激光加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

激光加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

0激光加工技術(shù)激光加工技術(shù)研究是河北省工業(yè)大學(xué)“211工程”重點學(xué)科建設(shè)項目之一。該項目自2002年開始進行理論和實踐研究。經(jīng)過兩年多的研究，在yag的激光掃描加工、激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、激光鉆孔和激光去除重量等方面取得了初步成果。激光加工技術(shù)的發(fā)展使傳統(tǒng)的加工技術(shù)實現(xiàn)了新的飛躍?，F(xiàn)在，激光加工技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，具有廣闊的市場前景，在經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。激光加工的實質(zhì)是激光將能量傳遞給被加工材料,被加工材料發(fā)生物理或化學(xué)變化,從而達到加工的目的.按照激光與被加工工件之間作用機理的不同,可將激光加工分為兩類:一類是激光熱加工,一類是激光冷加工.激光熱加工是指激光作用于加工工件表面所引起的快速熱效應(yīng)的各種加工過程,如激光焊接、激光打孔、激光切割等;激光冷加工是指激光借助高能量高密度光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過程,亦稱為激光光化學(xué)反應(yīng)加工,如激光刻蝕、激光摻雜、表面氧化等.激光加工技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛,如機械制造、紡織、醫(yī)療器械、汽車、航天航空、電子電器、電站電機、量具刃具、冶金、化工、包裝、測量、建筑以及工藝裝飾等行業(yè).在發(fā)達國家的加工行業(yè)中,已經(jīng)逐步進入了激光加工的時代.日本的激光加工已經(jīng)占到整個加工業(yè)的10%以上;在激光醫(yī)療及激光檢測技術(shù)方面美國處于領(lǐng)先地位,美國也是最早將高功率激光器引入汽車工業(yè)的國家;在激光材料加工設(shè)備方面,德國走在了世界前列.據(jù)統(tǒng)計,全球現(xiàn)在有激光加工站5000多家,主要分布在美國、日本和歐洲.我國的激光加工技術(shù)研究雖然與世界先進水平有一定差距,但起步也并不晚,1961年就研制成功第一臺紅寶石激光器.但激光加工技術(shù)真正得到長足發(fā)展,還是在改革開放以后.發(fā)展較快的地區(qū)是湖北、北京、上海等省市.以激光為特色的光電子信息產(chǎn)業(yè),作為一支產(chǎn)業(yè)新軍迅速崛起.不論從科技、經(jīng)濟、以及社會效益上,都取得了重要成就和巨大進步.1激光加工原理激光具有高亮度、方向性強、單色性好、相干性好、空間控制和時間控制性好等優(yōu)越性能,容易獲得超短脈沖和小尺寸光斑,能夠產(chǎn)生極高的能量密度和功率密度,幾乎能加工所有的材料,例如,塑料,陶瓷,玻璃,金屬,半導(dǎo)體材料,復(fù)合材料等等,以及生物/醫(yī)用材料,特別適用于加工自動化,而且對被加工材料的形狀、尺寸和加工環(huán)境要求很低.激光加工具有很多優(yōu)點,如下所述.激光加工屬無接觸加工:激光加工是通過激光光束進行加工,與被加工工件不直接接觸,降低了機械加工慣性和機械變形,方便了加工.同時,還可加工常規(guī)機械加工不能或很難實現(xiàn)的加工工藝,如內(nèi)雕、集成電路打微孔、硅片的刻劃等.加工質(zhì)量好,加工精度高:由于激光能量密度高可瞬時完成加工,與傳統(tǒng)機械加工相比,工件熱變形小、無機械變形,使得加工質(zhì)量顯著提高;激光可通過光學(xué)聚焦鏡聚焦,激光加工光斑非常小,加工精度很高,如PC機硬盤高速轉(zhuǎn)子采用激光平衡技術(shù),其轉(zhuǎn)子平衡精度可達微米或亞微米級.