激光精密加工技术的原理

       激光精密加工技术的原理基于激光的特性。激光是一种亮度高、方向性好、单色性好的相干光。激光发散角小和单色性好，理论上可通过一系列装置把激光聚焦成直径与光的波长相近的极小光斑，加上亮度高，其焦点处的功率密度可达10? - 10¹¹W/cm²，温度高达万度左右。

       在激光精密加工时，通过激光发生器发出的激光经过转换，经过透镜聚焦得到平行度很高的柱状或带状光束，使能量高度集中到加工材料上很小的一个区域。加工材料吸收激光照射的能量后在极短时间内迅速升温。对于不同性质的加工材料，会在此过程中产生一系列物理或化学变化，比如熔化、烧蚀甚至汽化。

       以激光切割为例，当激光束聚焦在材料表面时，材料迅速被加热到熔点或沸点，使得材料被熔化或气化，从而形成切割。而在激光焊接中，当特定功率密度的激光束作用于材料，能使材料表面达到“热熔”状态，从而将工件加工区域连接在一起。

       该过程实质是将一定功率密度的激光束聚焦在加工材料上，是激光与材料在光热效应下作用产生高温熔融和受冲击波抛出的综合过程。可将这个过程划分为四个物理描述阶段：加工材料对激光吸收、加工材料的加热、加工材料的熔化与汽化、激光等离子体屏蔽现象。

       激光精密加工技术的应用领域

       一、微纳制造与光学元件加工

       激光精密加工技术具有高精度特性，其可以实现微米甚至纳米级别的加工精度。在微纳制造领域，如制造微小的电子器件、微机械零件等方面发挥着不可替代的作用。在光学元件加工方面，能满足高精密的光学镜片、光栅等元件的制作要求，确保光学元件的表面质量、形状精度和光学性能等各方面指标满足高精度应用的需求。因为通过精确控制激光束的聚焦和移动，可以在这些要求高精度的小尺寸部件上进行精细加工，制作出复杂的微观结构，从而实现其特殊的功能和性能要求。

       二、汽车制造领域

       切割方面：激光切割技术能够实现对汽车零部件的高精度切割。通过精确控制激光束的路径和能量，可以很容易地切割出汽车零部件的复杂形状，例如汽车车身框架中的各种异型结构件，满足不同汽车型号在设计和功能上的需求。并且激光切割的切缝狭窄，材料浪费少，切割速度相对较快，热影响区小，这对于汽车制造中需要保证高精度和部件强度的需求来说是非常重要的。

       焊接方面：激光焊接技术对车身焊接部位实现精确焊接。在汽车制造中，如顶盖与侧盖车身的焊接、车门内板与车身框架的连接等，激光焊接能够形成高质量的焊接接头。激光焊接速度快，热影响区小，从而可以减少车体变形，保证整车的安全性和稳定性；并且可以减少焊接过程中的材料使用，降低成本的同时实现车体轻量化设计。

       三、航空航天领域

       打孔方面：激光打孔技术可以用于制造飞机发动机中的冷却孔。发动机在工作时需要维持合适的温度，这些精确制造的冷却孔能够确保发动机工作时的稳定性和效率。由于激光打孔可实现非常小的孔径，并且能够在不同硬度、不同材质的部件上进行精确打孔，像在高温合金材料制造的发动机叶片上打出冷却孔，保证孔的直径精度、密度和深度等符合设计要求。

       结构件制造方面：激光切割和激光焊接技术同样适用于航空航天领域中航空器结构件制造。航空航天部件要求高强度以及轻量化，激光加工技术可以对各种航空材料（如钛合金、铝合金等）进行有效的切割和焊接，制造出符合结构强度和重量要求的构件，如飞机机翼、机身框架等部件。还能实现对一些复杂形状部件的加工制造，而传统加工方法很难达到同样的精度和效率要求。

       四、电子器件制造领域

       芯片制造方面：激光刻蚀技术可以制造微电子芯片。在微小的芯片上实现高精度的电路图案刻蚀，满足日益增长的对集成电路朝着更小、更高密度发展的需求。激光刻蚀可以精确控制刻蚀的尺寸和深度，使芯片上的电路结构更加精细和复杂，从而提高芯片的性能和功能多样性。

       连接方面：激光焊接技术用于实现电子元器件的精确连接。在电子设备中，需要连接各种微小的电子元件，如芯片与电路基板的连接等，激光焊接可以提供高精度的连接点，保证连接的稳定性和电气性能。由于焊接过程中热影响区小，不会对周围的微小元件造成热损伤或不良影响，提高了电子设备的可靠性和整体性能。

