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常見問題

激光加工的原理、特點與工藝之激光加工的工藝

    激光技術是涉及光、機、電、材料及檢測等多門學科的綜合技術。傳統上看,激光加工 工藝包括切割、焊接、表面處理、熔覆、打孔(標)、劃線等各種加工工藝。不同的材料加 工方式對激光制造系統的激光功率和光束質量的要求如圖1. 2所示。

     (1)激光焊接技術

     激光焊接是激光加工技術應用的重要方面之一。激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過 熱傳導向內部擴散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、功率密度和重復頻率等參數,使工件 熔化,形成特定的熔池。由于其獨特的優點,已成功應用于微小型零件焊接中。大功率 CO2激光器及大功率光纖激光器的出現,開辟了激光焊接的新領域。獲得了以小孔效應為 基礎的深熔焊,在機械、汽車制造、鋼鐵等工業部門獲得了日益廣泛的應用。

     激光焊接可以焊接難以接近的部位,施行非接觸遠距離的焊接,具有很大的靈活性。 YAG激光技術中采用光纖傳輸技術,使激光焊接技術獲得了更為廣泛的應用。激光束易實 現光束按時間與空間分光,能進行多光束同時加工,為更精密的焊接提供了條件。例如,可 用于汽車車身厚薄板、汽車零件、鋰電池、心臟起搏器、密封繼電器等各種不允許焊接變形 和污染的器件以及密封器件。

    激光焊接技術具有熔池凈化效應,能獲得純凈的焊縫金屬,適用于同種和異種金屬材料 間的焊接。激光焊接能量密度高,對高熔點、高反射率、高熱導率和物理特性相差很大的金 屬焊接特別有利。

     激光焊接的主要優點是速度快、熔深大、變形小,能在室溫或特殊條件下進行焊接。激 光通過電磁場,光束不會偏移;激光在空氣及某種氣體環境中均能施焊,并能對玻璃或對光 束透明的材料進行焊接。激光聚焦后,功率密度高,焊接時的深寬比可達5 : 1,最高可達 10 可焊接難熔材料如鈦、石英等,并能對異種材料施焊,效果良好,例如將銅和祖兩 種性質不同的材料焊接在一起,合格率可達100%。也可進行微型焊接,激光束經聚焦后可 獲得很小的光斑,能精密定位,可應用于大批量自動化生產的微小型元件的組焊中,例如集 成電路引線、鐘表游絲、顯像管電子槍組裝等,由于采用了激光焊接,生產效率高,熱影響 區小,焊點無污染,大大提高了焊接質量。

     (2)激光切割技術

     激光切割是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。在計算機的控制下,通過脈 沖使激光器放電,輸出受控的重復高頻率的脈沖激光,形成一定頻率、一定脈寬的激光束。該 脈沖激光束經過光路傳導、反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上,形成一個個細微的/高能量密度光斑,焦點位于待加工面附近,以瞬間高溫使被加工材料熔化或汽化。

     高能量的激光脈沖瞬間就能把物體表面濺射出一個細小的孔,在計算機控制下,激光加 工頭與被加工材料按預先繪好的圖形進行連續相對運動,這樣就會把物體加工成想要的形 狀。切割時一股與光束同軸的氣流由切割頭噴出,將熔化或汽化的材料由切口底部吹除。與 傳統的板材加工方法相比,激光切割具有切割質量好(切口寬度窄、熱影響區小、切口光 潔)、切割速度快、高度柔性(可切割任意形狀)、廣泛的材料適應性等優點。

     激光切割技術廣泛應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,提高工件質量。現代的激光切割技術成為了人們理想中追求的“削鐵如泥”的寶劍。 以CO2激光切割機為例,整個切割裝置由控制系統、運動系統、光學系統、水冷系統、氣 保護系統等組成,采用先進的數控模式實現多軸聯動以及激光不受速度影響的等能量切割; 采用性能優越的伺服電動機和傳動導向結構可實現在高速狀態下良好的運動精度。