加工效率高:激光切割可比常規(guī)機械切割提高加工效率幾十倍甚至上百倍;激光打孔特別是微孔可比常規(guī)機械打孔提高效率幾十倍至上千倍;激光焊接比常規(guī)焊接提高效率幾十倍;激光調(diào)阻可提高效率上千倍,且精度亦顯著提高;材料利用率高,經(jīng)濟效益高:激光加工與其他加工技術(shù)相比可節(jié)省材料10～30%,可直接節(jié)省材料成本費,且激光加工設(shè)備操作維護成本低,對加工費用降低提供了先決條件.激光加工具有優(yōu)越的加工性能,使得激光加工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益.目前已成熟的激光加工技術(shù)包括:激光快速成形技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光切割技術(shù)、激光打標(biāo)技術(shù)、激光刻蝕技術(shù)、激光微調(diào)技術(shù)、激光存儲技術(shù)、激光劃線技術(shù)、激光清洗技術(shù)、激光熱處理和表面處理技術(shù).下面以幾種常用的加工工藝為例進行簡單的介紹.1.1lomlom工藝設(shè)計激光快速成型技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一門高新技術(shù),它是利用激光技術(shù)、CAX技術(shù)、自動控制技術(shù)和新材料技術(shù),直接造型,快速制造產(chǎn)品模型的一門多學(xué)科綜合技術(shù).激光快速成型技術(shù)一改傳統(tǒng)加工“去除”成型加工工藝,改為“堆積”成型加工工藝,在加工領(lǐng)域具有劃時代的意義.激光快速成型技術(shù)中LOM工藝,是利用CAD模型設(shè)計功能和CAM加工制造功能,不需要工程圖紙,將設(shè)計模型數(shù)據(jù)直接切片生成加工代碼,快速制造出設(shè)計模型樣件或樣機.在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段,采用激光快速成型技術(shù)可有效縮短設(shè)計周期.如河北工業(yè)大學(xué)快速成型中心,對某型號汽車除霜管設(shè)計制造在一兩天中即可完成,并取得了良好的效果.目前,激光快速成型技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、玩具制造等行業(yè).1.2精密激光焊接的應(yīng)用激光焊接是利用高能量激光束照射焊接工件,工件受熱融化,然后冷卻得到焊接的目的.激光焊接的顯著特征是大熔、焊道、小熱影響區(qū),以及高功率密度,大氣壓力下進行不要求保護氣體,不產(chǎn)生X射線,在磁場內(nèi)不會出現(xiàn)束偏移,更加之該法焊速快、與工件無機械接觸、可焊接磁性材料便于實現(xiàn)遙控等優(yōu)點,尤其可焊高熔點的材料和異種金屬,并且不需要添加材料,因此很快在電子行業(yè)中實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化.激光焊接有兩種基本方式:傳導(dǎo)焊與深熔(小孔)焊.國外利用固體YAG激光器進行縫焊和點焊,已有很高的水平.另外,用激光焊接印刷電路的引出線,不需要使用焊劑,并可減少熱沖擊,對電路管芯無影響.日本自90年代以來,在電子行業(yè)的精密焊接方面已實現(xiàn)了從點焊向激光焊接的轉(zhuǎn)變.目前,激光焊接主要應(yīng)用在汽車行業(yè),如汽車車身的焊接(美國福特汽車公司,日本本田、尼桑汽車公司等),底板焊接(西德大眾),發(fā)動機懸架焊接(奧迪轎車)等等.1.3脈沖激光雷達關(guān)鍵技術(shù)激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強、效率高、成本低和綜合技術(shù)經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點,已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一.激光打孔在微細(xì)孔加工中的應(yīng)用,解決了一些傳統(tǒng)機械加工不能解決的難題,為微孔加工提供了先進的加工手段.在上世紀(jì)90年代,激光打孔技術(shù)就朝著多樣化、高速度、高精度、直徑更微小的方向發(fā)展.例如在飛機機翼上打5萬個直徑為0.064mm的小孔,可以大大減小氣流對飛機的阻力,取得節(jié)油40%的良好效果.我國從上世紀(jì)60年代開始在鐘表行業(yè)中使用激光加工技術(shù),對寶石軸承進行激光打孔.