       五、医疗器械制造领域

       切割方面：激光切割用于人体可植入设备（如支架）和手术工具的切割。这些设备往往需要高精度、小尺寸的加工要求，激光切割能够满足。而且医疗器械对被加工表面的质量有苛刻要求，激光切割在加工时热影响区小，能有效减少切割对材料性能以及表面光洁度的影响。例如在制造医用导管、针头时，激光切割能确保管口、针尖部分的尺寸精度和表面光滑度，避免在使用过程中对人体组织造成损伤。

       焊接方面：激光焊接在制造医用器械中的金属连接部件起着重要作用。例如在制造心脏起搏器、手术刀片等精密器械时，需要对微小部件进行高精密的焊接。激光微焊接能够实现穿透深度和焊点尺寸小于1mm的焊接工艺，精确控制焊接能量和位置，使焊缝质量达到高标准，从而提高设备的稳定性和可靠性。

       打标方面：激光打标可永久性地标记医疗器械上的公司标识和产品信息，确保产品的可追溯性。像在接骨螺钉、医用容器外壳等上面进行打标，可以方便地标记出产品的型号、参数、生产日期等重要信息，并且标记的精度和清晰度高，而且激光打标属于非接触式加工，不会对器械表面造成物理损伤和污染。

       激光精密加工技术的发展现状

       一、技术性能方面

       精度达到较高水平：激光束可以聚焦到很小的尺寸，所以在精密加工领域能实现较高的精度。例如针对薄板（0.1 - 1.0mm）为主要加工对象的激光精密加工，其加工精度一般在十微米级。在一些特定的微纳制造场景下，已经能够达到微米甚至纳米级别的加工精度。像在微机电系统（MEMS）制造过程中，激光精密加工技术能够制造出极小的机械结构和传感器部件。

       多种加工工艺并存发展：激光精密加工的工艺类型众多且发展迅速，涉及到打孔、切割、焊接、刻蚀、表面处理等。在打孔方面，国外已经可以利用激光在坚硬材料（如碳化钨合金）上加工直径为几十微米的小孔，并且在脆性材料（如陶瓷等）上可加工各种有特殊要求的异型孔，如盲孔、方孔等。在切割工艺中，激光精密切割可以对薄板材料进行高速、高精度的切割，切口光滑平整，热影响区小，如在手机屏幕切割、指纹识别片切割等对精密程度要求较高的工艺里得到了很好的应用；激光焊接技术无论是同种材料还是异种材料的焊接都能实现较好的焊接质量，热影响区小、焊接速度快，尤其在汽车制造、电子器件制造和医疗器械制造等多个领域广泛应于精密焊接部分；激光刻蚀技术在电子半导体材料等高精度加工领域作用显著，通过激光刻蚀可以在材料表面形成非常精细的纹路和图案，并且能根据需要调整刻蚀深度和宽度。

       二、设备与激光器发展情况

       常用激光器类型多样：目前用于精密加工的激光器有多种类型。例如CO?激光器、YAG激光器、铜蒸汽激光器、准分子激光器和CO激光器等。这些激光器各有特点，适用于不同的精密加工场景。其中，中、小功率YAG激光器一般用于精密加工，大功率CO?激光器和大功率YAG激光器在大型件激光加工技术中应用较广，而铜蒸汽激光器和准分子激光器在激光微细加工技术中应用较多。

       设备智能化、集成化发展：现在的激光精密加工设备逐渐朝着智能化和集成化方向发展。智能化方面，通过各种传感器和控制系统，可以实现对加工过程的实时监测和精准控制。例如在激光焊接过程中，可以利用温度传感器和激光功率监测系统实时监控焊接的温度和功率等参数，自动调整加工参数以保证焊接质量的稳定性。集成化方面，将各种材料的激光精密加工工艺系统化、完善化，开发适合激光精密加工的专用控制软件，并配备相应的工艺数据库，以及将控制、工艺和激光器有机结合，实现光、机、电、材料加工一体化的设备正在不断出现和完善，这种集成化设备可以提高生产效率，降低操作难度，并且有助于推广激光精密加工技术的应用范围。

       三、市场和产业发展情况

       市场规模逐步扩大：随着各行业对于高精度加工需求的不断增长，激光精密加工技术的市场规模也在逐渐扩大。在电子制造、汽车制造、航空航天、医疗器械等众多领域，激光精密加工设备和服务的需求都在逐年上升。比如在电子行业，随着电子产品向着小型化、多功能化和高性能化方向发展，激光精密加工技术在芯片制造、电子元件连接和产品封装等环节的应用需求持续增加，这推动了激光精密加工市场的发展。

