前言
激光加工技术研究是河北工业大学“211工程”重点学科建设项目之一，该项目自2002年开始进行理论与实践研究，经过两年多的研究，在YAG激光扫描加工、激光打标、激光焊接、激光切割、激光打孔、激光去重平衡等方面取得了初步的成果，激光加工技术的发展，使传统加工技术发生了新的飞跃，目前，激光加工技术得到了越来越广泛的应用，具有非常广阔的市场前景，在国民经济和工业发展中发挥着日益重要的作用。
激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，从而达到加工的目的，按照激光与被加工工件之间作用机理的不同，可将激光加工分为两类：一类是激光热加工，一类是激光冷加工。激光热加工是指激光作用于加工工件表面所引起的快速热效应的各种加工过程，如激光焊接、激光打孔、激光切割等；激光冷加工是指激光借助高能量高密度光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，亦称为激光光化学反应加工，如激光刻蚀、激光掺杂、表面氧化等。
激光加工技术应用的领域非常广泛，如机械制造、纺织、医疗器械、汽车、航天航空、电子电器、电站电机、量具刃具、冶金、化工、包装、测量、建筑以及工艺装饰等行业，在发达国家的加工行业中，已经逐步进入了激光加工的时代。日本的激光加工已经占到整个加工业的10%以上；在激光医疗及激光检测技术方面美国处于领先地位，美国也是最早将高功率激光器引入汽车工业的国家；在激光材料加工设备方面，德国走在了世界前列。据统计，全球现在有激光加工站5000多家，主要分布在美国、日本和欧洲。
我国的激光加工技术研究虽然与世界先进水平有一定差距，但起步也并不晚，1961年就研制成功第一台红宝石激光器。但激光加工技术真正得到长足发展，还是在改革开放以后，发展较快的地区是湖北、北京、上海等省市，以激光为特色的光电子信息产业，作为一支产业新军迅速崛起。不论从科技、经济、以及社会效益上，都取得了重要成就和巨大进步。
1 激光加工技术特点
激光具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好、空间控制和时间控制性好等优越性能，容易获得超短脉冲和小尺寸光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，几乎能加工所有的材料，例如，塑料，陶瓷，玻璃，金属，半导体材料，复合材料等等，以及生物/医用材料，特别适用于加工自动化，而且对被加工材料的形状、尺寸和加工环境要求很低，激光加工具有很多优点，如下所述。
激光加工属无接触加工：激光加工是通过激光光束进行加工，与被加工工件不直接接触，降低了机械加工惯性和机械变形，方便了加工。同时，还可加工常规机械加工不能或很难实现的加工工艺，如内雕、集成电路打微孔、硅片的刻划等。
加工质量好，加工精度高：由于激光能量密度高可瞬时完成加工，与传统机械加工相比，工件热变形小、无机械变形，使得加工质量显著提高；激光可通过光学聚焦镜聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，如PC机硬盘高速转子采用激光平衡技术，其转子平衡精度可达微米或亚微米级。
加工效率高：激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍；激光打孔特别是微孔可比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍；激光焊接比常规焊接提高效率几十倍；激光调阻可提高效率上千倍，且精度亦显著提高。
材料利用率高，经济效益高：激光加工与其他加工技术相比可节省材料10～30%，可直接节省材料成本费，且激光加工设备操作维护成本低，对加工费用降低提供了先决条件。
激光加工具有优越的加工性能，使得激光加工技术得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。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、激光刻蚀技术、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。下面以几种常用的加工工艺为例进行简单的介绍。
1.1 激光快速成型技术