自從1967年Sullivan和Houldcroft首先提出并實現(xiàn)用吹氧氣法進行金屬激光切割以來,激光切割以其切割范圍廣、切割速度高、切縫窄、切割面粗糙度低、熱影響區(qū)域小、加工柔性好、可實現(xiàn)眾多復(fù)雜零件的切割等優(yōu)點而應(yīng)用越來越廣.激光切割技術(shù)可廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工中,可大大減少加工時間,降低加工成本,提高工件質(zhì)量.脈沖激光適用于金屬材料,連續(xù)激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域.目前,激光切割主要應(yīng)用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)中,如飛機框架、尾翼壁板、飛機主旋翼、汽車車架等切割.1.5汽化和準(zhǔn)分子激光打標(biāo)激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一.激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射,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)可以打出各種文字、符號和圖案等,字符大小可以從毫米量到微米量級,這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義.準(zhǔn)分子激光打標(biāo)是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù),特別適用于金屬打標(biāo),可實現(xiàn)亞微米打標(biāo),目前,廣泛用于微電子工業(yè)、生物工程、食品包裝和防偽鑒別等領(lǐng)域.1.6準(zhǔn)分子光刻技術(shù)自從首次報道準(zhǔn)分子激光能獲得快速、高分辨光刻以來,人們在八十年代即對準(zhǔn)分子激光光刻進行了大量研究.盡管電子束、X射線、離子束具有更短的波長,在提高分辨率方面有更多好處,但曝光源、掩模、抗蝕劑、成像光學(xué)系統(tǒng)方面存在極大的困難.而相反,準(zhǔn)分子光刻有著明顯的經(jīng)濟性和現(xiàn)實性,它將光學(xué)光刻擴展至DUV和VUV,其高功率大大縮短了基片曝光時間,分辨率易獲得亞微米線寬,掩模和抗蝕劑問題易解決.1992年美國IBM公司將準(zhǔn)分子光刻機用于生產(chǎn)線上,商品化的XL-1型193nm光刻機能獲得0.25m線寬光刻膠圖形.最近的相移掩模技術(shù),將準(zhǔn)分子光刻分辨率提高到0.13m以下.另一方面,準(zhǔn)分子激光直刻有機和無機物材料方面有著獨到之處,單脈沖去除深度在0.05～0.1m之間,這使得通過簡單的脈沖計數(shù)即可獲得高精密切削.將準(zhǔn)分子光刻裝備進行適合于材料加工的改進,如使掩模及整個光學(xué)系統(tǒng)能承受更大激光峰值功率密度,采用高倍率投影物鏡,設(shè)計實時殘渣去除系統(tǒng)等等,則非常適于新近迅速發(fā)展起來的微結(jié)構(gòu)、微機械的加工技術(shù).目前,英國Exitech公司,德國Microlas公司,日本浜松光子公司先后推出了商品化微結(jié)構(gòu)加工用準(zhǔn)分子激光微加工裝備.激光刻蝕技術(shù)主要應(yīng)用在高集成度電路的制作.1.7激光調(diào)阻技術(shù)激光微調(diào)主要用于調(diào)整厚膜電路或薄膜電路中的電阻、電容以及其他多種功能參數(shù).激光調(diào)阻時,受到照射的部位受熱汽化揮發(fā),阻值區(qū)域截面面積減小,隨之阻值增大.過去對厚膜電阻采用機械磨蝕法,對薄膜電阻采用電火花燒蝕法,但這種調(diào)整法的精度、效率都很低,對工件產(chǎn)生嚴(yán)重污染,引起調(diào)阻后阻值漂移,改用激光微調(diào)則有很大的優(yōu)越性.激光微調(diào)的實質(zhì)是打孔,每次打孔都很淺,約至幾十納米至幾十微米之間,然后通過連續(xù)不斷的打孔,搭接成一條線.激光微調(diào)電阻除用強光照射將部分電阻膜氣化外,還可通過無損傷照射改變膜的結(jié)構(gòu)達到調(diào)整阻值的目的.