激光宏觀加工定義為加工厚度超過1 mm的金屬零件來產(chǎn)生具有毫米尺寸的大特征。宏觀加工工藝使用平均功率為幾百瓦至幾千瓦的高功率激光器。宏觀加工的主要應(yīng)用是金屬切割、金屬焊接和金屬增材制造。

激光切割行業(yè)預(yù)計在未來數(shù)年內(nèi)會大幅增長。大部分增長是由激光切割的應(yīng)用空間不斷增大所推動的。例如， 汽車行業(yè)在用激光切割和激光焊接工藝生產(chǎn)車身部件，建筑行業(yè)在用激光切割建筑部件，塑料行業(yè)使用激光切割紡織品和包裝材料。使用激光的最大優(yōu)點是可以實現(xiàn)包括3D形狀在內(nèi)的任意形狀的切割，不存在機械工具的典型限制。與機械工藝不同，激光加工是非接觸式工藝，沒有磨損，可以輕松實現(xiàn)預(yù)定的切割邊緣。因此，即使是最堅硬或者最粗糙的材料，也可以在不需要更換工具的情況下完成加工。

由于激光工藝是非接觸式工藝，因此加 工零件上不施加任何力或者機械應(yīng)力，這在脆性或者軟質(zhì)材料的加工，以及在材料移動速度超過100 m/s 的高速切割應(yīng)用（例如紙張切割）中尤其重要。此外，激光系統(tǒng)的設(shè)置時間最短且沖壓金屬板時無需生產(chǎn)單獨的工具， 因而減少了生產(chǎn)時間和工具成本。

在金屬切割領(lǐng)域，激光與等離子切割和水射流切割互相競爭。激光切割的邊緣質(zhì)量和控制功率的能力優(yōu)于等離子切割器。水射流在非常厚的金屬板上切割邊緣質(zhì)量最好，材料厚度超過20mm時性能最優(yōu)。對于較薄的材料，激光更大的靈活性得以利用。過去，CO2激光器是金屬切割的主力，這主要是由于其與固態(tài)激光器（例如 Nd:YAG 激光器）相比有價格優(yōu)勢，雖然后者有更好的材料吸收率。隨著成本效益高的碟片和光纖激光器的引入， 這種情況已經(jīng)改變，導(dǎo)致CO2激光器在許多應(yīng)用中被取代。盡管如此，對于塑料或者木材類的有機材料，由于FIR工作波長10.6 μm 處的強吸收， CO2激光器還沒有替代品。

激光焊接無處不在，并且在過去幾年中已經(jīng)成為許多行業(yè)的首選技術(shù)。使用激光焊接，可以將各種有機和無機材料連接起來。最廣義的涉及機動性的生產(chǎn)領(lǐng)域，比如汽車行業(yè)、造船行業(yè)和航空航天工業(yè)，正在越來越多地用焊接取代螺栓組件。激光焊接可實現(xiàn)永久性連接，減小重量并降低與螺母和螺栓相關(guān)的風(fēng)險，因為螺母和螺栓可能會隨著時間的推移而松動或斷裂。焊接也常用于其他應(yīng)用，包括心臟起搏器的氣密焊接、精美珠寶的焊接， 以及在大型家電/ 器具或者在加熱器/ 冷卻器系統(tǒng)中不銹鋼熱交換器的焊接。而且，與依賴于放電的傳統(tǒng)焊接工藝相比，因為能夠更精確地控制激光束，激光可以產(chǎn)生最小的HAZ。

在激光金屬焊接中，目前使用三種主要工藝。一種是使用焦距非常短（例如100—200 mm）的傳統(tǒng)焊接光學(xué)元件。通過引入填充焊絲，將連接零件在接合處熔化，以使兩種金屬在冷卻之前混合并成為一個固體零件。重要的是，為了確保焊接有效，零件之間的連接處沒有間隙。當(dāng)使用填充焊絲時，有三個相互作用的部件，兩個松散零件和填充焊絲在焦點處被熔化并連接。焊絲與每種材料相互作用，幫助促進它們之間的連接。

