激光加工技術(shù)論文

1、激光加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展摘要：關(guān)鍵詞：1.引言：1.激光加工的原理激光加工是以激光為熱源對(duì)工件進(jìn)行熱加工。從激光器輸出的高強(qiáng)度激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦到工件上，其焦點(diǎn)處的功率密度高達(dá)1071012瓦厘米2，溫度高達(dá)1萬(wàn)攝氏度以上，任何材料都會(huì)瞬時(shí)熔化、氣化。激光加工就是利用這種光能的熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行焊接、打孔和切割等加工的。通常用于加工的激光器主要是固體激光器（圖1）和氣體激光器（圖2）。使用二氧化碳?xì)怏w激光器切割時(shí)，一般在光束出口處裝有噴嘴，用于噴吹氧、氮等輔助氣體，以提高切割速度和切口質(zhì)量。由于激光加工是無(wú)接觸式加工，工具不會(huì)與工件的表面直接磨察產(chǎn)生阻力，所以激光加工的速度極快、加工對(duì)象受熱影響的

2、范圍較小而且不會(huì)產(chǎn)生噪音。由于激光束的能量和光束的移動(dòng)速度均可調(diào)節(jié)，因此激光加工可應(yīng)用到不同層面和范圍上。加工過(guò)程大體上可分為如下幾個(gè)階段：1.激光束照射工件材料（光的輻射能部分被反射，部分被吸收并對(duì)材料加熱，部分因熱傳導(dǎo)而損失）；2.工件材料吸收光能；3.光能轉(zhuǎn)變成熱能是工件材料無(wú)損加熱（激光進(jìn)入工件材料的深度極淺，所以在焦點(diǎn)中央，表面溫度迅速升高）；4.工件材料被熔化、蒸發(fā)、汽化并濺出去除或破壞；5.作用結(jié)束與加工區(qū)冷凝。.主要特點(diǎn)（1）、激光束容易控制,易于與精密機(jī)械、精密測(cè)量技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)相結(jié) 合，實(shí)現(xiàn)加工的高度自動(dòng)化和達(dá)到很高的加工精度；（2）、激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨

3、損問(wèn)題；（3）、工件不受應(yīng)力，不易污染；（4）、可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的工件或密封在玻璃殼內(nèi)的材料加工；（5）、激光束的發(fā)散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級(jí),作用時(shí)間可以短到納秒和皮秒,同時(shí),大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達(dá)千瓦至十千瓦量級(jí)，因而激光既適于精密微細(xì)加工,又適于大型材料加工；（6）、激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化，即使熔點(diǎn)高、硬度大和質(zhì)脆的材料(如陶瓷、金剛石等)也可用激光加工；（7）、在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方，可用機(jī)器人進(jìn)行激光加工。2.激光加工技術(shù)種類主要包括激光焊接技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光鉆孔技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光熱處理技術(shù)。4.1

4、激光焊接技術(shù)激光焊接是激光材料加工技術(shù)應(yīng)用的重要方面之一，焊接過(guò)程屬熱傳導(dǎo)型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散，通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。3由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成功地應(yīng)用于微、小型零件焊接中。與其它焊接技術(shù)比較，激光焊接的主要優(yōu)點(diǎn)是：激光焊接速度快、深度大、變形小；能在室溫或特殊的條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡(jiǎn)單。 4.2激光切割技術(shù)激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比，激光切割其具有高的切割質(zhì)量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。 它包括：

5、4.2.1激光熔化切割在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助氣流把熔化的材料噴射出去。因?yàn)椴牧系霓D(zhuǎn)移只發(fā)生在其液態(tài)情況下，所以該過(guò)程被稱作激光熔化切割。 4.2.2激光火焰切割激光火焰切割與激光熔化切割的不同之處在于使用氣作為切割氣體，借助于氧氣和加熱后的金屬之間的相互作用，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)材料進(jìn)一步加熱。對(duì)于相同厚度的結(jié)構(gòu)鋼，采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。4.2.3激光氣化切割為了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上，材料的厚度一定不要大大超過(guò)激光光束的直徑。該加工因而只適合于應(yīng)用在必須避免有熔化材料排除的情況下。4.3激光鉆孔傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔最小的尺寸僅為100m ，這顯然已不能滿足工業(yè)發(fā)展要