       企业竞争格局形成：在全球范围内，激光精密加工技术领域形成了一定的企业竞争格局。德国、美国和亚洲等地区的一些企业在激光精密加工设备制造和技术研发方面处于领先地位。例如德国的一些企业在高端激光精密加工设备制造方面拥有先进的技术和工艺，能够提供高精度、高性能的设备；美国的相关企业在激光精密加工技术应用于航空航天等高技术领域的研究和开发方面具有优势；亚洲地区特别是中国，部分激光设备企业近年来发展迅速，如大族激光、华工激光等企业既能够提供全产线激光设备，利用自身资本优势和技术积累在精密加工领域发挥重要影响力，同时还有很多中小企业在某些细分领域（如德龙激光在脆性材料加工、联赢激光在动力电池焊接等）具有独特的技术专长和市场竞争力，不断推动着激光精密加工技术在国内市场及国际竞争中的发展。不过在整体上，中国激光精密加工技术在一些高端设备制造和核心技术方面与国际领先水平仍存在一定差距，如高端激光器的研发制造等方面仍需进一步加强研发投入和技术积累。

       激光精密加工技术的未来趋势

       一、加工系统将更加小型化与高效化

       小型化：优质、高效、稳定、可靠、廉价的激光器是精密加工推广应用的前提，加工系统小型化是激光精密加工发展的趋势之一。近年来，二极管泵浦激光器发展迅速，它具有转换效率高、工作稳定性好、光束质量好、体积小等优点，很有可能成为下一代激光精密加工的主要激光器。这种小型化的激光器将使激光精密加工系统在占用空间、设备重量、能源消耗等方面都得到优化，从而更加适合在更多的环境下应用，例如在一些空间有限的科研实验室或者对设备灵活性要求高的生产线上。

       高效化：伴随着各个工业领域对生产效率要求的不断提升，激光精密加工技术在提高加工速度、缩短加工周期方面将不断发展。一方面从激光器本身的性能提升上，例如提高激光的功率密度使得在同样的加工区域内能够更快地完成加工所需的能量输入；另一方面通过优化加工工艺参数，例如更精准的光束控制、更合理的脉冲频率设置等，进一步提高激光与材料相互作用过程中的效率，像是在激光切割时，通过改进切割工艺参数实现更快的切割速度，并且保证切割质量不降低。

       二、加工过程将实现更高的自动化与智能化

       自动化：工业4.0和制造业自动化发展的背景下，激光精密加工将朝着自动化方向深度发展。将通过机器人操作、自动化物料输送和自动定位装置等技术实现全自动化的激光精密加工生产线。比如在大规模生产电子芯片过程中，采用机器人手臂精确地将芯片放置到激光加工区域，并自动适配不同尺寸和类型的芯片进行加工，过程中无需人工干预物料的转移和定位，大大提高了生产的连续性和效率。

       智能化：激光精密加工技术将充分利用人工智能技术实现智能化加工。例如通过机器学习算法来优化加工参数，对于不同的材料和加工需求，让系统自动学习和推荐最佳的加工参数组合。在激光焊接中，系统可以根据实时监测到的焊接状态（如熔池的形状、温度变化等）自动调整激光的功率输出、焊接的速度等参数，实现焊接质量的最优控制，并且还能对加工过程中出现的异常情况进行智能诊断和自动修复，如激光能源异常时及时切换备用能源或者调整加工模式。

       三、加工精度与质量将进一步提高

       极限精度不断突破：从精度角度来看，随着激光精密加工技术发展，将实现对更小尺寸结构的加工，微米甚至纳米级别的加工精度将不再是极限，例如在制造下一代更小尺寸的微纳电子器件或者生物医学中的微观器械。在科学研究领域对于微观物理现象的探索需要通过制造一些微小的实验装置，而激光精密加工技术将能够满足在微观尺度下制造这些实验装置的精度需求。

       质量稳定性提升：激光精密加工的质量稳定性将更好。目前激光精密加工有时还会受到环境、材料批次等因素的影响而导致加工质量存在一定波动。随着技术的进步，通过采用更稳定的激光器、精确的监测设备和闭环的反馈控制系统，来降低外界因素的干扰，从而使得加工质量更加稳定可靠，无论是批量加工还是特殊定制化的加工都能保证产品的质量一致性，拿激光打标来说，无论在长时间连续打标还是不同材质表面打标时都能够保持准确清晰的标记效果。

