌、证件卡片、日常用品和珠宝钻石等领域。标记的材料是各类金属和非金属，如不锈钢、铝合金、有机玻璃、塑料、陶瓷、合成材料、木材、橡胶、皮革制品、纸制品、印刷电路板、多种电子电器元件、香烟、钮扣、雷管、金属零件以及食品包装、药品包装等。
2.6 激光熔覆技术
激光熔覆技术是一种重要的材料表面改性技术，亦被称为激光镀覆或激光表面硬化。它是以高能密度的激光为热源在基材表面熔覆一层熔覆材料，使之与基材实现冶金结合，在基材表面形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层的表面改性方法。主要应用[6]诸如模具和汽轮机发动机零部件等的修复，如图8所示。
2.7 激光近形（LENS）制造技术
激光近形制造是基于局域送粉的金属零件快速制造方法，它是在激光涂覆技术的基础上发展起来的。在航空领域，它可用于钛合金结构件的直接制造和制作大型带加强筋的整体薄壁结构零件[7]，还可用于大型金属零件的修复，如汽轮机叶片的修复等，如图9所示。目前，该技术已经成为美国航空航天国防武器装备大型钛合金结构件的核心制造新技术之一。
2.8 激光划线技术
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、加工速度快、成品率高。例如[8]，它能开出狭窄的切口，几乎没有残渣，热影响区小，噪声小，并可以节省15%～30%的材料。
2.9 激光热处理和表面处理技术
激光热处理和表面处理技术是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，如图10所示。它可以对金属实现相变硬化、表面合金化等表面改性处理，产生用其大表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上，从而提高起抗磨性，抗疲劳，耐腐蚀，抗氧化等性能，延长其使用寿命。
2.10 激光雷达技术
激光雷达用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。它由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成，是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。它具有高角分辨率、高速度分辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力和良好的隐蔽性等优点，在很多领域，尤其是在军事领域、大气环境监测领域中得到了广泛的应用[9]。
2.11 激光全息照相技术
激光全息照相技术是利用激光的相干性原理，将物体对光的振幅和位相反射（或透射）情况同时记录在感光板上，形成三维空间的立体图像。其工作原理如图11所示[10]。
激光全息照相技术能够将物体表面发出的全部信息记录下来，并能完全再现被摄物体光波的全部信息，因此，该技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛的应用。
3 激光加工技术的展望
随着资源储量的日益减少，本着可持续发展的思想，激光加工技术作为新时代的新型加工工艺，对提高产品质量、劳动生产率、自动化生产、“绿色制造”、减少材料损耗等方面起着越来越重要的作用[11]。同时，随着科学技术的发展，激光加工技术也得到了其它高新技术的有力支撑。激光产品必然有着非常广阔的前景[12]。
目前我国的激光加工技术与国外仍存在着一定的差距，尤其体现在激光加工系统的核心部件品种少、技术落后、可靠性差，对加工技术的研究少，对精细加工技术的研究更为薄弱，对紫外波激光进行加工的研究进行的极少，激光加工设备的可靠性、安全性、可维修性、配套性较差，难以满足工业生产的需要。而且许多有市场前景的成果停留在实验室的样机阶段。因此我们在保持对现有技术的持续改进的基础上，还应顺应时代发展要求，积极探索、开发更多具有实用价值的激光加工技术，将研发中的激光技术转化为实用的加工技术，拓宽激光加工的领域，在电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业领域内进行激光技术的改造，为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。如此，必能推动我国电子、机械制造业等的水平迈上一个新的台阶。
4 结论
激光加工技术是对传统加工技术的一次革命，是国家生产力的进步。它对传统加工技术和新兴产业的发展，对国民经济的发展起着巨大的推动作用。只要我们将已经成熟的激光技术转化为生产力，加快技术改进，提高光束质量与加工精度，结合材料的加工工艺研究，尽可能地占领激光精密加工市场，就可以推动激光加工技术的迅速发展，并最终会使激光加工形成较大的规模产业。
【参考文献】
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[12]孙会来，林树忠.激光加工技术应用及发展趋势[C]//第十届全国机床学术会议.2002，12：87.
[责任编辑：丁艳]
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