激光技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用

1、激光技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用摘要：本文全面地介紹了激光加工的優(yōu)異性能及應(yīng)用與發(fā)展，指出世紀(jì)最具競爭力的先進(jìn)加工技術(shù)是激光加工技術(shù), 并展望了其發(fā)展前景。關(guān)鍵字：激光加工 微電子 激光焊接 激光打孔1、引 言由于激光具有方向性好、高能量和單色性好等一系列優(yōu)點(diǎn)， 自年代初間世以來, 就受到科研領(lǐng)域的高度重視。激光技術(shù)推動(dòng)了諸多領(lǐng)域的迅猛發(fā)展, 應(yīng)用范圍越來越廣,在加工領(lǐng)域中的應(yīng)用成果尤為顯著。激光加工系指激光束作用于物體的表面而引起物體形狀的改變, 或物體性能的改變的加工過程。按光與物質(zhì)相互作用機(jī)理, 大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。激光熱加工系指激光束作用于物體所引起的快速熱效應(yīng)的

2、各種加工過程激光光化學(xué)反應(yīng)加工系指激光束作用于物體,借助高密度高能量光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的各種加工過程, 也稱為冷加工。熱加工和冷加工均可對金屬材料和非金屬材料進(jìn)行切割、打孔、刻槽、標(biāo)記等。熱加工對金屬材料進(jìn)行焊接、表面強(qiáng)化、切割均極有利冷加工則對光化學(xué)沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化很合適。按激光加工的應(yīng)用類別分切割約占40%，標(biāo)刻和焊接各占20%, 表面改性、打孔和微加工各占10%。當(dāng)前用于激光加工的激光器主要有三類、CO2、Nd：YAG 和準(zhǔn)分子激光器, 但隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的迅速發(fā)展, 使得二極管激光器、二極管泵浦全固體化激光器、光纖激光器和超短脈沖激光器必然進(jìn)入材料加工業(yè), 特別在微細(xì)

3、加工中的應(yīng)用增長更快。激光加工應(yīng)用的行業(yè)包括機(jī)械制造、紡機(jī)、醫(yī)療器械、汽車、航天航空、電子電器、電站電機(jī)、量具刃具、冶金、化工、包裝和工藝裝飾等。全球現(xiàn)有激光加工站約4000家。按其銷售量分美國、日本和歐洲約各占1/3。在發(fā)達(dá)國家的加工業(yè)中, 已逐步進(jìn)入“ 光加” 時(shí)代。日本估計(jì)在本世紀(jì), 激光加工將占整個(gè)加工業(yè)的10%以上。目前, 一些國際性大公司積極采用先進(jìn)的激光加工技術(shù), 以提高產(chǎn)品的競爭力, 如西門子公司在它的一條流水線上就采用了400多臺激光器。激光加工不僅技術(shù)先進(jìn), 而且經(jīng)濟(jì)效益顯著。美國在2000年用于材料加工的激光器預(yù)計(jì)達(dá)到2000臺叫。我國激光加工市場前景廣闊,預(yù)計(jì)平均以每年

4、20%-30%速率遞增, 但在激光加工系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及整體化、智能化、自動(dòng)化水平與國外差距較大 , 這是制約我國激光加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵所在, 國家正在積極采取措施, 加速我國激光加工產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程和發(fā)展。2、激光技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用激光加工技術(shù)是集光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)等為一體的高技術(shù), 是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域。目前已開發(fā)出20多種激光加工技術(shù), 如雨后春筍般地應(yīng)用于各個(gè)新工藝領(lǐng)域, 如激光切割、激光打標(biāo)、激光打孔、激光焊接、激光表面熱處理、激光快速成型、激光清洗、激光冗余修正、激光退火、激光光刻與存儲等。激光加工技術(shù)的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)的加工工藝和加工方法具有重大影響的技術(shù)

