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激光材料加工(激光切割、激光焊接、打标等)
来源: | 作者:莱速科技 | 发布时间: 2026-03-31 | 17 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ | 分享到:

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激光打标是利用激光选择性改变材料表面颜色,而通常不影响基材内部的工艺。例如在材料表面添加二维码或文字,且不产生凹坑结构。

激光蚀刻与激光打标类似,但激光会使材料发生物理熔化,在某些情况下还会产生材料膨胀。与激光打标不同,激光蚀刻可形成轻微凹陷或凸起结构,会对基材表层以下产生作用。典型应用包括快速、低成本、高对比度的条码、序列号和 logo 制作。更高级的应用案例有显示屏电路制造中对蓝宝石的激光去除加工。
激光雕刻与激光蚀刻相近,但不依靠熔化基材,而是采用更高能量使材料汽化,实现材料物理去除,形成耐久的深雕特征,同样可用于条码、序列号等标识。
激光切割采用高度聚焦的连续激光器,在基材上切割出复杂形状。与打标、蚀刻、雕刻不同,激光切割是完全切穿材料。典型应用包括切割医用内窥镜端头,或对汽车材料边缘进行精密切边(部分场景可能需要去毛刺)。提高功率可提升速度,降低功率可提升精度。
激光焊接利用脉冲激光束,在两种(可能为异种)材料之间的微小间隙实现牢固可靠的连接。控制并减少过热、气孔、裂纹与间隙,同时保证合适的拉脱力,对焊接质量与高良率至关重要。
激光烧蚀是通过向基材施加高强度激光去除或破坏表面材料的工艺。例如对金属零件除锈维护,或在生物医学应用中去除目标组织(如疤痕组织或癌细胞)。

激光材料加工应用实例

紫外(UV)
  • 对各类材料进行切割、打标与焊接,尤其适用于玻璃或热敏材料

  • 准分子连续波激光切割(约 10–500 W)

  • 紫外脉冲激光精密打标(约 3–30 W)

  • 紫外脉冲激光焊接(约 5–30 W)

可见光
  • 对各类材料进行切割、打标、焊接

  • 半导体激光器连续波激光切割(约 1–100 W)

  • 低功率绿光激光精密焊接(例如铜材激光焊接)

近红外(NIR)与红外(IR)
  • 切割、去毛刺、雕刻、蚀刻、打标、退火、焊接

  • YAG 连续波(约 200–6000 W)、光纤连续波或 CO₂连续波(约 30000–40000 W)激光切割

  • 光纤连续波激光去毛刺

  • YAG 连续波或脉冲激光打标(最高约 1000 W / 脉冲峰值约 250 MW),或脉冲光纤激光打标

  • 脉冲光纤激光雕刻、蚀刻、退火

  • 脉冲光纤激光焊接(约 20–1000 W)、CO₂脉冲激光焊接(约 10–150 W)、纳米光纤脉冲激光焊接异种材料,或 YAG 脉冲激光实现电子连接微焊与点焊


激光关键光束参数

光强 / 辐照度 / 能量密度/连续激光&脉冲激光


合理的光束光强分布可保证向材料传递足够能量,实现工艺可重复性、更高零件质量与更少缺陷,确保在正确位置、深度、速度与表面光洁度下完成可预测的切割、蚀刻、雕刻、打标、焊接与烧蚀。辐照度或能量密度不当会导致材料损伤、切割 / 焊接 / 打标不完整等各类缺陷,造成品质不良、废料与工时损失。定期进行光束轮廓检测可最大限度减少此类问题。
左侧二维光束轮廓为高斯光束光强分布:中心(白色)光强最高,向外围(蓝色)逐渐衰减。此类轮廓可反映光强分布的相对特征。材料加工中用到的其他光束形状见下文 “光束形状”。
连续光束的功率强度可通过束腰处功率除以光斑尺寸得到。材料加工所用激光功率范围跨度极大,典型示例:
  • 激光打标:约 3 mW–100 W 及以上

  • 激光切割:约 1 W–40 kW 及以上

  • 激光焊接:约 0.5–10 kW 及以上

注:
  • 连续波使用术语:光强、辐照度、功率密度(功率 / 面积,单位 W/cm²)

  • 脉冲波使用术语:能量密度(Fluence)(能量 / 面积,单位 J/cm²)

    以一定脉冲频率重复的脉冲,在脉冲持续期间会达到峰值辐照度与最大脉冲能量。

束腰 / 光斑尺寸 / 焦点

在焦点处光束直径达到最小值,常称为光斑尺寸或束腰直径。将光束聚焦至更小光斑可提高该区域功率密度,反之则降低。在指定光斑尺寸下施加最优功率或能量至关重要;光斑过大或过小均会偏离目标加工区域,并可能引发前述缺陷。
材料加工常用光斑尺寸范围:约 20 μm 至 mm 级以上。
典型光斑尺寸示例:
  • 激光雕刻 / 打标:约 50–200 μm 及以上

  • 金属激光切割:约 0.1–0.3 mm 及以上

  • 激光焊接:约 0.1–0.6 mm 及以上

焦平面 / 焦距

非准直激光束的焦平面通常是光束聚焦至最小光斑的位置。焦距是从聚焦透镜沿传输轴到焦平面的距离,会随激光光源、聚焦光学元件及光束整形装置而变化。多数情况下焦平面与材料表面 / 加工面重合,也可进行偏移,示例如下:
  • 切割与焊接:根据工艺将焦点设于材料表面略上方、表面或下方。例如 CO₂焊接可将焦点置于材料下方,光纤激光焊接可置于上方。

  • 蚀刻 / 打标:焦点对准材料表面,以获得最大功率密度,避免对比度与清晰度下降。

用于切割或焊接的光束通常先经准直以抑制发散、减小反射与折射,再聚焦至极小光斑以实现光洁切割或焊接。焦点位置偏移会影响加工质量、深度、宽度与良率。

光束形状

常见形状:
  1. 高斯型:光强 / 能量密度从中心沿径向递减 —— 切割、钻孔、焊接常用形状

  2. 贝塞尔型:中心亮斑外围环绕强度递减的环 —— 电子用玻璃与复合材料切割;塑料与金属高精度钻孔

  3. 平顶型:光束截面内光强 / 能量密度均匀,可在更大区域实现恒定能量输入

  4. 环形(甜甜圈型):中心高能量被环形区域包裹,能量集中于中心及周边,用于焊接

  5. 线光斑:大面积退火

  6. 多点光斑、矩形光斑、方形光斑:用于工艺优化场景

  7. 椭圆形光束

光束轮廓仪可快速、有效地量化光束相对光强分布,验证光束形状。

光束传输特性

光束传输描述激光在自由空间中的传播行为,主要参数为M²(光束质量因子)、发散角、指向稳定性。
M²表征光束光强分布接近理想高斯光束的程度,反映光束聚焦能力。例如激光切割对聚焦性能要求高,因此希望 M² 值更低。
  • M² = 1:理想高斯光束

  • M² 接近 1(低 M²):可聚焦至更小光斑,准直性更优

  • M² > 1:聚焦性能变差,高斯特性减弱

发散角描述光束在远场(远超瑞利长度)从束腰向外扩散的角度。发散角接近 0 表明光束为准直光(如聚焦前),有助于确保聚焦后光斑尺寸与位置准确。
指向稳定性是激光传输方向相对光轴的偏角,数值为 0 表示与光轴完全对准。它表征激光远离光源时的中心保持能力,包含精度与重复性。指向测量有助于优化光束对准。对准偏差可能由环境或高功率激光器热波动、衰减及使用时长等因素引起。


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