第十二章激光加工12-1簡(jiǎn)述激光加工的原理，并畫出示意圖激光加工是一種將高密度激光束投射至物體表面，使其產(chǎn)生光熱效應(yīng)并達(dá)到切割、打標(biāo)、焊接、雕刻等目的的制造技術(shù)。根據(jù)激光基本機(jī)理，理論上可以將激光束聚焦到工件表面上形成一個(gè)功率密度特別大、溫度特別高的光斑。通過光斑的光熱效應(yīng)，可在短時(shí)間內(nèi)完成材料切割。12-2簡(jiǎn)述激光器的組成及分類。激光器由激活介質(zhì)、激勵(lì)裝置和光學(xué)諧振腔組成。（1）激活介質(zhì)是激光產(chǎn)生的前提，該介質(zhì)可以是固體、氣體或液體，也可以是半導(dǎo)體。通過激活介質(zhì)可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，制造獲得激光的條件。（2）激勵(lì)裝置主要用于激勵(lì)粒子體系，使處于高能級(jí)的粒子數(shù)不斷增加，常有電激勵(lì)、光激勵(lì)、熱激勵(lì)和化學(xué)激勵(lì)四種激勵(lì)方式。為持續(xù)輸出激光，必須不斷泵浦，維持處于激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)。（3）光學(xué)諧振腔在激活介質(zhì)和激勵(lì)源的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步采用光學(xué)諧振腔對(duì)受激輻射強(qiáng)度進(jìn)行“放大”，以加速粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。根據(jù)工作介質(zhì)不同，激光器可以分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器四種類型；根據(jù)輸出方式不同，激光器可以分為連續(xù)激光激光器、單脈沖激光激光器、連續(xù)脈沖激光激光器和超短脈沖激光激光器四種類型；根據(jù)激活介質(zhì)的粒子結(jié)構(gòu)不同，激光器又分原子激光器、離子激光器、分子激光器和自由電子激光器四種類型。12-3簡(jiǎn)單舉例激光加工在生活中的應(yīng)用。1．手機(jī)和電腦：手機(jī)背面的品牌Logo，鍵盤上的字母和符號(hào)，很多都是用激光精確雕刻上去的，永久不掉色，非常精致。內(nèi)部的許多微小零部件，如電路板、芯片、柔性線路等，需要用激光進(jìn)行切割、打孔和焊接，精度極高。2.服飾與配件：牛仔褲上的磨白、破洞、做舊效果，皮包、皮帶、皮鞋上精美的花紋或字母，服裝廠用激光來裁剪布料，效率高且效果可控，讓每件物品都顯得獨(dú)一無二。3.珠寶首飾：在戒指內(nèi)側(cè)、吊墜上刻上名字、日期等，切割和焊接貴金屬，以及給鉆石打微孔，精度是傳統(tǒng)工具無法比擬的。4.家居與食品：木質(zhì)的手機(jī)殼、相框、裝飾品上的復(fù)雜圖案和文字，高端不銹鋼鍋具或刀具上的品牌、型號(hào)、材質(zhì)說明，餅干或蛋糕表面的精細(xì)圖案，用激光雕刻又快又好。5.汽車行業(yè)：汽車上的車標(biāo)、儀表盤上的符號(hào)、各種零部件上的編號(hào)等都采用激光打標(biāo)，永久清晰。汽車車身的大量焊接工作由激光機(jī)器人完成，焊點(diǎn)更小、更堅(jiān)固，而且速度非?？?。12-4激光加工技術(shù)的特點(diǎn)有哪些?