先進制造-激光加工

1、先進制造技術(shù)研究進展-激光加工技術(shù) 摘要：本文介紹了以激光加工技術(shù)為例的先進制造技術(shù)，首先交代了激光加工技術(shù)的原理以及特點，然后對激光加工技術(shù)在眾多方面的應(yīng)用，以及激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了簡要介紹。關(guān)鍵詞：先進制造技術(shù) 激光技術(shù)發(fā)展前沿AdvancedManufacturingTechnologyResearch- LaserprocessingtechnologyAbstract: This paper introduces the laser processing technology as an example of advanced manufacturing technology

2、. The principle and characteristics of laser processing technology are illustrated firstly, and then the application of laser processing technology in many aspects, as well as the development trend are briefly introduced.Key words:AdvancedManufacturingTechnology lasertechnology Development Prospect引

3、言先進制造技術(shù)是指微電子技術(shù)、自動化技術(shù)、信息技術(shù)等先進技術(shù)給傳統(tǒng)制造技術(shù)帶來的種種變化與新型系統(tǒng)。具體地說，就是指集機械工程技術(shù)、電子技術(shù)、自動化技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)為一體所產(chǎn)生的技術(shù)、設(shè)備和系統(tǒng)的總稱。先進制造技術(shù)涉及到產(chǎn)品從市場調(diào)研、產(chǎn)品開發(fā)及工藝設(shè)計、生產(chǎn)準備、加工制造、售后服務(wù)等產(chǎn)品壽命周期的所有內(nèi)容，它的目的是提高制造業(yè)的綜合經(jīng)濟效益和社會效益，是面向工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)。作為先進制造技術(shù)的佼佼者，激光加工以其適用面廣、出現(xiàn)早、高精度等特點長期并將繼續(xù)占據(jù)制造行業(yè)的一大領(lǐng)域。激光的研究及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。其高相干性在高精密測量、物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、信息存儲及通信等領(lǐng)域得到

4、了廣泛應(yīng)用。激光的高方向性和高亮度可廣泛應(yīng)用于加工制造業(yè)（大到航天器、飛機、汽車工業(yè)，小到微電子、信息、生物細胞分離等微技術(shù)）。隨著激光器件、新型受激輻射光源，以及相應(yīng)工藝的不斷革新與優(yōu)化，尤其是近20年來，激光制造技術(shù)已滲入到諸多高新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，并開始取代或改造某些傳統(tǒng)的加工行業(yè)。一、激光加工技術(shù)原理激光加工，就是激光被工件表面吸收，光能轉(zhuǎn)化為熱能，因其表面升溫，致使工件表面組織發(fā)生變化，出現(xiàn)熔融、蒸發(fā)等現(xiàn)象，完成工件的加工。在加工的同時，可依據(jù)加工的要求，利用監(jiān)控系統(tǒng)選擇不同的能量密度和照射時間。目前，公認的激光加工原理是兩種：分別為激光熱加工和光化學(xué)加工(又稱冷加工)。11激光熱加工

5、激光熱加工指當(dāng)激光束照射到物體表面時，引起快速加熱，熱力把對象的特性改變或 把物料熔解蒸發(fā)。熱加工具有較高能量密度的激光束（它是集中的能量流），照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生熱激發(fā)過程，從而使材料表面（或涂層）溫度上升，產(chǎn)生變態(tài)、熔融、燒蝕、蒸發(fā)等現(xiàn)象。12光化學(xué)加工光化學(xué)加工指當(dāng)激光束加于物體時，高密度能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程。冷加工具有很高負荷能量的（紫外）光子，能夠打斷材料（特別是有機材料）或周圍介質(zhì)內(nèi)的化學(xué)鍵，至使材料發(fā)生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標記加工中具有特殊的意義，因為它不是熱燒蝕，而是不產(chǎn)生“熱損傷”副作用的、打斷化學(xué)鍵的冷剝

6、離，因而對被加工表面的里層和附近區(qū)域不產(chǎn)生加熱或熱變形等作用。二、激光加工技術(shù)特點由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特性，因此就給激光加工帶來如下一些其它方法所不具備的可貴特點。由于它是無接觸加工，對工件無直接沖擊，因此無機械變形；激光加工過程中無刀具磨損，無切削力作用于工件；激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小。因此，其熱影響的區(qū)小工件熱變形小后續(xù)加工最??；由于激光束易于導(dǎo)向、聚焦、實現(xiàn)方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合、對復(fù)雜工件進行加工因此它是一種極為靈活的加工方法；生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟效益和社會效益好同樣是

7、激光加工的優(yōu)勢。激光具有的這些優(yōu)良特性決定了激光在加工領(lǐng)域存在的優(yōu)勢：由于它是無接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的。它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性、及高熔點的材料。激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件。激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有影響或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。它可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行各種加工。由于激光束易于導(dǎo)向、聚集實現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進行加工，因此是一種極為靈活的加工方法。使