       四、在新兴材料与新兴领域的应用拓展

       新兴材料加工：随着新型材料的不断涌现，如超硬材料、新型复合材料、形状记忆合金等，激光精密加工技术将针对这些材料的特性开发特定的加工工艺。例如对于超硬陶瓷材料，美国研究出一种特殊的激光加工工艺，能够有效避免加工过程中的裂纹产生；在复合材料加工方面，由于其不同组成材料的物理和化学性质差异，激光加工可利用其可调性进行选择性能量输入实现对复合材料的精确分层加工和对内部损伤程度的最低化。

       新兴领域应用：以量子技术领域为例，随着量子技术在计算、通信等方面的发展，精密制造量子相关的组件（如量子芯片）需要高精度的加工技术，激光精密加工技术凭借其精度优势将能够成为量子组件制造的关键技术。在太空探索领域，制造太空探测器的精密部件需要在低重力、特殊环境下进行加工，激光精密加工技术的非接触性质和高精度特性非常适合这种特殊制造环境的加工需求。

       国内外激光精密加工技术对比

       一、技术研发与创新能力

       国外方面：国外在激光精密加工技术研发方面起步较早，一些发达国家拥有一批顶尖的科研机构和企业，持续投入大量资源进行技术研发和创新。例如美国、德国等国家的高校和科研机构像斯坦福大学、德国弗劳恩霍夫协会等在激光精密加工理论基础研究方面成果显著，推动着激光精密加工技术在基础原理、新加工工艺如极端条件下（超低温、强磁场等）的激光加工等方面不断创新。同时像德国的通快（Trumpf）公司、美国的相干（Coherent）公司等在高端激光器和先进激光精密加工设备的研发制造上处于全球领先地位，不断推出新型的激光器结构和高精度的加工设备，在激光精密加工技术的先进性和创新性方面走在前列。国外在高精度激光加工的方法上不断推陈出新，例如在超精密光学元件加工方面研发出多束激光协同加工技术来提升加工精度，将加工精度提升到纳米尺度甚至更小。

       国内方面：国内激光精密加工技术的研发虽然起步较晚，但是近年来发展迅速。中国的高校和科研机构，如西安交通大学、清华大学、华中科技大学等在激光精密加工技术研究方面形成了自身的科研体系和研究成果，在激光微细加工、激光表面处理等工艺上取得了一定成果。在企业方面，例如大族激光、华工激光等企业不断加大研发投入来提升自身在激光精密加工技术方面的竞争能力，在全产线激光设备提供和本土市场服务方面占据一定优势。然而与国外相比，在原创性技术研发和高端设备制造方面仍然存在差距。例如在高功率、短脉冲的高端激光器研发方面，国内目前还依赖部分国外技术和进口设备，对于一些新兴的激光加工理论方向研究如在量子态下的激光材料相互作用等方面研究深度和广度远不及国外。

       二、设备性能与制造水平

       激光器性能方面：国外部分国家在高端激光器性能上具有优势。例如德国部分企业生产的大功率CO?激光器和超短脉冲激光器在功率稳定性、光束质量方面表现优异，能够长时间稳定输出高能量密度的激光，并且光斑模式接近理想状态，这有利于在高精密加工中提高加工精度和表面质量。美国在某些激光物质（如特殊晶体材料）方面的研究和先进工艺利用使得其制造的小型化高性能激光器在国际市场处于领先地位。国内在激光器性能上与国外有一定差距，不过在一些中低端激光器制造方面已经逐渐实现国产化替代，某些国产的小功率YAG激光器在性价比上表现较好，能够满足部分中小企业对激光精密加工的基本需求。但在高端设备所需的大功率、高精度激光器制造上还需要进一步突破技术瓶颈。

       设备制造方面：国外的精密加工设备制造水平整体较高。以德国为例，其机械制造的工艺和技术基础雄厚，在制造激光精密加工设备时，能够将高精度的机械传动系统、精密的光学系统和先进的控制系统很好地集成在一起，制造出的设备结构紧凑、运行稳定、精度可靠。并且在设备部件的材料选择和加工处理方面有独到之处，如在激光头部分的制造中能够采用特殊的合金材料结合精密的研磨工艺保证激光的能量输出精度。国内在激光精密加工设备制造上近年来进步明显，很多企业通过引进吸收国外先进技术以及自主创新，已经能够生产出多种型号的激光切割、焊接设备用于日常工业生产。但在高端设备制造方面，设备的稳定性、可靠性以及精度保持性与国外仍有差距。例如在长期高速的激光切割设备运行过程中，一些国内设备可能出现切割精度下降、设备故障率上升等问题。