6、求，代而取之的是一種新型的激光微型過(guò)孔加工方式。目前用CO2激光器加工在工業(yè)上可獲得過(guò)孔直徑達(dá)到在30-40m的小孔或用UV激光加工10m左右的小孔。4.4激光打孔采用脈沖激光器可進(jìn)行打孔,脈沖寬度為0.11毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.0051毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲 頭等工件的加工。在微電子學(xué)中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區(qū)小。4用激光可對(duì)流水線上的工件刻字或打標(biāo)記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。4.5激光微調(diào)激光微調(diào)精度高、速度快，適于大規(guī)模生產(chǎn)?？梢孕迯?fù)有缺陷的集成電路的掩模，修補(bǔ)集成電路存儲(chǔ)器以提高

7、成品率，還可以對(duì)陀螺進(jìn)行精確的動(dòng)平衡調(diào)節(jié)。4.6激光熱處理用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)和控制照射時(shí)間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達(dá)到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點(diǎn)是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小，可處理形狀復(fù)雜的零件和部件，可對(duì)盲孔和深孔的內(nèi)壁進(jìn)行處理。5.激光加工應(yīng)用5.1在服裝行業(yè)的應(yīng)用 因?yàn)榧す饧庸すに嚲哂凶詣?dòng)化程度高、加工精確高、速度快、效率高、操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，適應(yīng)了國(guó)際服裝生產(chǎn)技術(shù)潮流所以激光加工技術(shù)以及設(shè)備正在以驚人的速度在服裝行業(yè)內(nèi)得到推廣和普及。 5.1.1激光切割應(yīng)用激光切割過(guò)程中，不會(huì)使布料變形或起皺，激光切割尺寸精度高，激光

8、切割形狀可隨著圖稿進(jìn)行任意更改，增加了設(shè)計(jì)的實(shí)用性和創(chuàng)造性。另外，激光切割技術(shù)是用“激光刀”代替金屬刀，激光切割任何面料，能瞬間將切口熔化并凝固，縫隙小、精確度高達(dá)到自動(dòng)“鎖邊”的功能。傳統(tǒng)工藝用刀模切割或熱加工，切口易脫絲、發(fā)黃、發(fā)硬。 5.1.2激光雕刻應(yīng)用激光雕刻是利用軟件技術(shù)，按設(shè)計(jì)圖稿輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)雕刻。激光雕刻是激光加工技術(shù)在服裝行業(yè)中運(yùn)用最成熟、最廣泛的技術(shù)，能雕刻任何復(fù)雜圖形標(biāo)志，還可以進(jìn)行射穿的鏤空雕刻和表面雕刻，從而雕刻出深淺不一、質(zhì)感不同、具有層次感和過(guò)渡顏色效果的各種圖案。 5.1.3激光打標(biāo)應(yīng)用激光打標(biāo)具有打標(biāo)精度高、速度快、標(biāo)記清晰等特點(diǎn)。激光打標(biāo)兼容了激光切割、

9、雕刻技術(shù)的各種優(yōu)點(diǎn)，可以在各種材料上進(jìn)行精密加工，還可以加工尺寸小且復(fù)雜的圖案，激光標(biāo)記具有永不磨損的防偽性能。 5.2在電子工業(yè)中的應(yīng)用 激光加工技術(shù)屬于非接觸性加工方式，所以不產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力，特別符合電子行業(yè)的加工要求。另外，還由于激光加工技術(shù)的高效率、無(wú)污染、高精度、熱影響區(qū)小，因此在電子工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 5.2.1激光劃片激光劃技術(shù)是生產(chǎn)集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，其劃線細(xì)、精度高(線寬為15-25m，槽深5-200m)、加工速度快(可達(dá)200mm/s)，成品率達(dá) 99.5%以上。集成電路生產(chǎn)過(guò)程中，在一塊基片上要制備上千個(gè)電路，在封裝前要把它們分割成單個(gè)管芯?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)脈沖重疊量

10、可精確控制刻槽深度，使硅片很容易沿溝槽整齊斷開(kāi)，也可進(jìn)行多次割劃而直接切開(kāi)，形成單個(gè)管芯。由于激光被聚焦成極小的光斑，熱影響區(qū)極小，切劃50m深的溝槽時(shí)，在溝槽邊25m的地方溫升不會(huì)影響有源器件的性能。5.2.2激光微調(diào) 激光微調(diào)技術(shù)可對(duì)指定電阻進(jìn)行自動(dòng)精密微調(diào)，精度可達(dá)0.01%一0.002%，比傳統(tǒng)方法的精度和效率高，成本低。集成電路、傳感器中的電阻是一層電阻薄膜，制造誤差達(dá)上15一20%，只有對(duì)之進(jìn)行修正，才能提高那些高精度器件的成品率。激光可聚焦成很小的光斑，能量集中，加工時(shí)對(duì)鄰近的元件熱影響極小，不產(chǎn)生污染，又易于用計(jì)算機(jī)控制，因此可以滿足快速微調(diào)電阻使之達(dá)到精確的預(yù)定值的目的。55