8、用激光加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟效益好。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。雖然激光加工擁有許多優(yōu)點，但不足之處也是很明顯的，例如激光加工設(shè)備目前還比較昂貴。三、激光加工技術(shù)的應(yīng)用4.1激光焊接激光焊接強度高、熱變形小、密封性好，可以焊接尺寸和性質(zhì)懸殊，以及熔點很高(如陶瓷)和易氧化的材料。激光焊接的心臟起搏器，其密封性好、壽命長，而且體積小。激光熱處理用激光照射材料，選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結(jié)晶，達到淬火或退火的目的。激光熱處理的優(yōu)點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

9、小,可處理形狀復(fù)雜的零件和部件,可對盲孔和深孔的內(nèi)壁進行處理。例如，氣缸活塞經(jīng)激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復(fù)離子轟擊所引起損傷的硅材料。4.2激光打孔技術(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)之一采用脈沖激光器可進行打孔,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。激光打孔在微細孔加工中的應(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。4.3激光切割、劃片與刻字在造船、汽車制造等工業(yè)

10、中,常使用百瓦至萬瓦級的連續(xù)CO2激光器對大工件進行切割,既能保證精確的空間曲線形狀,又有較高的加工效率。對小工件的切割常用中、小功率固體激光器或CO2激光器。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。用激光可對流水線上的工件刻字或打標記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。4.4激光微調(diào)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

11、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)整阻值的目的利用類似原理可以修復(fù)有缺陷的集成電路的掩模，修補集成電路存儲器以提高成品率，還可以對陀螺進行精確的動平衡調(diào)節(jié)。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0.10.02激光微調(diào)精度高、速度快，適于大規(guī)模生產(chǎn)。4.5激光存儲技術(shù)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)

12、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4.6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)嚴格，光刻技術(shù)現(xiàn)在已達到0.13um以下水平在此高精度的要求下，器件的清洗要求也非常嚴格，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（

13、0.5um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4.7激光熱處理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

14、，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。4.8表面處理技術(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

15、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。四、激光加工技術(shù)的發(fā)展趨勢與前景4.1發(fā)展趨勢激光加工技術(shù)具有無接觸、不需要工模具、清潔、效率較高、便于實行數(shù)控、可進行特殊加工等優(yōu)點,隨著該技術(shù)的不斷進步與完善,人們將能對工藝的自動化和工作效率提出更高的要求。這

16、對激光技術(shù)的發(fā)展無疑起到了推動作用。主要表現(xiàn)在以下兩方面：4.1.1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。4.1.2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、劃線等加工。4.2發(fā)展前景在理論研究的支持和實際需要的配合下,激光技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更為廣泛,這也使激光技術(shù)有了更加豐富的研

17、究內(nèi)容和更加廣闊的應(yīng)用前景。以下幾個方面將是近期激光技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和前沿課題:4.2.1研制大功率、高壽命和小型化的激光裝置該研究主要包括制備適用于大功率激光的光學(xué)器件材料，提高電源的穩(wěn)定性和使用壽命，實現(xiàn)大功率激光裝置的小型化。4.2.2數(shù)學(xué)模型建立簡潔且適合于現(xiàn)場控制的數(shù)學(xué)分析模型，縮短確定最佳工藝參數(shù)的時間。4.2.3激光快速凝固行為從凝固動力學(xué)、結(jié)晶學(xué)和相變理論出發(fā)，系統(tǒng)研究激光快速凝固行為，揭示材料微結(jié)構(gòu)的形成、演化機理及其規(guī)律，如探討凝固過程中溶質(zhì)的非平衡規(guī)律及界面的穩(wěn)定性，豐富和發(fā)展快速凝固理論、相變理論和界面理論。4.2.4加工系統(tǒng)智能化系統(tǒng)集成不僅是加工本身，而是帶有實時檢測

18、、反饋處理，隨著專家系統(tǒng)的建立，加工系統(tǒng)智能化已成為必然的發(fā)展趨勢。五、結(jié)束語激光加工技術(shù)作為一種先進的加工工藝，已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著激光加工技術(shù)、設(shè)備、工藝研究的不斷深入，將有更廣闊的應(yīng)用前景。激光加工用于再制造業(yè)和應(yīng)用于其他制造業(yè)一樣，有其不可替代的優(yōu)點，并優(yōu)于其它加工技術(shù)。激光加工用于再制造業(yè)是由相變硬化發(fā)展到激光表面合金化和激光熔覆，由激光合金涂層發(fā)展到復(fù)合涂層及陶瓷涂層，從而使得激光表面加工技術(shù)成為再制造的一項重要手段。激光加工技術(shù)的發(fā)展,使傳統(tǒng)加工技術(shù)孕育發(fā)生了新的奔騰。預(yù)測未來,激光加工技術(shù)將得到越來越普遍的應(yīng)用,具有非常遼闊的市場遠景,在國民經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著日益重要的作用。我國在現(xiàn)代光制造發(fā)展方面，時機與挑戰(zhàn)并存，我們要抓住時機，迎接光制造時期的到來。參考文獻1袁根福.激光加工技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀N.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版).2004第12卷第1期.2李承厚.國內(nèi)外激光機工技術(shù)概況J.電子工藝技術(shù)，1992年第四期:29-323徐慶仁.激光加工技術(shù)的地位、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（上）J.中國學(xué)術(shù)期刊，1996年第9期:22-244宋威廉.激光加工技術(shù)的發(fā)展J.激光與紅外,2006年9月增刊:755-7585邱星武.激光機工