另一種焊接工藝，被稱為遠程焊接，采用具有長焦距（例如0.8—1.5 m）的三軸振鏡掃描系統(tǒng)，可以放置于遠離任何阻礙部件的位置。 焊接門板等大型部件時這是很重要的，其中需要夾具以確保對準，但是夾具易與用于激光定位的運動系統(tǒng)互相干擾。這種掃描系統(tǒng)中光束可快速轉(zhuǎn)向并在短時間內(nèi)在長距離上產(chǎn)生許多焊點。遠程焊接令制造商能夠節(jié)省寶貴的生產(chǎn)時間并實現(xiàn)更高的生產(chǎn)量。光纖激光器和碟片激光器通常用于激光焊接和遠程焊接應(yīng)用，而由于CO2激光器可使焊縫具有某些特性，因此在某些應(yīng)用中優(yōu)先選擇CO2激光焊接。

第三種焊接工藝，塑料焊接，對激光有不同的要求。二極管激光器和CO2激光器在此類應(yīng)用工藝中占主導(dǎo)地位。無論塑料是否透明，CO2激光波長都可被塑料材料吸收。二極管激光波長僅被有色塑料吸收。這種吸收率的差異產(chǎn)生了一種將一個透明部件和一個有色部件相連的焊接策略，即激光束穿過透明材料到達彩色塑料，熔化彩色塑料后將其連接在一起。激光焊接在汽車行業(yè)中的一個主要用途是焊接前燈和尾燈組件。電子元件的激光焊接外殼也多見于許多應(yīng)用中。

增材制造這一主題常常不太容易理解，因為這項應(yīng)用中結(jié)合了不同的技術(shù)。工藝過程可能是將材料熔化，通過噴嘴傳送并逐層沉積熔化物, 該工藝通常被稱為3D打印。使用激光熔化粉末的工藝通常被稱為選材激光熔化或者激光燒結(jié), 激光燒結(jié)可用于各種材料，比如沙、聚合物或者金屬粉末。燒結(jié)沙被用于成型鑄件工藝中的模具制造。粉末聚合物通常用于模具制造或者用于快速樣機應(yīng)用中的部件制造。液體聚合物用在激光立體光刻中，使用UV激光固化塑料的選定區(qū)域來構(gòu)建固體部件。用于技術(shù)設(shè)計的模型構(gòu)建和醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用是激光立體光刻工藝的主要關(guān)注領(lǐng)域。金屬粉末最初與增材制造工藝一起使用是為了制造用于注塑模具的工具?，F(xiàn)在，金屬粉末也被用在許多功能部件的直接制造中，包括用于車輛、仿生設(shè)計和醫(yī)療植入體的部件。

如今，大型增材金屬制造機器一次最多可以使用四個激光器來生產(chǎn)一個大型零件或者并行生產(chǎn)多個零件。雖然最初被用于生產(chǎn)樣機，但是增材制造越來越多地被生產(chǎn)商用來生產(chǎn)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)金屬制造技術(shù)選擇性地去除金屬來形成需要的部件結(jié)構(gòu)，與之相比，增材制造的好處是廢料明顯減少。

對于宏觀加工應(yīng)用，需要有千瓦量級輸出功率的高功率IR激光器進行金屬切割、焊接和增材制造。這些激光器大多數(shù)是CW激光器（不是脈沖激光器），還有一些激光器是準CW激光器，其中激光被調(diào)制成毫秒時間尺度的脈沖，在給定平均功率下可用于增加峰值輸出功率。在這些應(yīng)用中，一個特別重要的參數(shù)是激光束的亮度， 由其BPP（光束參數(shù)乘積）表征。BPP是光束直徑（單位為mm）和光束發(fā)散角（單位為mrad）的乘積。對于金屬切割應(yīng)用，較高的亮度水平（或者較低的BPP）是必須的，金屬焊接應(yīng)用則需要較低的亮度（或較高的BPP）。圖1所示為各種宏觀加工應(yīng)用中激光功率與BPP的關(guān)系。