     激光切割可應用于汽車制造、計算機、機電、金屬零件和特殊材料、圓形鋸片、彈簧墊 片、電子機件用銅板、金屬網板、鋼管、電木板、鋁合金薄板、石英玻璃、硅橡膠、氧化鋁 陶瓷片、鈦合金等。使用的激光器有YAG激光器和CO2激光器。脈沖激光適用于金屬材料,連續激光適用于非金屬材料,后者是激光切割技術的重要應用領域。

     激光熔覆技術

激光熔覆指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上經激光束輻照使熔覆材料和基體表面 層同時熔化,并快速凝固后形成稀釋度極低、與基體成冶金結合的熔敷層,改善基層表面的 耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化性及電氣特性的工藝方法。

     利用激光束的高功率密度,添加特定成分的自熔合金粉(如鐐基、鉆基和鐵基合金等), 在基材表面形成一層很薄的熔覆層,使它們以熔融狀態均勻地鋪展在零件表層并達到預定厚 度,與微熔的基體形成良好的冶金結合,并且相互間只有很小的稀釋度,在隨后的快速凝固 過程中,在零件表面形成與基材完全不同的、具有特殊性能的功能熔覆材料層。激光熔覆可 以完全改變材料表面性能,可使低成本的材料表面獲得極高的耐磨、耐蝕、耐高溫等性能。

激光熔覆可達到表面改性、修復或再制造的目的,可修復材料表面的孔洞和裂紋,恢復 已磨損零件的幾何尺寸和性能,滿足對材料表面特定性能的要求,節約大量的貴重金屬。與 堆焊、噴涂、電鍍和氣相沉積相比,激光熔覆具有稀釋率小、組織致密、熔覆層與基體結合 好等特點,在航空航天、模具及機電行業應用廣泛。目前激光熔覆使用的激光器以大功率 YAG激光器、CO2激光器為主。

     激光熱處理(激光相變硬化、激光淬火、激光退火)

     利用高功率密度的激光束加熱金屬工件表面,實現表面改性(即提髙工件表面硬度、耐 磨性和耐腐蝕性等)熱處理。激光束可根據要求進行局部選擇性硬化處理,工件應力和變形 小。這項技術在汽車工業中應用廣泛,例如缸套、曲軸、活塞環、換向器、齒輪等零部件的 激光熱處理,在航空航天、機床行業和機械行業也應用廣泛。我國的激光熱處理應用遠比國 外廣泛得多,目前使用的激光器以YAG激光器、CO2激光器為主。

     激光熱處理可以對金屬表面實現相變硬化(或稱表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬 火)、表面合金化等表面改性處理,產生大表面淬火達不到的表面成分和組織性能。激光相 變硬化是激光熱處理中研究最早、最多,應用最廣的工藝,適用于大多數材料和不同形狀零 件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲勞強度。經激光熱處理后,鑄鐵表面硬度可以達到 60HRC以上,中碳鋼及髙碳鋼表面硬度可達70HRC以上,提高了材料的耐磨性、耐蝕性、 抗氧化性等,延長了工件的使用壽命。

激光退火技術是半導體加工的一種工藝,效果比常規熱處理退火好得多。激光退火后, 雜質的替位率可達到98%~99%,可使多晶硅的電阻率降低40%~50%,可大大提高集成 電路的集成度,使電路元件間的間隔減小到0.5pm。

     激光快速成形技術

     激光快速成形技術是將激光加工技術和計算機數控技術及柔性制造技術相結合而形成 的,多用于模具和模型行業。目前使用的激光器以YAG激光器、CO?激光器和光纖激光器 為主。激光快速成形技術集成了激光技術、CAD/CAM技術、控制技術和材料技術的最新 成果,根據零件的CAD模型,用激光束將光敏聚合材料逐層固化,精確堆積成樣件,不需 要模具和刀具即可快速精確地制造形狀復雜的零件。該技術已在航空航天、電子、運載車輛 等工業領域得到了廣泛應用。

     激光打孔技術

     激光打孔技術具有精度高、通用性強、效率高、成本低和綜合技術經濟效益顯著等優點, 已成為現代制造領域的關鍵技術之一。在激光出現之前,只能用硬度較大的物質在硬度較小的物 質上打孔。這樣要在硬度很高的金剛石上打孔就極其困難。激光出現后,這一類的操作既快又安 全。但是激光鉆出的孔是圓錐形的,而不是機械鉆孔的圓柱形,這在有些地方是不方便的。