激光快速成型技术是上世纪80年代发展起来的一门高新技术，它是利用激光技术、CAX技术、自动控制技术和新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一门多学科综合技术，激光快速成型技术一改传统加工“去除”成型加工工艺，改为“堆积”成型加工工艺，在加工领域具有划时代的意义，激光快速成型技术中LOM工艺，是利用CAD模型设计功能和CAM加工制造功能，不需要工程图纸，将设计模型数据直接切片生成加工代码，快速制造出设计模型样件或样机。在新产品开发设计阶段，采用激光快速成型技术可有效缩短设计周期，如河北工业大学快速成型中心，对某型号汽车除霜管设计制造在一两天中即可完成，并取得了良好的效果。目前，激光快速成型技术广泛应用于航空航天、汽车、玩具制造等行业。
1.2 激光焊接技术
激光焊接是利用高能量激光束照射焊接工件，工件受热融化，然后冷却得到焊接的目的，激光焊接的显著特征是大熔、焊道、小热影响区，以及高功率密度，大气压力下进行不要求保护气体，不产生X射线，在磁场内不会出现束偏移，更加之该法焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料便于实现遥控等优点，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料，因此很快在电子行业中实现了产业化，激光焊接有两种基本方式：传导焊与深熔（小孔）焊。国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平，另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响，日本自90年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变，目前，激光焊接主要应用在汽车行业，如汽车车身的焊接（美国福特汽车公司，日本本田、尼桑汽车公司等），底板焊接（西德大众），发动机悬架焊接（奥迪轿车）等等。
1.3 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，已成为现代制造领域的关键技术之一。激光打孔在微细孔加工中的应用，解决了一些传统机械加工不能解决的难题，为微孔加工提供了先进的加工手段，在上世纪90年代，激光打孔技术就朝着多样化、高速度、高精度、直径更微小的方向发展，例如在飞机机翼上打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，取得节油40%的良好效果，我国从上世纪60年代开始在钟表行业中使用激光加工技术，对宝石轴承进行激光打孔。
1.4 激光切割技术
自从1967年Sullivan和Houldcroft首先提出并实现用吹氧气法进行金属激光切割以来，激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区域小、加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而应用越来越广，激光切割技术可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。目前，激光切割主要应用在航空航天工业和汽车制造业中，如飞机框架、尾翼壁板、飞机主旋翼、汽车车架等切割。
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1.5 激光打标技术
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量到微米量级，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，目前，广泛用于微电子工业、生物工程、食品包装和防伪鉴别等领域。
1.6 激光刻蚀技术
自从首次报道准分子激光能获得快速、高分辨光刻以来，人们在八十年代即对准分子激光光刻进行了大量研究。尽管电子束、X射线、离子束具有更短的波长，在提高分辨率方面有更多好处，但曝光源、掩模、抗蚀剂、成像光学系统方面存在极大的困难，而相反，准分子光刻有着明显的经济性和现实性，它将光学光刻扩展至DUV和VUV，其高功率大大缩短了基片曝光时间，分辨率易获得亚微米线宽，掩模和抗蚀剂问题易解决。1992年美国IBM公司将准分子光刻机用于生产线上，商品化的XL-1型193nm光刻机能获得0.25μm线宽光刻胶图形，最近的相移掩模技术，将准分子光刻分辨率提高到0.13μm以下，另一方面，准分子激光直刻有机和无机物材料方面有着独到之处，单脉冲去除深度在0.05～0.1μm之间，这使得通过简单的脉冲计数即可获得高精密切削，将准分子光刻装备进行适合于材料加工的改进，如使掩模及整个光学系统能承受更大激光峰值功率密度，采用高倍率投影物镜，设计实时残渣去除系统等等，则非常适于新近迅速发展起来的微结构、微机械的加工技术。目前，英国Exitech公司，德国Microlas公司，日本浜松光子公司先后推出了商品化微结构加工用准分子激光微加工装备，激光刻蚀技术主要应用在高集成度电路的制作。