11、.2.3激光打標(biāo) 激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對(duì)工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)有雕刻和掩模成像兩種方式:掩模式打標(biāo)用激光把模版圖案成像到工件表面而燒蝕出標(biāo)記。5雕刻式打標(biāo)是一種高速全功能打標(biāo)系統(tǒng)，激光束經(jīng)二維光學(xué)掃描振鏡反射后經(jīng)平場(chǎng)光學(xué)鏡頭聚焦到工件表面，在計(jì)算機(jī)控制下按設(shè)定的軌跡使材料汽化，可以打出各種文字、符號(hào)和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級(jí)。激光標(biāo)記是永久性的，不易磨損，這對(duì)產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。5.3在汽車工業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)用于汽車工業(yè)的激光加工技術(shù)主要有激光切割和激光焊接(約占60)、激光打孔和打標(biāo)(約占19

12、)， 激光表面處理和研發(fā)(約占15)。激光加工技術(shù)既是新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)保證，又是生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本汽車的有效和不可或缺的技術(shù)手段。在國(guó)外，主要應(yīng)用如下：(1)、白車身激光焊接：汽車工業(yè)中的在線激光焊接大量用在白車身沖壓零件的裝配和聯(lián)接上。主要應(yīng)用包括：車頂蓋激光焊、行李箱蓋激光釬焊及車架激光焊接。(2)、不等厚激光拼焊板：車身制造采用不等厚激光拼焊板可減輕車身重量，減少零件數(shù)量，提高安全可靠性及降低成本。(3)、齒輪及傳動(dòng)部件焊接：汽車自動(dòng)變速器駐車棘輪的材料有淬火鋼、奧氏體鋼和特種合金等，通過(guò)激光焊接技術(shù)，可將這些不同組分的材料連接起來(lái)，而且無(wú)裂紋出現(xiàn)。(4)、非金屬及對(duì)電磁性、變形或熱影響

13、有要求的汽車零件焊接。(5)、激光切割：在汽車工業(yè)中，激光切割主要用于新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程快速切割車身樣件。(6)、激光打孔：噴油嘴打孔是激光打孔最具潛力的一項(xiàng)應(yīng)用。(7)、激光熱處理及涂敷：激光涂敷是近十幾年開(kāi)展起來(lái)的大規(guī)模研究的新技術(shù)，在普通金屬材料表面涂敷一層耐磨、耐蝕特殊合金涂層的前景十分誘人。 (8)、激光打標(biāo)：從設(shè)備數(shù)量看，激光打標(biāo)是應(yīng)用最多的激光加工技術(shù)，主要用在零件的標(biāo)記及識(shí)別上。65.4激光焊接在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用激光焊接在機(jī)械性能、抗蝕性能和電磁學(xué)性能上均優(yōu)于常規(guī)焊接方法，其特點(diǎn)是被焊接工件變形極小，能量密度高，精確控制，穿透能力強(qiáng)，焊縫的深寬比高，熱輸入量低，熱影響區(qū)小，焊接質(zhì)量

14、比傳統(tǒng)焊接方法好，可應(yīng)用于農(nóng)機(jī)制造。如耕作、播種和收獲機(jī)械的許多零部件其切割原理直接與土壤接觸，需要極強(qiáng)的抗阻能力，應(yīng)用激光焊接技術(shù)可大大提高關(guān)鍵部件的加工質(zhì)量，延長(zhǎng)農(nóng)機(jī)具的使用壽命。7并且，激光焊接不受磁場(chǎng)的影響，不局限于導(dǎo)電材料，不需要真空的工作條件，適用于農(nóng)機(jī)制造的環(huán)境，在農(nóng)機(jī)制造中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。6.激光加工技術(shù)現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨向 6.1激光加工技術(shù)現(xiàn)狀和各領(lǐng)域的發(fā)展 作為20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會(huì)光電子技術(shù)的支柱之一，激光技術(shù)和激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界先進(jìn)國(guó)家的高度重視。 激光加工是國(guó)外激光應(yīng)用中最大的項(xiàng)目，也是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)革新的重要手段，主要是kW級(jí)到10kW級(jí)