5、變革, 很快被廣泛應(yīng)用于汽車、電子電器、航空、冶金、機(jī)械制造等國民經(jīng)濟(jì)重要行業(yè), 推動(dòng)了工業(yè)的快速發(fā)展, 并產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)效益。2.1激光加工技術(shù)在傳統(tǒng)制造業(yè)中的應(yīng)用（1）激光焊接：激光焊接是把激光聚焦成很細(xì)的高能量密度光束照射到工件上, 使工件受熱熔化, 然后冷卻得到焊縫。激光焊縫熔深大, 速度快, 效率高激光焊縫窄, 熱影響區(qū)很小, 工件變形也很小, 可實(shí)現(xiàn)精密焊接激光焊縫結(jié)構(gòu)均勻, 晶粒很小, 氣孔少, 夾雜缺陷少, 在機(jī)械性能, 抗蝕性能和電磁學(xué)性能上優(yōu)于常規(guī)焊接方法。激光焊接技術(shù)具有溶池凈化效應(yīng), 能純凈焊縫金屬, 適用于相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高, 對高熔點(diǎn)、高

6、導(dǎo)熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。目前,汽車行業(yè)將不同材質(zhì)的薄鋼板實(shí)施激光拼接焊后沖壓成型, 激光拼接焊取代了電焊, 使得每輛轎車可節(jié)約100美元。德國新型奧迪A2的鋁車體中的激光焊縫長達(dá)30m。（2）激光切割：激光切割是利用激光束聚焦形成高功率密度的光斑, 將材料快速加熱至汽化溫度, 蒸發(fā)形成小孔洞, 并使光束與材料相對移動(dòng), 實(shí)現(xiàn)連續(xù)孔洞的窄切縫。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。與計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)設(shè)備結(jié)合, 激光束具有無限的仿形切割能力, 切割軌跡修改方便通過預(yù)先在計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì), 進(jìn)行眾多復(fù)雜零件整張板排料, 可實(shí)現(xiàn)多零件同

7、時(shí)切割, 節(jié)省材料。激光切割以其優(yōu)越的性能成為現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中的第一大戶。在美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家, 因其汽車工業(yè)的發(fā)達(dá)而使激光切割的使用比例達(dá)60%以上。（3）激光打孔：激光打孔技術(shù)具有精度高、通用性強(qiáng)、效率高、成本低和綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn), 已成為現(xiàn)代制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前, 工業(yè)發(fā)達(dá)國家已將激光深微孔技術(shù)大規(guī)模地應(yīng)用到飛機(jī)制造業(yè)、食品加工業(yè)、醫(yī)藥制造業(yè)等行業(yè)。進(jìn)入90年代, 激光打孔朝著多樣化、高速度、孔徑更微小的方向發(fā)展。例如, 在飛機(jī)機(jī)翼上打上5萬個(gè)直徑為0.0064mm的小孔, 可以大大減小氣流對飛機(jī)的阻力, 取得節(jié)油的效果。目前, 激光可在3mm厚的不銹鋼板上以每秒

8、65個(gè)孔的速度進(jìn)行打孔, 在1mm厚的不銹鋼板上的打孔速度可達(dá)100孔.我國在60年代就開始在鐘表行業(yè)中使用激光加工, 對寶石軸承進(jìn)行激光打孔, 現(xiàn)已累計(jì)產(chǎn)值已達(dá)22億元。（4）激光標(biāo)記：激光標(biāo)記技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光標(biāo)記是利用高能量密度的激光對工件進(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)記的一種技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)各種文字、符號和圖案大小從毫米量到微米量級的標(biāo)記, 激光標(biāo)記速度快, 所標(biāo)記線條、字符圖案清晰, 且易于在生產(chǎn)線上更改標(biāo)記符號（如每個(gè)工件一個(gè)編號）, 對工件表面無作用力, 不產(chǎn)生形變, 對表面不產(chǎn)生腐蝕, 對軟、硬表面都可標(biāo)記