常用的分類有哪幾種?與其他光源相比，激光具有方向性強(qiáng)、單色性好、亮度高等特點(diǎn)。（1）方向性強(qiáng)光束的方向性由發(fā)散角來表征。發(fā)散角越小，光的方向性越強(qiáng)。由于激光的各個(gè)發(fā)光中心相互連接定向發(fā)射，因此可以將激光束壓縮在很小的立體角內(nèi)，保證發(fā)出的激光處于平行狀態(tài)。（2）單色性好在光學(xué)領(lǐng)域中，“單色”被定義為光的波長(zhǎng)的確定值。單色性好，本質(zhì)上也是說光譜的譜線寬度較小。鑒于激光器輸出的光的波長(zhǎng)分布范圍非常窄，顏色極純，因此能夠保證光束聚焦于一點(diǎn)，形成很高的能量密度。（3）亮度高由于大量光子集中在一個(gè)極小的空間范圍內(nèi)射出，發(fā)射能力強(qiáng)，能量密度集中，所以亮度很高，是普通光源的億萬倍。根據(jù)激光束與材料相互作用特性的不同，激光加工又分激光冷加工和激光熱加工兩類。其中，激光冷加工包括激光雕刻、激光刻蝕、光化學(xué)沉積等，激光熱加工包括激光打標(biāo)、激光切割和激光焊接。12-5簡(jiǎn)述激光打標(biāo)的原理及特點(diǎn)。激光打標(biāo)的基本原理是通過激光器產(chǎn)生高能量密度的激光束對(duì)工件表面進(jìn)行局部照射，光能在工件表面瞬間轉(zhuǎn)換成熱能，使工件表面氣化或者改變顏色，形成任意文字圖案，以作為防偽標(biāo)志使用。激光打標(biāo)的主要特點(diǎn)：（1）永久性標(biāo)記標(biāo)記是直接作用于材料表面或內(nèi)部（如透明材料內(nèi)部雕刻），耐磨、耐腐蝕、不易褪色，具有極強(qiáng)的防偽性。這與容易磨損的油墨噴碼或粘貼標(biāo)簽有本質(zhì)區(qū)別。（2）高精度、高清晰度激光束可以聚焦到極小的點(diǎn)（微米量級(jí)），能夠雕刻出非常精細(xì)的圖案、微小字體和復(fù)雜的二維碼/條形碼，標(biāo)記清晰度高，易于機(jī)器識(shí)別。（3）非接觸式加工激光頭不接觸工件表面，因此不會(huì)導(dǎo)致精密或脆弱工件變形或損傷，不存在傳統(tǒng)雕刻刀頭磨損和更換的問題。（4）加工材料范圍廣適用于絕大多數(shù)金屬（鋼、鋁、鈦等）、多種塑料、陶瓷、玻璃、木材、皮革等。不同材料需選用合適波長(zhǎng)和參數(shù)的激光器（如光纖激光器主要用于金屬，CO?激光器主要用于非金屬）。（5）清潔環(huán)保、安全性高過程無需油墨、化學(xué)試劑等耗材，是純粹的“光加工”，避免了化學(xué)污染。符合食品、藥品等行業(yè)對(duì)包裝標(biāo)記的衛(wèi)生安全要求。（6）操作靈活、易于自動(dòng)化由計(jì)算機(jī)控制，內(nèi)容可隨時(shí)通過軟件編輯和更改，無需制作模具。可輕松與自動(dòng)化生產(chǎn)線集成，效率極高。（7）加工速度快加工過程在瞬間完成，特別適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，能顯著提高生產(chǎn)效率。12-6激光內(nèi)雕加工中哪些參數(shù)需要設(shè)置?它們對(duì)加工質(zhì)量有什么影響?（1）激光功率功率過低無法在材料內(nèi)部產(chǎn)生足夠的能量密度，導(dǎo)致無法形成裂紋點(diǎn)，或者點(diǎn)非常微弱，圖像不清晰。