激光調(diào)阻技術(shù)主要應(yīng)用于精密電阻阻值調(diào)解,精度可達0.1‰～0.02‰.1.8cd-4激光信息存儲光存儲是最早預(yù)見的激光應(yīng)用領(lǐng)域之一,激光存儲技術(shù)是信息以反射/非反射帶(正常表面和凹坑)的序列編碼,已達到信息存儲的目的.目前,計算機所用的可寫CD-ROM就是一種激光信息存儲和信息再現(xiàn)的介質(zhì).隨著信息技術(shù)的發(fā)展,對信息存儲的要求越來越高,數(shù)字視頻光盤(DVD)是下一代光存儲器,其存儲能力是CD-ROM的7倍.因數(shù)據(jù)存儲密度與激光波長的平方成反比,所以,發(fā)展波長更短的激光是提高激光存儲技術(shù)的關(guān)鍵.1.9印刷板、印刷板的激光加工與傳統(tǒng)劃片法相比,激光劃片有很多優(yōu)點.例如,它能開出狹窄的切口、幾乎沒有殘渣、熱影響區(qū)小、噪聲小,并可以節(jié)省材料15%～30%.由于激光對劃片材料幾乎不產(chǎn)生機械沖力和壓力,加上激光光斑小、劃縫窄,所以特別適宜于對細(xì)小部件作各種精密加工.瑞士某公司利用固體激光器進行精密加工,其尺寸精度已經(jīng)達到很高的水平.激光劃片制作印刷電路板PCB中表面安裝用模板(SMTStrncil)與傳統(tǒng)的SMT模板化學(xué)刻蝕法相比,其劃線細(xì)、精度高(線寬為15～25m,槽深為5～200m),加工速度快(可達200mm/s),成品率可達99.5%以上.化學(xué)刻蝕法其致命的缺點就是加工的極限尺寸不得小于板厚,且工序繁雜、加工周期長、腐蝕介質(zhì)污染環(huán)境.采用激光加工,不僅可以克服這些缺點,而且能夠?qū)Τ善纺０暹M行再加工,特別是加工精度及縫隙密度明顯優(yōu)于后者,制作費也由早期的遠(yuǎn)高于化學(xué)刻蝕到現(xiàn)在的略低于前者.但由于用于激光加工的整套設(shè)備技術(shù)含量高,售價亦很高,目前僅美國、日本、德國等少數(shù)國家的幾家公司能夠生產(chǎn)整機.1.10激光清洗技術(shù).激光清洗技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域中的重要環(huán)節(jié),傳統(tǒng)的清洗方法包括機械清洗法、化學(xué)清洗法和超聲波清洗法.他們在環(huán)境保護和高精度要求方面的應(yīng)用受到很大的限制.激光清洗技術(shù)是近10多年來發(fā)展起來的新型清洗技術(shù),它以自身的特點和優(yōu)點得到了很好的應(yīng)用,展示了廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景.集成電路硅基片的加工和光刻技術(shù)、微組裝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)要求相當(dāng)嚴(yán)格,光刻技術(shù)現(xiàn)在已達到0.13m以下水平.在此高精度的要求下,器件的清洗要求也非常嚴(yán)格,即使采用傳統(tǒng)清洗法中精度最高的超聲波清洗法進行清洗,也無法清除掉微電子產(chǎn)品中的次微米(0.5m以下)微小顆粒,影響高精度電子工業(yè)的發(fā)展.激光清洗技術(shù)的使用有效地解決了集成電路的清洗.1.11激光熱處理主要應(yīng)用于化工設(shè)備激光熱處理是指利用激光高能量密度的能量照射金屬材料表面時,材料表層溫度迅速升高,當(dāng)激光停止作用后,材料基體溫度迅速下降,從而使材料表層經(jīng)歷一個熱處理過程.通過控制激光功率、功率密度分布、激光作用時間等參數(shù),改變金屬熱循環(huán)形式,從而可以完成材料表層的淬火或退火等工藝.我國從上世紀(jì)70年代研制成功千瓦級CO2激光器之后,激光熱處理的工業(yè)應(yīng)用也取得了重要的成就.激光熱處理主要應(yīng)用于汽車工業(yè)(如美國通用汽車缸套熱處理生產(chǎn)線)和精密機械微小零部件的熱處理.目前,激光熱處理技術(shù)由于成本高、控制復(fù)雜,還處于實驗室技術(shù)層面,還沒有大范圍、大面積的工業(yè)化應(yīng)用.1.12表面改性技術(shù)激光表面處理主要包括以下幾方面的工藝:激光表面相變硬化(LTH)、激光表面熔化(LSM)、激光表面合金化(LSA)、激光表面涂覆(LSC)以及激光表面沖擊硬化(LSH).