激光加工技术应用

1、激光先进制造技术论文 激光加工技术的应用 学院 ：经济与管理学院专业 ：金融班级 ：1105姓名 ：杨承学号 ：20111310200（一）引言20 世纪20 年代爱因斯坦提出的光受激辐射的概念预见了激光的产生, 40年后的1960年美国科学家梅曼率先研制成功的第一台红宝石激光器标志着激光的正式诞生, 随后, 激光技术迅猛发展。继固体激光器后, 气体激光器、 化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X 射线激光器和光纤激光器相继问世, 应用领域也扩展到诸如电子、轻工、 包装、礼品、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等, 为传统工业的技术改造和制造业的现代化提供先进的技术装备。激光与普通光相比有 4 个特性 即: 单色性(单一波长)、 相干性、 方向性和高光强。激光束易于传输, 其时间特性和空间特性可以分别控制, 经聚焦后可得到极小的光斑, 具有极高功率密度的激光光束可以熔化、 气化任何材料, 也可对材料的局部区域进行精密快速加工。加工过程中输入工件的热量小,热影响区和热变形小; 加工效率高; 易于实现自动化。激光技术是一门综合性高新技术, 涉及

2、光学、 机械学、 电子学等学科。同样, 激光加工设备也涉及到众多学科, 因而决定了它的高科技性和高收益率。纵观国际和国内激光应用情况 经过多年的研究开发和完善, 当代的激光器和激光加工技术与设备已相当成熟, 形成了系列激光加工工艺。激光是本世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力，专家们认为，现在是电子技术的全胜时期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是激光。激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。（二） 正文一 、激光加工的原理及其特点 1、激光加工的起源： 早期的激光加工由于功率较小，大多用于打小孔和微型焊接。到20世纪70年代，随着大功率二氧化碳激光器、高重复频率钇铝石榴石激光器的出现，以及对激光加工机理和工艺的深入研究，激光加工技

3、术有了很大进展，使用范围随之扩大。数千瓦的激光加工机已用于各种材料的高速切割、深熔焊接和材料热处理等方面。各种专用的激光加工设备竞相出现，并与光电跟踪、计算机数字控制、工业机器人等技术相结合，大大提高了激光加工机的自动化水平和使用功能。2、激光加工的原理：激光加工是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能，利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术，涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科。由于激光加工是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光加工的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光加工可应用到不同层面和范围上。由于激光加工热影响区域小，光束方向性好，几乎可以加工任何材料。常用来进行选择性加工，精密加工。由于激光加工的特殊特点，其发展前景广阔，目前已广泛应用于激光焊接、激光切割、表面改性、激光打标、切削加工，快速成形，激光钻孔和基板划片，半导体处理等。加工过程大体上可分为如下几个阶段：1.激光束

4、照射工件材料（光的辐射能部分被反射，部分被吸收并对材料加热，部分因热传导而损失）；2.工件材料吸收光能；3.光能转变成热能是工件材料无损加热（激光进入工件材料的深度极浅，所以在焦点中央，表面温度迅速升高）；4.工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出去除或破坏；5.作用结束与加工区冷凝。 3、激光加工的特点： 激光具有的宝贵特性决定了激光在加工领域存在的优势由于它是无接触加工，并且高能量激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工的目的。它可以对多种金属、非金属加工，特别是可以加工高硬度、高脆性、及高熔点的材料。 激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件。激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有影响或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。它可以通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。由于激光束易于导向、聚集实现作各方向变换，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此是一种极为灵活的加工方法。使用激光加工，生产效率高，质量可靠，经济效益好。例如：1.美国通用电器公司采用板条激光器加工航空发动机上的异形槽，不到

5、4H即可高质量完成，而原来采用电火花加工则需要9H以上。仅此一项，每台发动机的造价可省5万美元。2.激光切割钢件工效可提高8-20倍，材料可节省15-30%，大幅度降低了生产成本，并且加工精度高，产品质量稳定可靠。虽然激光加工拥有许多优点，但不足之处也是很明显的。二 、目前激光加工的技术及应用用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。激光加工有许多优点：激光功率密度大，工件吸收激光后温度迅速升高而熔化或汽化，即使熔点高、硬度大和质脆的材料(如陶瓷、金刚石等)也可用激光加工。激光头与工件不接触，不存在加工工具磨损问题。工件不受应力，不易污染。可以对运动的工件或密封在玻璃壳内的材料加工。激光束的发散角可小于1毫弧，光斑直径可小到微米量级,作用时间可以短到纳秒和皮秒,同时,大功率激光器的连续输出功率又可达千瓦至十千瓦量级，因而激光既适于精密微细加工,又适于大型材料加工。激光束容易控制,易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度。在恶劣环境或其他人难以接近的地方，可用机器人进行激光加工。目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成

