第二章 激光技术与应用 - 激光切割与焊接

激光切割与焊接技术利用激光的高亮度和高能量密度，实现对材料的精确加工和连接。这些技术已经在制造业、

材料科学以及科研实验中发挥了重要作用。以下是激光切割与焊接的主要内容和应用：

1. **激光切割**：

激光切割是利用激光光束对材料施加高能量密度，使得被照射的材料迅速加热、熔化或蒸发，从而实现切割。其具体过程包括以下几个步骤：

- **激光辐射**：激光切割设备产生的高能量激光束通过聚焦光学系统聚焦到材料表面，形成非常小的光斑，提高了能量密度。

- **材料加热**：激光光束照射到材料表面时，材料吸收光能，温度迅速升高，达到熔化点甚至沸腾点。

不同材料对激光波长的吸收程度不同，通常金属材料对可见光或近红外激光的吸收最佳。

- **熔化与切割**：当材料温度达到熔化点时，激光束的能量继续使其熔化，形成熔池。通过控制切割方向，熔池中的液态金属被排出，

形成切口。同时，氧气或其他气体（如氮气、氩气）可用于吹走熔融金属，进一步提高切割质量。

- **切割方式**：激光切割主要有两种方式：

  - **脉冲切割**：激光以脉冲方式发射，每个脉冲产生的热量时间短，适用于较薄材料的高速切割。

  - **连续切割**：激光以连续光束进行切割，适合较厚材料的处理，通过较长时间的热作用，将材料切割成所需形状。

2. **激光焊接**：

   激光焊接侧重于利用激光的热能将材料的接合部分加热至熔化状态，随后冷却形成牢固的焊接接头。其具体过程如下：

- **激光照射**：焊接过程中，激光源发出高能量激光束，聚焦于待焊接材料的接缝处。激光束的高能量能够轻易穿透材料表面，

直接加热焊接部位。

- **热输入与熔化**：当激光束照射到材料时，会引起材料表面的迅速加热，使其温度上升到熔化点。

与切割不同，焊接过程中，通常是将两块材料的边缘加热使其熔化，并在接触处形成熔池。

- **熔池形成**：随着温度的上升，熔池逐渐形成并扩展。周围未熔化的材料提供了必要的热量，使得熔池保持在液态，

而周围的材料会通过热传导加热接近熔化温度。

- **熔合与冷却**：在熔池冷却的过程中，液态金属会凝固形成一个坚固的焊缝。

焊接时可以通过控制激光的功率、速度、焦点位置等参数来适应不同材料和厚度的焊接需求。

- **应用与优势**：激光焊接适用于多种材料，包括金属、塑料和陶瓷等。其焊接接头具备良好的强度、耐腐蚀性和外观，

从而广泛应用于汽车、电子、航空航天等行业。

   - **高能量密度**：激光焊接能够在非常小的区域内集中大量能量，使得焊接过程非常迅速，适合于高生产效率的场景。

常用于薄板金属的焊接以及精密组件的制造。

   - **精确控制**：激光焊接技术能够精确控制焊接位置和深度，适用于微型组件的连接和高要求的焊接任务。

能够实现高质量的焊缝，焊接接头强度高，外观美观。

   - **自动化与灵活性**：激光焊接过程可以通过自动化设备进行控制，减少了人工操作的误差，提高了生产效率。

适用于大批量生产和复杂结构的焊接。

3. **应用领域**：

   - **制造业**：激光切割和焊接在汽车制造、航空航天、家电等领域具有广泛应用。激光技术可以用于汽车零部件的精密加工、

飞机结构的焊接以及家电产品的制造。

   - **电子行业**：在电子产品的制造中，激光切割和焊接技术用于处理微型元件和复杂电路板，确保高精度和高可靠性。

   - **医疗器械**：激光技术用于医疗器械的制造，如激光切割用于生产医疗器械的精密部件，激光焊接用于设备的连接和封装。

   - **艺术与装饰**：激光切割技术也被广泛应用于艺术和装饰品的制作，包括木材、亚克力和金属等材料的切割和雕刻。

4. **技术挑战与发展**：

   - **材料兼容性**：虽然激光切割和焊接技术适用于多种材料，但不同材料的热物理特性对激光加工的效果影响较大。

研究人员需要不断优化激光参数和工艺，以适应不同材料的需求。

   - **成本问题**：高功率激光设备的投资成本较高，且维护和操作要求较高。随着技术的进步和设备成本的降低，

激光切割与焊接技术的应用范围将进一步扩大。

   - **安全问题**：激光切割和焊接过程中产生的高温和激光辐射要求严格的安全措施，包括适当的防护设备和操作规程，

以防止对操作人员的伤害。

激光切割与焊接技术凭借其高精度、高效率和广泛适用性，已经成为现代制造业和科学研究中的关键工具。

随着激光技术的不断发展，这些技术将在更多领域得到应用，并推动相关行业的发展。