激光表面相變硬化是用高能量激光束照射材料表面,使表面溫度達到相變溫度點以上,當(dāng)激光束移開后,由于基體的傳熱使表面快速冷卻(自淬火),從而使材料表面硬化的一項技術(shù);激光表面熔化可使材料表面得到細(xì)晶組織、非晶態(tài)和亞穩(wěn)相,在滿足材料表面某些方面需要,如耐磨性、耐蝕性、防止氧化等方面顯示出獨特的優(yōu)點;激光表面合金化是利用激光照射使材料表面熔化并提供給表面(預(yù)覆或噴射)的合金元素的物質(zhì)熔化、混合均勻,以便在材料表面形成一個理想的合金層,從而改善材料表面性質(zhì)的工藝;激光表面涂覆和激光表面合金化技術(shù)相似,激光表面涂覆經(jīng)常用來提高材料的耐磨性、耐蝕性和耐高溫性能;激光表面沖擊硬化是利用激光脈沖使材料表面薄層(幾個原子厚)快速蒸發(fā),在表面原子移走的時候,發(fā)生動量脈沖并產(chǎn)生一個沖擊波或應(yīng)力波,對材料表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,從而達到改善材料疲勞壽命的目的.2激光切割和生產(chǎn)加工中心是激光加工的一個重要趨勢,但激光加工發(fā)展迅速,必須進行其它數(shù)控化和綜合化:把激光器與計算機數(shù)控技術(shù)、先進的光學(xué)系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結(jié)合,形成研制和生產(chǎn)加工中心,已成為激光加工發(fā)展的一個重要趨勢.小型化和集成化:可進行幾種工藝研制和生產(chǎn)加工的激光加工系統(tǒng),已成為激光加工的另一發(fā)展趨勢.國外已把激光切割和模具沖壓兩種加工方法組合在一臺機床上,制成激光沖床,它兼有激光切割的多功能性和沖壓加工的高速高效的特點,可完成切割復(fù)雜外形、打孔、打標(biāo)、劃線等加工.2.1多段疊置激光器激光加工系統(tǒng)的可靠性是實現(xiàn)穩(wěn)定加工的關(guān)鍵技術(shù)和前提條件.目前,國外YAG激光器的重復(fù)頻度已達2000次/s,二極管陣列泵浦的Nd:YAG激光器的平均維修時間已從原來的幾百小時提高到1～2萬h.2.2積極應(yīng)對激光加工技術(shù)發(fā)展的制度性環(huán)境支持波長短是實現(xiàn)高精度加工的前提.目前,國外發(fā)達國家激光加工的成熟技術(shù)是0.13m.而日本有90nm波長的激光報道,美國摩托羅拉公司有30nm波長的激光報道.加工新技術(shù)及新領(lǐng)域:隨著激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,激光加工新技術(shù)以及應(yīng)用新領(lǐng)域有待進一步的研究和開發(fā),例如,無粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光機制、激光選擇化學(xué)反應(yīng)、光計算機、激光電視等.目前,我國激光加工技術(shù)雖然得到了飛速的發(fā)展,但從總體來說還處于相對落后的水平.激光器質(zhì)量、激光加工工藝、導(dǎo)光系統(tǒng)以及高速傳動和精密定位系統(tǒng)等方面的技術(shù)不夠先進,是制約我國激光加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題.為了更快更好地發(fā)展我國的激光加工技術(shù),使之迅速趕上世界先進水平,應(yīng)當(dāng)制訂長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo),把制約激光加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題作為科學(xué)研究的主攻方向,同時進行具有規(guī)模效益的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,還要具有良好的政策和外部環(huán)境.一些發(fā)達國家的經(jīng)驗和做法,也是可以借鑒的.比如,日本對激光加工技術(shù)的研究開發(fā),是建立工業(yè)界、大學(xué)和政府聯(lián)合開發(fā)體制,在重要領(lǐng)域由國家選定目標(biāo),集中