功率過高會(huì)導(dǎo)致單個(gè)爆點(diǎn)過大、能量過強(qiáng)，可能損傷材料、使圖像邊緣毛糙、細(xì)節(jié)模糊。（2）脈沖頻率頻率過低會(huì)導(dǎo)致脈沖間隔過大，打出的點(diǎn)稀疏不連續(xù)，圖像出現(xiàn)斷線。頻率過高在同一個(gè)位置或極小區(qū)域內(nèi)會(huì)接收到多個(gè)脈沖，導(dǎo)致能量累積，爆點(diǎn)過大或不規(guī)則，同樣影響圖像精度和清晰度。（3）掃描速度速度過慢單位面積內(nèi)接收的激光能量過多，類似于功率過高，會(huì)導(dǎo)致爆點(diǎn)過大、材料損傷、效率低下。速度過快單位面積內(nèi)接收的能量不足，爆點(diǎn)微弱或不連續(xù)，圖像模糊、發(fā)虛。（4）聚焦位置焦點(diǎn)必須精確位于材料內(nèi)部想要產(chǎn)生爆點(diǎn)的深度，如果焦點(diǎn)落在材料表面或外部，能量無法集中，輕則無法產(chǎn)生爆點(diǎn)，重則直接損傷材料表面（劃痕或裂紋）。12-7激光切割加工中哪些參數(shù)需要設(shè)置?它們對(duì)加工質(zhì)量有什么影響?（1）激光功率功率過低能量不足以完全熔透材料，導(dǎo)致切割不透、掛渣嚴(yán)重、切割面下部分產(chǎn)生熔漬。功率過高能量過剩，會(huì)使切口過寬、切割面粗糙、底部燒蝕嚴(yán)重，甚至使材料過度燃燒（尤其對(duì)非金屬），產(chǎn)生大的熱影響區(qū)（HAZ），影響材料性能。對(duì)于反射性強(qiáng)的材料（如銅、鋁），過高的功率還可能反射回激光頭，損壞設(shè)備。（2）切割速度速度過慢單位面積材料接收的能量過多，導(dǎo)致過度熔化、燒蝕，切口上端變寬，熱影響區(qū)增大，效率低下。速度過快能量輸入不足，無法連續(xù)穿透材料，會(huì)造成切割中斷、底部掛渣增多（金屬）或切不透（非金屬）。（3）焦點(diǎn)位置焦點(diǎn)在表面（零焦距）：焦點(diǎn)位于工件上表面，切口上下寬度接近一致。適用于薄板切割。焦點(diǎn)在表面之下（正焦距），即焦點(diǎn)位于工件內(nèi)部，切口上部較寬，下部較窄。有利于排渣，是中厚板切割的常用方式，能獲得更好的垂直度。焦點(diǎn)在表面之上（負(fù)焦距）即焦點(diǎn)位于工件上方，切口上部較窄，下部較寬。較少使用，可能用于特定非金屬材料。12-8自選案例，簡(jiǎn)述激光內(nèi)雕加工的操作過程。（1）啟動(dòng)機(jī)床接通電源后，起動(dòng)機(jī)床，依次開啟機(jī)器開關(guān)、急停旋鈕和激光器開關(guān)。（2）圖像處理通過Photoshop軟件對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度處理，將其轉(zhuǎn)換為黑白色，并設(shè)置圖像大小。（3）內(nèi)雕軟件處理對(duì)于一般的平面圖像，可以直接將其導(dǎo)入打點(diǎn)軟件生成點(diǎn)云；對(duì)于三維數(shù)據(jù)模型，需要先將其導(dǎo)入算點(diǎn)軟件生成點(diǎn)云，再導(dǎo)入打點(diǎn)軟件調(diào)整亮度、對(duì)比度、銳度至合適效果。1）導(dǎo)入原始文件：導(dǎo)入處理后的文件，設(shè)置水晶塊尺寸。2）設(shè)置算點(diǎn)參數(shù)：根據(jù)加工效果，設(shè)置算點(diǎn)參數(shù)，包括層數(shù)、點(diǎn)距和層距等參數(shù)，設(shè)置完成后，即可生成點(diǎn)云文件。