1.7 激光微调技术
激光微调主要用于调整厚膜电路或薄膜电路中的电阻、电容以及其他多种功能参数，激光调阻时，受到照射的部位受热汽化挥发，阻值区域截面面积减小，随之阻值增大。过去对厚膜电阻采用机械磨蚀法，对薄膜电阻采用电火花烧蚀法，但这种调整法的精度、效率都很低，对工件产生严重污染，引起调阻后阻值漂移，改用激光微调则有很大的优越性，激光微调的实质是打孔，每次打孔都很浅，约至几十纳米至几十微米之间，然后通过连续不断的打孔，搭接成一条线。激光微调电阻除用强光照射将部分电阻膜气化外，还可通过无损伤照射改变膜的结构达到调整阻值的目的，激光调阻技术主要应用于精密电阻阻值调解，精度可达0.1‰～0.02‰。
1.8 激光存储技术
光存储是最早预见的激光应用领域之一，激光存储技术是信息以反射/非反射带（正常表面和凹坑）的序列编码，已达到信息存储的目的。目前，计算机所用的可写CD-ROM就是一种激光信息存储和信息再现的介质。随着信息技术的发展，对信息存储的要求越来越高，数字视频光盘(DVD)是下一代光存储器，其存储能力是CD-ROM的7倍，因数据存储密度与激光波长的平方成反比，所以，发展波长更短的激光是提高激光存储技术的关键。
1.9 激光划线技术
与传统划片法相比，激光划片有很多优点，例如，它能开出狭窄的切口、几乎没有残渣、热影响区小、噪声小，并可以节省材料15%～30%。由于激光对划片材料几乎不产生机械冲力和压力，加上激光光斑小、划缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精密加工。瑞士某公司利用固体激光器进行精密加工，其尺寸精度已经达到很高的水平，激光划片制作印刷电路板PCB中表面安装用模板(SMT Strncil)与传统的SMT模板化学刻蚀法相比，其划线细、精度高(线宽为15～25μm，槽深为5～200μm)，加工速度快(可达200mm/s)，成品率可达99.5%以上。化学刻蚀法其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚，且工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境，采用激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成品模板进行再加工，特别是加工精度及缝隙密度明显优于后者，制作费也由早期的远高于化学刻蚀到现在的略低于前者，但由于用于激光加工的整套设备技术含量高，售价亦很高，目前仅美国、日本、德国等少数国家的几家公司能够生产整机。
1.10 激光清洗技术
激光清洗技术是工业生产等许多领域中的重要环节，传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法。他们在环境保护和高精度要求方面的应用受到很大的限制。激光清洗技术是近10多年来发展起来的新型清洗技术，它以自身的特点和优点得到了很好的应用，展示了广阔的应用发展前景，集成电路硅基片的加工和光刻技术、微组装技术等关键技术要求相当严格，光刻技术现在已达到0.13μm以下水平，在此高精度的要求下，器件的清洗要求也非常严格，即使采用传统清洗法中精度最高的超声波清洗法进行清洗，也无法清除掉微电子产品中的次微米（0.5μm以下）微小颗粒，影响高精度电子工业的发展，激光清洗技术的使用有效地解决了集成电路的清洗。
1.11 激光热处理
激光热处理是指利用激光高能量密度的能量照射金属材料表面时，材料表层温度迅速升高，当激光停止作用后，材料基体温度迅速下降，从而使材料表层经历一个热处理过程，通过控制激光功率、功率密度分布、激光作用时间等参数，改变金属热循环形式，从而可以完成材料表层的淬火或退火等工艺，我国从上世纪70年代研制成功千瓦级CO2激光器之后，激光热处理的工业应用也取得了重要的成就。激光热处理主要应用于汽车工业（如美国通用汽车缸套热处理生产线）和精密机械微小零部件的热处理。目前，激光热处理技术由于成本高、控制复杂，还处于实验室技术层面，还没有大范围、大面积的工业化应用。
1.12 表面处理技术