激光打孔主要應用在航空航天、汽車制造、電子儀表、化工等行業。激光打孔的迅速發 展,主要體現在打孔用YAG激光器的輸出功率已由400W提高到了 800W甚至1000W。打孔峰值功率高達30~50kW,打孔用的脈沖寬度越來越窄,重復頻率越來越高。激光器輸出參數的提高改善了打孔質量,提高了打孔速度,也擴大了激光打孔的應用范圍。國內比較成熟的激光打孔的應用是在人造剛石和天然金剛石拉絲模的生產,以及鐘表、儀表的寶石軸承與飛機葉片、印制線路板等行業中。目前使用的激光器以CO?激光器、YAG激光器為主,也有應用準分子激光器、同位素激光器和半導體泵浦激光器的。

     激光打標技術

     激光打標是利用高能量密度的激光束對工件進行局部照射,使表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應,從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標可以打出各種文字、符號和圖案等,字符大小可以從毫米量級到微米量級,這對產品的防偽有特殊的意義。聚焦后極細的激光束如同刀具,可將物體表面材料逐點去除。激光打標技術的先進性在于標記過程為非接觸性加工,不產生機械擠壓或機械應力,不會損壞被加工物品。激光束聚焦后的尺寸很小、,熱影響區小,加工精細,可以完成常規方法無法實現的工藝。激光打標使用的“刀具”是聚焦后的光束,不需要額外增添其他設備和材料,只要激光器能正常工作,就可以長時間連續加工。激光打標加工速度快、成本低,由計算機自動控制,生產時不需人為干預。準分子激光打標是近年來發展起來的一項新技術,特別適用于金屬打標,可實現亞微米打標,已廣泛用于微電子工業和生物工程。激光能標記何種信息與計算機設計的內容相關,只要計算機設計出的圖稿打標系統能夠識別,那么打標機就可以將設計信息精確地還原在合適的載體上。因此激光打標軟件的功能實際上很大程度上決定了激光打標系統的功能。該項技術在各種材料和幾乎所有行業得到應用,使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。

     激光表面強化及合金化

     激光表面強化是用高功率密度的激光束加熱,使工件表面薄層發生熔凝和相變,然后自激快冷形成微晶或非晶組織。激光表面合金化是用激光加熱涂覆在工件表面的金屬、合金或化合物,與基體金屬快速發生熔凝,在工件表面形成一層新的合金層或化合物層,達到材料表面改性的目的。還可以用激光束加熱基體金屬及通過的氣體,使之發生化學冶金反應(例如表面氣相沉積),在金屬表面形成所需物相結構的薄膜,以改變工件的表面性質。激光表面強化及合金化適用于航空航天、兵器、核工業、汽車制造業中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零部件。

     其他

     除了上述激光加工技術外,已成熟的激光加工技術還包括激光蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光強化電鍍技術、激光上釉技術等。激光蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝簡單,可大幅度降低生產成本,可加工0.125~1μm寬的線,適合于超大規模集成電路的制造。激光微調技術可對指定電阻進行自動精密微調,精度可達0.01%~0.002%,比傳統加工方法的精度和效率髙、成本低。激光微調包括薄膜電阻(厚度為0.01~0.6產m)與厚膜電阻(厚度為20~50μm)的微調、電容的微調和混合集成電路的微調。激光存儲技術利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計算機信息,是信息化時代的支撐技術之一。激光劃線技術是生產集成電路的關鍵技術,其劃線細、精度高(線寬為15~25μm,槽深為5~200μm),加工速度快(可達200mm/s),成品率可達99.5%以上。激光清洗技術的采用可大大減少加工器件的微粒污染,提高精密器件的成品率。激光強化電鍍技術可提高金屬的沉積速度,速度比無激光照射快1000倍,對微型開關、精密儀器零件、微電子器件和大規模集成電路的生產和修補具有重大意義。改進技術可使電鍍層的牢固度提高100~1000倍。

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