激光束加工全解析：类型、原理与应用

什么是激光束加工？

激光束加工（LBM）利用激光束热能从金属/非金属表面去除材料。高频单色光照射工件表面，光子轰击致材料加热、熔化、汽化。最适合低导热脆性材料，但大多数材料均可加工。玻璃加工不熔化表面；光敏玻璃经激光改变化学结构可选择性蚀刻，称为光刻玻璃，可形成精准垂直壁，适合生物基因分析基板等应用。

激光束加工定义

非传统加工方法，激光光束高温作用于工件使其熔化，利用热能去除金属表面材料。

激光类型

主要分气体、固体、准分子激光。常用气体：He-Ne、Ar、CO₂。固体激光以稀土掺杂基质材料，闪光灯/弧光灯光泵浦，红宝石为常用基质。红宝石激光：合成红宝石晶体为介质，氙闪光灯光泵浦。YAG即钇铝石榴石晶体，Nd:YAG为钕掺杂YAG晶体。YAG激光发高能波长；Nd:玻璃为硅酸盐/磷酸盐基质掺钕增益介质，用于光纤激光。

激光束加工主要部件

1. 电源：高压激发电子跃迁至激发态。
2. 闪光灯：提供短时白色相干光。
3. 电容：储存释放电荷，服务于闪光过程。
4. 反射镜：内/外部反射镜将光导向工件。
5. 透镜：聚焦成像，放大工件标记便于操作。
6. 工件：加工对象，如需钻孔的金属件。

工作原理

单色激光经透镜聚焦至工件，形成极高能量密度（1000kW/cm²）熔化汽化材料。红宝石晶体圆柱体置于约1000W氙闪光灯线圈中，高强白光激发晶体发射激光，经透镜聚焦成极窄光束作用于工件。

应用领域

焊接、熔覆、标记、表面处理、钻孔、切割等。广泛用于汽车、造船、航空航天、钢铁、电子、医疗等行业精密复杂零件加工。激光焊接速度达100mm/s，可焊异种金属；熔覆以硬质材料覆层改善表面；钻切无刀具磨损；双激光三维铣削大幅降本；可改变工件表面性质。轻工业用于雕刻钻孔；电子业用于剥线、电路修整；医疗用于整形、脱毛。

优势

• 单色平行光可聚焦至极小直径，功率密度达100MW/mm²。
• 能雕刻切割几乎所有材料，突破传统切割局限。
• 多种激光类型适配不同需求。
• 非接触无磨损，维护成本中等偏低。
• 高精度，多数工序免后续精加工。
• 配合工艺气体提升切割效率、抑制氧化、保持表面洁净。

劣势

• 设备及配件初始投入高。
• 需高技能人员操作维护。
• 不适合大批量金属加工。
• 能耗大。
• 高熔点材料深切割困难，易产生锥度。

常见问题解答

什么是激光束加工？

利用激光束热能从金属/非金属表面去除材料的加工形式。

激光束加工优势？

复杂图案易自动化、无刀具磨损断裂、浅角切割、高速切割；非接触辐射传能。

激光束加工用何种激光？

气体激光（CO₂、准分子）、固体激光（Nd:YAG、YAG、飞秒激光）最常用。

激光束加工原理？

聚焦激光束击中工件，热能传递致加热熔化汽化去除材料。

激光束特性？

单色性、相干性（时空）、方向性、高亮度。

LBM用何种激光介质？

固体激光中Nd:YAG主导，Nd:YAG、红宝石、Nd:玻璃广泛用于金属加工，Nd:YAG亦可加工陶瓷。

什么是激光制造？

激光基制造应用于陶瓷、聚合物至金属全材料体系，技术进步实现前所未有的精度效率。

激光束加工全程需真空？

不需真空，适用金属非金属；热影响区比其他非传统加工更小。

激光类型分类？

按增益介质分：气体、固体、光纤、液体（染料）、半导体（激光二极管）五大类。

激光束主要特性与应用？

相干性、准直性、单色性三大特性形成高功率微小焦点。

可加工材料？

不受工件导电性限制，塑料到金刚石均可；涵盖钻切槽划标记清洗车削等工艺。

为何不宜大孔深孔？

高功率密度致熔化汽化喷射固体颗粒，随孔径深度增加，喷射颗粒熔融沉积孔壁底部，不利深孔钻削。

设备运行成本？

加工极快、调试经济。

设备运行成本？

运行成本低但设备采购成本高。

激光技术作用？

光存储/传输/打印图文；手术、武器等广泛应用；相干辐射赋予特殊能量。

激光束加工中的粒子数反转？

高能级原子数多于低能级（N2>N1）称粒子数反转；实现方法称抽运。

激光加工应用？

焊接、熔覆、标记、表面处理、钻孔、切割等，服务汽车、造船、航天、钢铁、电子、医疗等精密加工。

激光束加工用电子束？

电子束用高能电子流供热；激光束用高能相干光子供热。

谁发明激光？

Theodore Maiman（休斯实验室）1960年造出首台工作激光器，数月后Nature发表论文。

什么是3类激光？

中等功率，需控制防直视直射/镜面反射光束，重点防眼部暴露。

LBM是否有局限？

仅适用薄壁少量去除；孔径控制难；钻孔微锥度不适合大孔。

激光何时发明？

1958年12月：激光发明。光受激辐射放大技术革命性影响日常生活。

激光能切金属？

可切多材料，典型用于碳钢、低碳钢、不锈钢、钢合金、铝等金属。