       三、应用范围与市场占比

       应用范围深度方面：国外在一些高端领域对激光精密加工技术的应用较为深入。在航空航天领域，国外能够利用激光精密加工技术进行更高质量要求的发动机核心部件制造，如发动机热端部件（涡轮叶片、燃烧室等）的高精密制造，从材料微观结构控制到整体部件的拓扑优化加工都基于激光精密加工技术实现。在半导体芯片制造方面，国外企业在5纳米及以下的高端芯片制造环节中利用激光精密加工技术研发出更先进的光刻、刻蚀等加工工艺。国内在航空航天领域激光精密加工技术主要还集中在一些非核心部件的制造和维修服务上；在芯片制造领域，虽然也逐渐向高端制程逼近，但在最前沿的芯片制造工艺上与国外仍有一段技术差距。

       市场占比方面：在全球激光精密加工设备和服务的市场中，国外企业尤其是德国、美国等国家的企业市场占比较高。一些国际知名的大型激光设备企业在全球市场布局广泛，提供从高端到中低端全系列的激光精密加工解决方案，占据国际市场的主要份额。中国的激光精密加工企业在国内市场上逐渐起步壮大并且积极拓展国际市场，像大族激光等企业在国内3C电子产品制造、汽车制造等领域的激光精密加工市场占有率较高，并且在国际市场上通过性价比优势也开始逐步拓展客户，但总体在全球市场上的份额相对较小。

       激光精密加工技术的案例分析

       一、大族激光在电子制造领域的应用

       应用背景：在电子制造领域，产品朝着小型化、多功能化和高性能化发展，对加工精度、速度和灵活性等要求极高。以智能手机为例，手机内部众多的电子元件和复杂的线路布局需要高精度的加工技术，而且随着产品的更新换代周期越来越短，生产的时效性也需要保障。

       大族激光的解决方案：大族激光提供一系列的激光精密加工设备应用于电子制造。例如在芯片制造方面，使用其高精度的激光刻蚀设备可以实现对芯片电路图案毫米级别的精准刻蚀，满足集成电路不断提高的密度需求。对于手机屏幕的切割，大族激光的精密切割设备采用先进的激光脉冲控制技术，在保证切割质量（切割面光滑、无毛刺）的情况下，实现高速切割，大大提高了生产效率。在电子元件的焊接方面，运用其激光焊接设备能够对微小焊点实现精确对焦和能量输入，保证焊接质量的同时实现了极小的热影响区，避免对周围电子器件造成损害。通过将多种激光精密加工工艺整合在电子制造生产线上，大族激光帮助众多电子企业提高了产品质量、生产效率，并适应了快速变化的电子产品市场需求。并且，大族激光还利用自身的研发力量不断优化设备和工艺，推出适应新型电子材料（如柔性电子材料）的加工工艺，如开发出特殊的激光扫描模式用于柔性电路板的高精度切割，为电子制造领域的发展做出重要贡献。

       二、通快（Trumpf）公司在汽车制造领域的应用

       应用背景：汽车制造对激光精密加工技术有广泛需求，无论是汽车车身的制造（切割与焊接部件）、汽车零部件的生产（如发动机零件制造）还是汽车内饰的加工等都需要高精度的切割、焊接、表面处理等加工方式。并且汽车行业是个高度竞争的行业，要求提高质量的同时降低成本，提高生产效率，减少零件的缺陷率，严格控制车身的工艺精度。

       通快（Trumpf）公司的解决方案：通快公司提供各种高端的激光精密加工设备应用于汽车制造的各个环节。在汽车车身切割方面，其激光切割机利用高精度的光束定位系统可以实现对不同厚度钢材（从薄板到中厚板）的精确切割，切割过程中热影响区非常小，减少了材料变形和后续矫形工作，提高了材料的利用率，降低了成本；同时切割速度快，满足大规模汽车生产的需求。在汽车车身焊接时，通快的激光焊接设备能够实现高速、高质量的焊接，对于车身框架等结构件的焊接，保证了焊接强度和整体车身的刚性；而且可以针对不同材质的汽车部件（如钢材与铝材的异种材料焊接）进行有效焊接。此外，在汽车发动机制造中，通快的激光表面处理设备可用于发动机缸体、缸盖的表面淬火、表面合金化等处理，提高发动机零件的耐磨性、抗疲劳性等性能，延长发动机的使用寿命。该公司通过自身在激光精密加工技术方面的优势，满足汽车制造企业在提高产品质量、提升生产效率、降低生产成本等方面的多方面要求，与众多国际知名汽车制造商建立长期合作关系，促进汽车制造行业朝着更加高效、精密、高质量的方向发展。