9、。例如激光加工幾平方毫米的集成塊元件和的500*160mm2計(jì)算機(jī)鍵盤, 運(yùn)用光化學(xué)作用, 使塑料分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 從而使鍵盤表面的外觀顏色改變, 呈現(xiàn)出我們所看到的不同字符, 這可謂是治標(biāo)治本, 當(dāng)然不會(huì)磨滅。由于光點(diǎn)的熱效應(yīng), 標(biāo)記的字符呈現(xiàn)凸出, 可以實(shí)現(xiàn)鍵盤盲打。最近, 美國某集成電路制造商已開發(fā)出壽命超15000小時(shí)光纖激光打標(biāo)系統(tǒng)用于眾多半導(dǎo)體模制化合物、引備座、晶片、陶瓷基底和包裝上形成清晰耐久的標(biāo)記。2.2、激光加工技術(shù)在徽電子行業(yè)應(yīng)用（1）激光微調(diào)：激光微調(diào)是把激光束聚焦成很小的光點(diǎn), 對電阻導(dǎo)電膜進(jìn)行切割熔融、蒸發(fā), 改變電阻導(dǎo)電體的有效導(dǎo)電面積或有效導(dǎo)電長度, 達(dá)到精確

10、調(diào)整電阻單元阻值的目的。激光微調(diào)技術(shù)可對指定電阻進(jìn)行自動(dòng)精密微調(diào), 精度可達(dá)0.1%0.02%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調(diào)已廣泛用于生產(chǎn), 它是在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中最為成熟的工藝, 是獲得高精度電路和高速生產(chǎn)的唯一方法。激光微調(diào)包括薄膜電阻（0.010.6um）拼厚與厚膜電阻（2050um）的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)。目前, 激光調(diào)阻設(shè)備每秒鐘可調(diào)200多個(gè)電阻。（2）激光退火：激光退火最初是消除半導(dǎo)體中離子注入引起電路基體的破壞,并使注人雜質(zhì)激活?，F(xiàn)在這項(xiàng)工作已伸展至很寬的范圍, 有些情況已不存在離子注入的破壞, 如硅化物形成、非晶物生長單晶、使化學(xué)沉積多晶

11、形成大粒多晶等。這些技術(shù)為大規(guī)模集成電路的制造提供了新方法。它能形成陡峭又淺的p-n結(jié), 獲得比普通雜質(zhì)激活法更高的摻雜濃度區(qū), 形成良好的連接。最有益的是為在非晶材料上生長晶狀半導(dǎo)體提供了一種較便宜的晶體制造方法, 可形成有絕緣層的多層晶狀薄膜, 為三維集成電路發(fā)展提供了可能性。激光退火技術(shù)是半導(dǎo)體加工的一種新工藝, 效果比常規(guī)熱退火好得多。激光退火后, 雜質(zhì)的替位率可達(dá)到98%99%, 可使多晶硅的電阻率降到普通加熱退火的1/21/3、, 還可大大提高集成電路的集成度, 使電路元件間的間隔縮小到0.5um以下。（3）激光存儲：光盤的制作分兩個(gè)階段, 第一階段是激光刻制母盤既印模模具第二階段

12、是壓制生產(chǎn)用戶盤。在母盤刻制中,信息首先用激光錄制到優(yōu)質(zhì)盤形襯底的光致抗蝕劑上, 這個(gè)過程稱為主錄。染料記錄層改用無機(jī)材料層, 無機(jī)材料層可在晶態(tài)和非晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換, 并通過脈沖激光加熱又可變回來, 實(shí)現(xiàn)對原有數(shù)據(jù)信息的擦除, 并可重新錄制新的數(shù)據(jù)信息。激光存儲技術(shù)是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計(jì)算機(jī)信息的一種技術(shù), 是信息化時(shí)代的支撐技術(shù)之一。（4）激光劃線：隨著單晶硅襯底尺寸的不斷增大和超大規(guī)模集成芯片尺寸的逐漸減小, 幾英寸晶片上制造的芯片數(shù)目達(dá)幾千片, 在封裝這些芯片之前, 必須將基片按芯片的布局進(jìn)行切斷。與過去的超薄金鋼石砂輪切割相比, 激光劃線是非接觸切斷, 無切削粉末和冷卻

