先進制造技術論文

先進制造技術研究進展激光加工技術摘要：本文首先介紹了激光加工技術的背景以及特點，然后對激光加工技術在國內外的應用發(fā)展狀況，以及激光加工技術的發(fā)展趨勢進行了簡要介紹，最后展望了近期的激光發(fā)展方向。關鍵詞：激光加工激光技術發(fā)展趨勢前沿課題AdvancedManufacturingTechnologyResearchLaserprocessingtechnologyAbstract:Thispaperdescribesthebackgroundoflaserprocessingtechnologyandfeatures,thenthelaserprocessingtechnologyforapplicationdevelopmentathomeandabroad,aswellasthedevelopmenttrendoflaserprocessingtechnologywithabriefintroduction,andfinallytherecentprospectoflaserdevelopment.Keywords:laserprocessingtopicsattheforefrontoflasertechnologytrends引言20世紀20年代愛因斯坦提出的光受激輻射的概念預見了激光的產(chǎn)生,40年后的1960年美國科學家梅曼率先研制成功的第一臺紅寶石激光器標志著激光的正式誕生,隨后,激光技術迅猛發(fā)展。繼固體激光器后,氣體激光器、化學激光器、染料激光器、原子激光器離子激光器、半導體激光器、X射線激光器和光纖激光器相繼問世，應用領域也擴展到諸如電子、輕工、包裝、禮品、小五金工業(yè)、醫(yī)療器械、汽車、機械制造、鋼鐵、冶金、石油等，為傳統(tǒng)工業(yè)的技術改造和制造業(yè)的現(xiàn)代化提供先進的技術裝備。激光與普通光相比有4個特性即:單色性（單一波長）、相干性、方向性和高光強。激光束易于傳輸，其時間特性和空間特性可以分別控制，經(jīng)聚焦后可得到極小的光斑，具有極高功率密度的激光光束可以熔化、氣化任何材料，也可對材料的局部區(qū)域進行精密快速加工。加工過程中輸入工件的熱量小，熱影響區(qū)和熱變形小;加工效率高;易于實現(xiàn)自動化。激光技術是一門綜合性高新技術，涉及光學、機械學、電子學等學科。同樣，激光加工設備也涉及到眾多學科，因而決定了它的高科技性和高收益率。縱觀國際和國內激光應用情況經(jīng)過多年的研究開發(fā)和完善，當代的激光器和激光加工技術與設備已相當成熟，形成了系列激光加工工藝。一、激光加工技術特點激光具有高亮度、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，半導體材料，復合材料等等，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，如內雕、集成電路打微孔、硅片的刻劃等．加工質量好，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，使得加工質量顯著提高；激光可通過光學聚焦鏡聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，如PC機硬盤高速轉子采用激光平衡技術，其轉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，使得激光加工技術得到了廣泛的應用，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包括：激光快速成形技術、激光焊接技術、激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光刻蝕技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表面處理技術等。二、常用的激光加工技術2．1激光快速成型技術激光快速成型技術是上世紀80年代發(fā)展起來的一門高新技術，它是利用激光技術、CAX技術、自動控制技術和新材料技術，直接造型，快速制造產(chǎn)品模型的一門多學科綜合技術．激光快速成型技術一改傳統(tǒng)加工“去除”成型加工工藝，改為“堆積”成型加工工藝，在加工領域具有劃時代的意義.激光快速成型技術中LOM工藝，是利用CAD模型設計功能和CAM加工制造功能，不需要工程圖紙，將設計模型數(shù)據(jù)直接切片生成加工代碼，快速制造出設計模型樣件或樣機．在新產(chǎn)品開發(fā)設計階段，采用激光快速成型技術可有效縮短設計周期．如河北工業(yè)大學快速成型中心，對某型號汽車除霜管設計制造在一兩天中即可完成，并取得了良好的效果．目前，激光快速成型技術廣泛應用于航空航天、汽車、玩具制造等行業(yè)．2.2激光焊接技術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變．目前，激光焊接主要應用在汽車行業(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．2.3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(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代制造領域的關鍵技術之一．激光打孔在微細孔加工中的應用，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90年代，激光打孔技術就朝著多樣化、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2國.從4上激世紀光6切0年割代技開始術在鐘表行業(yè)中使用激光加工技術，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)眾多復雜零件的切割等優(yōu)點而應用越來越廣．激光切割技術可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．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的重要應用領域．目前，激光切割主要應用在航空航天工業(yè)和汽車制造業(yè)中，如飛機框架、尾翼壁板、飛機主旋2.52.5汽激車車光架打等切標割技．術激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一．激光打標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到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義．準分子激光打標是近年來發(fā)展起來的一項新技術，特別適用于金屬打標，可實現(xiàn)亞微米打標，目前，廣泛用于微電子工業(yè)、生物工程、食品包裝和2防.