3）導(dǎo)入點(diǎn)云文件：點(diǎn)云文件導(dǎo)入到打點(diǎn)軟件，移至合適位置。4）設(shè)置打點(diǎn)參數(shù)：調(diào)整雕刻模型的尺寸大小、工作電壓等。（4）精確位置，內(nèi)雕加工單擊“復(fù)位”按鈕，使系統(tǒng)回至零點(diǎn)。將水晶塊放在同步于軟件設(shè)定的具體位置，單擊“雕刻”按鈕，開始加工。（5）關(guān)機(jī)清理加工結(jié)束后，退出軟件，依次關(guān)閉激光器開關(guān)、急停旋鈕和機(jī)器開關(guān)。關(guān)機(jī)結(jié)束后，清理工作臺(tái)及周邊衛(wèi)生。12-9自選案例，簡(jiǎn)述激光打標(biāo)加工的操作過程。（1）啟動(dòng)機(jī)器調(diào)整焦距，起動(dòng)機(jī)器，依次打開急停開關(guān)、總電源開關(guān)、計(jì)算機(jī)聯(lián)、振鏡和激光電源開關(guān)。（2）圖像處理利用激光打標(biāo)機(jī)復(fù)刻圖案需要先進(jìn)行圖像處理，處理重點(diǎn)主要是圍繞尺寸、曝光調(diào)整、色彩校正與潤(rùn)飾、瑕疵修復(fù)和清晰化潤(rùn)飾五個(gè)方面進(jìn)行，以達(dá)到美觀通透的色彩效果。（3）打標(biāo)軟件處理1）導(dǎo)入文件：打開軟件，通過單擊“文件”→“打開位圖文件”命令導(dǎo)入照片，或單擊系統(tǒng)工具欄中的“繪制”→“文本”命令開始文字編輯。2）設(shè)置參數(shù)：打標(biāo)時(shí)，要同步設(shè)置加工參（如功率，速度）和文件參數(shù)（如大小、位置）。在對(duì)象屬性欄進(jìn)行文字內(nèi)容以及文件參數(shù)編輯，經(jīng)確認(rèn)無誤后單擊“應(yīng)用”按鈕，將文字區(qū)域調(diào)整至合適位置并進(jìn)行填充。（4）精確位置，打標(biāo)加工放置打標(biāo)材料或工件，單擊“紅光”命令。根據(jù)紅光區(qū)域大小，調(diào)整具體文件尺寸。單擊加工控制欄“標(biāo)刻”命令，開始加工。（5）關(guān)機(jī)清理，加工結(jié)束退出軟件，按照順序關(guān)機(jī)，并清理桌面。12-10自選案例，簡(jiǎn)述非金屬激光切加工的操作過程。（1）平放材料將切割材料平放于工作臺(tái)合適位置，保證其平整性。如若材料有翹邊或輕微彎曲現(xiàn)象，在不影響激光頭運(yùn)動(dòng)的情況下可使用強(qiáng)力吸鐵石固定。（2）啟動(dòng)機(jī)床，調(diào)整焦距啟動(dòng)機(jī)床，依次打開風(fēng)機(jī)、水箱、計(jì)算機(jī)、機(jī)器開關(guān)和激光電源開關(guān)。根據(jù)切割材料的厚度選取聚焦塊，調(diào)整工作臺(tái)Z軸，使激光頭下方與工件上表面距離與聚焦塊的厚度相同，保證切割精度。（3）設(shè)計(jì)圖形（4）設(shè)置參數(shù)非金屬激光切割機(jī)通常使用“激光掃描”和“激光切割”兩種加工模式。激光掃描常采用較快的速度和較小的功率。圖片顏色較深時(shí)宜采取較小的功率，較淺時(shí)采取較大的功率。木板的掃描速度一般為200~400mm/s，功率為10%~30%。激光切割適用于圖形線性切割。若只需要對(duì)表面進(jìn)行燒蝕形成線條痕跡，建議采用較快的速度和較小的功率。以木板為例