13、液污染, 切口光滑, 精度高。目前激光劃線技術(shù)已成為生產(chǎn)集成電路的關(guān)鍵技術(shù), 其劃線細(xì)、精度高（線寬為1525um, 槽深為5200um）, 加工速度快, 成品率可達(dá)99.5%以上。目前, 英國石英公司正在試驗(yàn)使用激光劃線技術(shù)提高太陽能電池的效率。他們在石英被涂夜之前, 用激光在其上刻劃出柵格, 以此增大電子密度, 從而將普通的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率從12%提高到17%。2.3、激光加工在其他行業(yè)應(yīng)用（1）激光快速成型：激光快速成形技術(shù)集成了激光技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)和材料技術(shù)的最新成果, 根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的零件的CAD模型立體圖形, 直接制造出模型,它制造模型的辦法是在一層接一層的基礎(chǔ)上不斷

14、添加材料。與此相反, 傳統(tǒng)的制造過程是從一大塊原料上開始, 逐步削掉不需要的部份。激光快速成型正對機(jī)械制造的工序流程和制造技術(shù)方面進(jìn)行一種徹底的變革。光快速成型不僅能用來評估零件的形態(tài)和裝配, 而且還能反應(yīng)零件的功能性。最近, 快速原型制造法的模型已用來制造加工模具,再用這些模具去生產(chǎn)功能性原型。這些加工模具還被用來進(jìn)行有限的產(chǎn)品生產(chǎn), 其中許多這樣的模具能進(jìn)行1000次以上的操作。目前正朝著直接制造加工模具方向努力, 許多廠商在這方面已獲得成功。該技術(shù)已在航空航天、電子、汽車、家電等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。（2）激光毛化激光毛化是用特殊調(diào)制的脈沖激光, 將其聚焦照射到軋輥表面,高能量密度的光斑

15、使得軋輥表面小區(qū)間的溫度升到數(shù)千度, 形成一個(gè)微小熔池, 獲得軋輥表面的毛化。然后在薄板軋制或平整過程中, 軋輥面上的凸臺在板面上再形成許多變形硬化微坑, 以形成激光毛化板。激光毛化軋輥表面粗糙度均勻、可控, 能明顯改善毛化板深沖性能和涂鍍性能, 而且還可以延長軋輥使用壽命激光毛化過程無噪聲、無污染, 是一種清潔文明的生產(chǎn)工藝。激光毛化可以使普通冷軋薄板帶的質(zhì)量大大提高。天津冷軋薄板廠由于采用了激光毛化技術(shù), 將面臨倒閉的企業(yè)起死回生, 僅1995年生產(chǎn)了6億元的激光毛化鋼板, 出口創(chuàng)匯數(shù)千萬美元。（3）激光刻蝕：印染網(wǎng)激光雕刻是用高功率密度的激光作用在涂膠的鎳網(wǎng)輥表面上, 通過計(jì)算機(jī)及專業(yè)軟

16、件, 控制激光按印染花樣的要求掃描。生物芯片和布拉格光纖光柵的刻蝕。其中布拉格光纖光柵主要用于光纖通信, 所以需求量極大。用于激光刻蝕的激光器主要有準(zhǔn)分子激光器、銅蒸氣激光器和倍頻氫離子激光器。（4）激光雕刻：激光雕刻就是利用高能量密度的聚焦激光束代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑿子和刻刀, 對工件多余的部分去除雕刻, 形成一定的形貌。像傳統(tǒng)雕刻一樣, 分樓空雕刻和普通刻劃雕刻兩類。激光可用于仿古家具的鏤空雕刻, 石碑碑文和原子印章雕刻。其中激光雕刻原子印章技術(shù)的出現(xiàn), 使印章業(yè)跨入了大規(guī)?，F(xiàn)代化生產(chǎn)時(shí)期。其優(yōu)點(diǎn)在于能大批量生產(chǎn), 效率大為提高。目前我國印章雕刻用的CO2激光雕刻系統(tǒng)已批量生產(chǎn), 并滿足于市場需求。3、總結(jié)激光加工作為信息時(shí)代的一種新型加工工藝, 對提高產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、自動(dòng)化、無污染、減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用, 既得到其他高新技術(shù)發(fā)展的有力支撐, 又受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展強(qiáng)烈要求的牽引, 正保持著強(qiáng)