6、形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。 1、 激光快速成形技术激光快速成型技术是上世纪80年代发展起来的一门高新技术，它是利用激光技术、CAX 技术、自动控制技术和新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一门多学科综合技术激光快速成型技术一改传统加工“去除”成型加工工艺，改为“堆积”成型加工工艺，在加工领域具有划时代的意义。激光快速成型技术中LOM工艺，是利用CAD模型设计功能和CAM加工制造功能，不需要工程图纸，将设计模型数据直接切片生成加工代码，快速制造出设计模型样件或样机。在新产品开发设计阶段，采用激光快速成型技术可有效缩短设计周期。如河北工业大学快速成型中心，对某型号汽车除霜管设计制造在一两天中即可完成，并取得了良好的效果目前，激光快速成型技术广泛应用于航空航天、汽车、玩具制造等行业 。2、激光焊接技术激光焊接是利用高能量激光束照射焊接工件，工件受热融化，然后冷却得到焊接的目的。激光焊接的显著特征是大熔、焊道、小热影响区，以及高功率密度，大

7、气压力下进行不要求保护气体，不产生X射线，在磁场内不会出现束偏移，更加之该法焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料便于实现遥控等优点，尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料，因此很快在电子行业中实现了产业化。激光焊接有两种基本方式：传导焊与深熔（小孔）焊。国外利用固体 YAG 激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平。另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响。日本自 90 年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变。目前，激光焊接主要应用在汽车行业，如汽车车身的焊接（美国福特汽车公司） ，底板焊接（西德大众） ，发动机悬架焊接（奥迪轿车）等等 。 3、 激光打标技术激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米量到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。准分子激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛

8、用于微电子工业和生物工程。4、激光打孔技术激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。激光打孔在微细孔加工中的应用，解决了一些传统机械加工不能解决的难题，为微孔加工提供了先进的加工手段。在上世纪 90年代，激光打孔技术就朝着多样化、高速度、高精度、直径更微小的方向发展。例如在飞机机翼上打 5万个直径为0.064 mm 的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力，取得节油 40%的良好效果。我国从上世纪 60 年代开始在钟表行业中使用激光加工技术，对宝石轴承进行激光打孔。 5、激光去重平衡技术激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。 6、激光蚀刻技术自从首次报道准分子激光能获得快速、高分辨光刻以来，人们在八十年代即对准分子激光光刻进行了大量研究。尽管电子束、X射

9、线、离子束具有更短的波长，在提高分辨率方面有更多好处，但曝光源、掩模、抗蚀剂、成像光学系统方面存在极大的困难。而相反，准分子光刻有着明显的经济性和现实性，它将光学光刻扩展至 DUV 和 VUV，其高功率大大缩短了基片曝光时间，分辨率易获得亚微米线宽，掩模和抗蚀剂问题易解决。1992 年美国IBM公司将准分子光刻机用于生产线上，商品化的XL-1型193 nm光刻机能获得0.25 m线宽光刻胶图形。最近的相移掩模技术，将准分子光刻分辨率提高到0.13 m以下。另一方面，准分子激光直刻有机和无机物材料方面有着独到之处，单脉冲去除深度在0.05 0.1 m 之间，这使得通过简单的脉冲计数即可获得高精密切削。将准分子光刻装备进行适合于材料加工的改进，如使掩模及整个光学系统能承受更大激光峰值功率密度，采用高倍率投影物镜，设计实时残渣去除系统等，则非常适于新近迅速发展起来的微结构、 微机械的加工技术。目前，英国Exitech公司，德国Microlas公司，日本浜松光子公司先后推出了商品化微结构加工用准分子激光微加工装备。激光刻蚀技术主要应用在高集成度电路的制作。 7、激光微调技术激光微调主要用于调整厚膜电路或薄膜电路中的电阻、电容以及其他多种功能参数。激光调阻时，受到照射的部位受热汽化挥发，阻值区域截面面积减小，随之阻值增大。过去对厚膜电阻采用机械磨蚀法，对薄膜电阻采用电火花烧蚀法，但这种调整法的精度、效率都很低，对工件产生严重污染，引起调阻后阻值漂移，改用激光微调则有很大的优越性。激光微调的实质是打孔，每次打孔都很浅，约至几十纳米至几十微米之间，然后通过连续不断的打孔，搭接成一条线。激光微调电阻除用强光照射将部分电阻膜气化外，还可通过无损

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