激光表面处理主要包括以下几方面的工艺：激光表面相变硬化(LTH)、激光表面熔化(LSM)、激光表面合金化(LSA)、激光表面涂覆(LSC)以及激光表面冲击硬化(LSH)。激光表面相变硬化是用高能量激光束照射材料表面，使表面温度达到相变温度点以上，当激光束移开后，由于基体的传热使表面快速冷却（自淬火），从而使材料表面硬化的一项技术；激光表面熔化可使材料表面得到细晶组织、非晶态和亚稳相，在满足材料表面某些方面需要，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显示出独特的优点；激光表面合金化是利用激光照射使材料表面熔化并提供给表面（预覆或喷射）的合金元素的物质熔化、混合均匀，以便在材料表面形成一个理想的合金层，从而改善材料表面性质的工艺；激光表面涂覆和激光表面合金化技术相似，激光表面涂覆经常用来提高材料的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能；激光表面冲击硬化是利用激光脉冲使材料表面薄层（几个原子厚）快速蒸发，在表面原子移走的时候，发生动量脉冲并产生一个冲击波或应力波，对材料表面产生残余压应力，从而达到改善材料疲劳寿命的目的。
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2 激光加工技术的发展趋势
数控化和综合化：把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。
小型化和集成化：可进行几种工艺研制和生产加工的激光加工系统，已成为激光加工的另一发展趋势。国外己把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。
2.1 高频度和高可靠性
激光加工系统的可靠性是实现稳定加工的关键技术和前提条件，目前，国外YAG激光器的重复频度已达2000次/s，二极管阵列泵浦的Nd:YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1～2万h。
2.2 短波长和高精度
波长短是实现高精度加工的前提，目前，国外发达国家激光加工的成熟技术是0.13μm，而日本有90nm波长的激光报道，美国摩托罗拉公司有30nm波长的激光报道。
加工新技术及新领域：随着激光加工技术的不断发展和成熟，激光加工新技术以及应用新领域有待进一步的研究和开发，例如，无粒子数反转激光机制、激光选择化学反应、光计算机、激光电视等。
目前，我国激光加工技术虽然得到了飞速的发展，但从总体来说还处于相对落后的水平，激光器质量、激光加工工艺、导光系统以及高速传动和精密定位系统等方面的技术不够先进，是制约我国激光加工技术发展的关键难题。
为了更快更好地发展我国的激光加工技术，使之迅速赶上世界先进水平，应当制订长远的战略发展目标，把制约激光加工技术发展的关键难题作为科学研究的主攻方向，同时进行具有规模效益的产业化发展，还要具有良好的政策和外部环境，一些发达国家的经验和做法，也是可以借鉴的。比如，日本对激光加工技术的研究开发，是建立工业界、大学和政府联合开发体制，在重要领域由国家选定目标，集中国家、企业界和高等学府的优势，共同研究开发激光加工技术，美国和欧洲发达国家政府都专门拨款用于研究开发激光加工技术，许多实力雄厚的跨国公司，也竞相投资开展激光加工技术研究，以提高其产品的市场竞争力。
我国政府应当加强基础设施环境支持，给企业提供广阔的发展空间，加速技术创新和提高对人力资源的重视，建立全方位、多层次的光电人才教育体系，为激光加工产业发展提供高素质后备军。建立和完善适应激光加工产业从业人员发展需要的终生教育体系，协调整合激光加工技术科技研发资源，充分发挥企业和高等学校这两个方面的优势和积极性，形成产业发展的强大技术支持，制定吸引人才的政策措施，鼓励企业通过联合攻关，双向多向交流等多种形式手段吸引人才。创造良好的商业服务环境支撑，建立高效的行政管理体制，形成良好的投融资机制，建立风险投资机制，制定优惠政策，吸引国内外风险投资，组织融资推介活动，促进金融资本与技术的结合，培育完善的中介服务机构，建立规范的市场体系，保护知识产权等。作为高等学校，应当积极谋求与企业的联合，把研究的方向定位在国际先进水平和市场的需求上，作为加工企业，应当在外部环境的支持下，不断提高技术水平和市场判断能力，加快新产品的开发周期，在技术上获得优先，在产品上重视产业化及规模化生产技术的研究，强化工艺技术，规范化生产，注意质量及可靠性，大力提升激光加工技术的竞争水平。
如果可以在技术上获得优先，在产品上重视产业化及规模化生产技术的研究，强化工艺技术，规范化生产，注意质量及可靠性，大力提升激光加工技术的竞争水平，不断创新，那么我国激光加工技术必将在新环境和新技术中获得成功，并在激光加工技术领域取得突飞猛进的进步和发展。
作者：林树忠 孙会来