偽6鑒激別等光領刻域．蝕技術自從首次報道準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、成像光學系統(tǒng)方面存在極大的困難．而相反，準分子光刻有著明顯的經(jīng)濟性和現(xiàn)實性，它將光學光刻擴展至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，將準分子光刻分辨率提高到0.13m以下?另一方面，準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，設計實時殘渣去除系統(tǒng)等，則非常適于新近迅速發(fā)展起來的微結構、微機械的加工技術．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構加工2用.準7分激子激光光微微加調工技裝備術．激光刻蝕技術主要應用在高集成度電路的制作激光微調主要用于調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，但這種調整法的精度、效率都很低，對工件產(chǎn)生嚴重污染，引起調阻后阻值漂移，改用激光微調則有很大的優(yōu)越性．激光微調的實質是打孔，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構達到調整阻值的目的．激光調阻技術主要應用于精密電阻阻值調解，精度可達2.8激光存儲技術光存儲是最早預見的激光應用領域之一，激光存儲技術是信息以反射/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．隨著信息技術的發(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2與.激9光激波長光的劃平方線成技反比術，所以，發(fā)展波長更短的激光是提高激光存儲技術的關鍵．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模板化學刻蝕法相比，其劃線細、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，而且能夠對成品模板進行再加工，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高于化學刻蝕到現(xiàn)在的略低于前者．但由于用于激光加工的整套設備技術含量高，售價亦很高，2目.前1僅0美激國光、日清本洗、德技國術等少數(shù)國家的幾家公司能夠生產(chǎn)整機激光清洗技術是工業(yè)生產(chǎn)等許多領域中的重要環(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用受到很大的限制．激光清洗技術是近10多年來發(fā)展起來的新型清洗技術，它以自身的特點和優(yōu)點得到了很好的應用，展示了廣闊的應用發(fā)展前景．集成電路硅基片的加工和光刻技術、微組裝技術等關鍵技術要求相當嚴格，光刻技術現(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?激光清洗技術的使用有效地解決了集成電路的清洗．2.11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C02激光器之后，激光熱處理的工業(yè)應用也取得了重要的成就．激光熱處理主要應用于汽車工業(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，激光熱處理技術由于成本2高.、1控2制表復面雜，處還理處于技實術驗室技術層面，還沒有大范圍、大面積的工業(yè)化應用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；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（預覆或噴射）的合金元素的物質熔化、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的工藝；激光表面涂覆和激光表面合金化技術相似，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)生一個沖擊波或應力波，對材料表面產(chǎn)生殘余壓應力，從而達到改善材料三疲勞、壽命激的光目的加．工技術的發(fā)展趨勢數(shù)控化和綜合化：把激光器與計算機數(shù)控技術、先進的光學系統(tǒng)以及高精度和自動化的工件定位相結合，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，可完成切割復雜外形、打孔、四、激光加工技術的發(fā)展展望激光加工技術具有無接觸、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。在理論研究的支持和實際需要的配合下,激光技術在工業(yè)領域的應用將更為廣泛,這也使激光技術有了更加豐富的研究內容和更加廣闊的應用前景。以下幾個方面將是近期激光技術發(fā)展的關鍵和前沿課題:（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。（2）建立簡潔且適合于現(xiàn)場控制的數(shù)學分析模型,縮短確定最佳工藝參數(shù)的時間。（3）從凝固動力學、結晶學和相變理論出發(fā),系統(tǒng)研究激光快速凝固行為,揭示材料微結構的形成、演化機理及其規(guī)律,如探討凝固過程中溶質的非平衡規(guī)律及界面的穩(wěn)定性,五豐富、和發(fā)結展束快速語凝固理論、相變理論和界面理論激光加工技術作為一種先進的加工工藝,已在眾多領域得到廣泛應用,隨著激光加工技術、設備、工藝研究的不斷深入,將有更廣闊的應用前景。但常規(guī)激光加工技術是利用高溫使材料熔化或氣化而達到加工目的，從而導致加工區(qū)受熱變形和微裂紋的影響，因而我們將來也應該重視非常規(guī)激光加工技術方面的研究。參考文獻袁根福?激光加工技術的應用與發(fā)展現(xiàn)狀[N].安徽建筑工業(yè)學院學報（自然科學版）.2004第12卷第1期.李承厚.國內外激光機工技術概況[J].電子工藝技術，1992年第四期:29-32徐慶仁?激光加工技術的地位、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（上）[J].中國學術期刊，1996年第9期:22-24宋威廉.激光加工技術的發(fā)展[J].激光與紅外,2006年9月增刊:755-758邱星武.激光機工技術在材料加工領域的發(fā)展及應用[J].稀有金屬與硬質合金,2010年3月，第38卷1期:60-63王揚，李春奇，楊立軍，張宏志，吳雪峰，蔡娜，李靈.非常規(guī)激光加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