15、CO2激光器和百瓦到千瓦級(jí)YAG激光器實(shí)現(xiàn)對(duì)種種質(zhì)料的切割、焊接、打孔、刻劃和熱處理等。據(jù)19971998年的最新激光市場(chǎng)品評(píng)和預(yù)測(cè)，1997年全世界總激光器市場(chǎng)販賣額達(dá)32.2億美元，比1996年增長(zhǎng)14，其中質(zhì)料加工為8.29億美元，醫(yī)療應(yīng)用3億美元，研究領(lǐng)域1.5億美元。1998年總收入預(yù)計(jì)增長(zhǎng)19，可到達(dá)38.2億美元。其中占第一位的質(zhì)料加工預(yù)計(jì)凌駕10億美元，醫(yī)用激光器是外國(guó)第二大應(yīng)用。 6.2激光制造體系的發(fā)展 用于制造業(yè)中的激光體系即激光制造體系，由激光器、激光傳輸體系、激光聚焦體系、控制體系、活動(dòng)體系、傳感與檢測(cè)體系組成，其焦點(diǎn)為激光器。 激光作為熱源或光源（能量）是激光制造中

16、的“刀具”或“工具”。該“刀具”或“工具”的質(zhì)量直接影響著加工制造的效果。激光光束質(zhì)量的好壞可以采用光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、光束聚焦特性參數(shù)值Kf和衍射極限倍因子M2(M)或光束傳輸因子K值來(lái)表現(xiàn)。對(duì)小功率激光器，如果物質(zhì)均勻穩(wěn)固，通?？梢詫?shí)現(xiàn)基模輸出，其光束橫截面能量散布為高斯散布，且在傳輸過(guò)程中連結(jié)穩(wěn)固，光束質(zhì)量較好；對(duì)于大功率激光器，一般不易得到基模輸出，輸出的通常為多模激光束，激光光束質(zhì)量變差?，F(xiàn)在工業(yè)上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器兩種。大功率激光器的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，激光切割、激光焊接都需要優(yōu)良的光束質(zhì)量，而尋求高光束質(zhì)量的大功率激光是工業(yè)用激光器不停發(fā)展的目的。 從196

17、4年第一臺(tái)CO2激光器出現(xiàn)到如今，經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，從封離式CO2激光器、慢速軸流CO2激光器、橫流CO2激光器，到高頻羅茲泵型快速軸流、射頻turbo型快速軸流以至現(xiàn)在出現(xiàn)的擴(kuò)散型Slab CO2激光器的發(fā)展中可以看到,一方面激光輸出功率不斷前進(jìn)，體積不斷縮小，另一方面激光器的屈從不斷發(fā)展，光束質(zhì)量越來(lái)越好。擴(kuò)散型Slab CO2激光器光束橫截面上光強(qiáng)分布靠近高斯分布，具有極好的光束質(zhì)量，在加大的激光加工區(qū)焦點(diǎn)的漂移很小，非常有利于大領(lǐng)域激光傳輸與聚集，這對(duì)大尺寸工件的切割應(yīng)用非常重要。 工業(yè)用固體YAG激光器也經(jīng)歷了從小功率燈泵浦（棒狀）、燈泵浦（板條）、雙燈泵浦（多棒）到光纖泵浦（棒狀）、半導(dǎo)體泵浦（棒狀）和片狀固體激光器的歷程。由于受物質(zhì)熱物理性的制約，YAG激光光束質(zhì)量相對(duì)較差。怎樣提高光束質(zhì)量和激光功率，依然是YAG激光器面臨的重要題目。值得注意的是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光具有小型化、頻率極高、與光纖良好耦合、易于調(diào)制等優(yōu)良特性，因而具有遼闊的應(yīng)用前景。要在差異產(chǎn)業(yè)中普遍應(yīng)用激光制造技術(shù)，很大水平上要依賴于激光加工體系的性能與工藝。歐、美、日一些國(guó)家在新光源、加工體系及工藝等方面的研究與開(kāi)發(fā)就從未降溫過(guò)。隨著激光工業(yè)的研究與開(kāi)發(fā)、器件與單元技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，以高性能、寬