圖1.宏觀加工應(yīng)用中激光功率與BPP 的關(guān)系。

激光加工系統(tǒng)的光束傳輸部分將激光束從激光腔傳送至工件。對于基于CO2激光器的2D機器，至少需要兩個可移動的反射鏡將激光束引導(dǎo)至工件上任意一點。在現(xiàn)代機器特別是3D機器中，由于所制造結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的設(shè)計，也為了能夠?qū)⑵渌卣髡系较到y(tǒng)中，光束傳輸部分需要更多的反射鏡。使用CO2激光器的2D機器，其切割頭包括將激光束聚焦在工件上的ZnSe聚焦透鏡。對于使用光纖激光器的機器，纖芯本身將光束引導(dǎo)至包括準直器和聚焦透鏡的切割頭。

在CO2激光器腔中通過氣體放電激發(fā)CO2分子, 反射鏡放置在放電管的兩端，使得激光束被多次反射以增加激光束強度。每片鏡子都有一定的透射率：輸出耦合鏡透射可用的激光束，端鏡透射一小部分光束用于功率測量和光束診斷bvty.VIP。為了獲得足夠強度以產(chǎn)生數(shù)千瓦的輸出激光功率，激光腔需要幾米的總長度。用一個放電管覆蓋這段距離有很大問題且不切實際。因此，激光腔被分成幾個串聯(lián)工作的放電管。為了盡可能減小機械占用空間，使用高反射鏡將腔內(nèi)激光束的光軸“折疊”數(shù)次。

在大多數(shù)CO2激光機器中，使用數(shù)個反射鏡將激光束從腔內(nèi)傳送到切割頭。這些反射鏡的反射率應(yīng)該盡可能高，即吸收和散射要盡可能最小，以將激光功率損失最小化。除激光功率和光束模式外，光束偏振也會影響切割質(zhì)量bvty。為獲得最佳切割質(zhì)量，需要圓偏振。使用一系列相移鏡可將腔內(nèi)發(fā)射的線偏振轉(zhuǎn)換為圓偏振。零相移鏡將光束引導(dǎo)至切割頭，同時保持其線偏振態(tài)。在特定方向上添加一個90°相移鏡將線偏振轉(zhuǎn)換為圓偏振。用于CO2 激光機器的MKS Ophir IR光學(xué)器件。

與CO2激光器相比，光纖激光器不需要腔體光學(xué)器件，也不需要光束傳輸光學(xué)器件。這些功能由光纖本身來執(zhí)行。輸出耦合鏡和端鏡嵌入光纖纖芯中，光束通過光纖被傳送到切割頭。光纖的纖芯直徑相對較?。ㄍǔ?50—100 μm），光束發(fā)散非常顯著。因此，光束從光纖出射后使用準直透鏡將其準直。光纖激光系統(tǒng)的切割頭包括一個將光束聚焦到工件上的透鏡。

只有在性能最佳時，激光宏觀加工系統(tǒng)才能保證以最具成本效益的方式生產(chǎn)高質(zhì)量部件。即使是光束調(diào)整或焦點位置的最小偏差也可能導(dǎo)致零件質(zhì)量下降、成本大幅增加以及以各種方式污染環(huán)境，包括增加能耗和使用工藝氣體。

圖2.工業(yè)激光工藝中光束質(zhì)量與單位成本的關(guān)系。

以積極主動的方式確保一致的高質(zhì)量焊接是首選，并降低了總體成本。以非接觸方式測量激光束的能力提供了關(guān)鍵優(yōu)勢。MKS Ophir開發(fā)的非接觸方法基于瑞利散射。

圖 3. 焦點偏移對功率密度的影響示意圖（左）。 圖示表明聚焦光束直徑加倍可使功率密度降低至原來的四分之一（右）。

激光宏觀加工已經(jīng)擴展到金屬制造的許多方面，從切割和焊接到增材制造中較新的工藝。隨著激光二極管每瓦功率的成本不斷降低（類似于半導(dǎo)體摩爾定律），激光加工在許多應(yīng)用中將比傳統(tǒng)工藝更具吸引力?？梢灶A(yù)想， 激光宏觀加工將成為汽車、造船等各個行業(yè)中全方位工業(yè)制造的主導(dǎo)工藝。

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