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常见问题

激光加工的原理、特点与工艺之激光加工的工艺

    激光技术是涉及光、机、电、材料及检测等多门学科的综合技术。传统上看,激光加工 工艺包括切割、焊接、表面处理、熔覆、打孔(标)、划线等各种加工工艺。不同的材料加 工方式对激光制造系统的激光功率和光束质量的要求如图1. 2所示。

     (1)激光焊接技术

     激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一。激光辐射加热工件表面,表面热量通过 热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、功率密度和重复频率等参数,使工件 熔化,形成特定的熔池。由于其独特的优点,已成功应用于微小型零件焊接中。大功率 CO2激光器及大功率光纤激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为 基础的深熔焊,在机械、汽车制造、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。

     激光焊接可以焊接难以接近的部位,施行非接触远距离的焊接,具有很大的灵活性。 YAG激光技术中采用光纤传输技术,使激光焊接技术获得了更为广泛的应用。激光束易实 现光束按时间与空间分光,能进行多光束同时加工,为更精密的焊接提供了条件。例如,可 用于汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等各种不允许焊接变形 和污染的器件以及密封器件。

    激光焊接技术具有熔池净化效应,能获得纯净的焊缝金属,适用于同种和异种金属材料 间的焊接。激光焊接能量密度高,对高熔点、高反射率、高热导率和物理特性相差很大的金 属焊接特别有利。

     激光焊接的主要优点是速度快、熔深大、变形小,能在室温或特殊条件下进行焊接。激 光通过电磁场,光束不会偏移;激光在空气及某种气体环境中均能施焊,并能对玻璃或对光 束透明的材料进行焊接。激光聚焦后,功率密度高,焊接时的深宽比可达5 : 1,最高可达 10 可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异种材料施焊,效果良好,例如将铜和祖两 种性质不同的材料焊接在一起,合格率可达100%。也可进行微型焊接,激光束经聚焦后可 获得很小的光斑,能精密定位,可应用于大批量自动化生产的微小型元件的组焊中,例如集 成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等,由于采用了激光焊接,生产效率高,热影响 区小,焊点无污染,大大提高了焊接质量。

     (2)激光切割技术

     激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下,通过脉 冲使激光器放电,输出受控的重复高频率的脉冲激光,形成一定频率、一定脉宽的激光束。该 脉冲激光束经过光路传导、反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上,形成一个个细微的/高能量密度光斑,焦点位于待加工面附近,以瞬间高温使被加工材料熔化或汽化。

     高能量的激光脉冲瞬间就能把物体表面溅射出一个细小的孔,在计算机控制下,激光加 工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动,这样就会把物体加工成想要的形 状。切割时一股与光束同轴的气流由切割头喷出,将熔化或汽化的材料由切口底部吹除。与 传统的板材加工方法相比,激光切割具有切割质量好(切口宽度窄、热影响区小、切口光 洁)、切割速度快、高度柔性(可切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点。

     激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中,可大大减少加工时间,降低加工 成本,提高工件质量。现代的激光切割技术成为了人们理想中追求的“削铁如泥”的宝剑。 以CO2激光切割机为例,整个切割装置由控制系统、运动系统、光学系统、水冷系统、气 保护系统等组成,采用先进的数控模式实现多轴联动以及激光不受速度影响的等能量切割; 采用性能优越的伺服电动机和传动导向结构可实现在高速状态下良好的运动精度。

     激光切割可应用于汽车制造、计算机、机电、金属零件和特殊材料、圆形锯片、弹簧垫 片、电子机件用铜板、金属网板、钢管、电木板、铝合金薄板、石英玻璃、硅橡胶、氧化铝 陶瓷片、钛合金等。使用的激光器有YAG激光器和CO2激光器。脉冲激光适用于金属材料,连续激光适用于非金属材料,后者是激光切割技术的重要应用领域。

     激光熔覆技术

激光熔覆指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上经激光束辐照使熔覆材料和基体表面 层同时熔化,并快速凝固后形成稀释度极低、与基体成冶金结合的熔敷层,改善基层表面的 耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化性及电气特性的工艺方法。

     利用激光束的高功率密度,添加特定成分的自熔合金粉(如镣基、钻基和铁基合金等), 在基材表面形成一层很薄的熔覆层,使它们以熔融状态均匀地铺展在零件表层并达到预定厚 度,与微熔的基体形成良好的冶金结合,并且相互间只有很小的稀释度,在随后的快速凝固 过程中,在零件表面形成与基材完全不同的、具有特殊性能的功能熔覆材料层。激光熔覆可 以完全改变材料表面性能,可使低成本的材料表面获得极高的耐磨、耐蚀、耐高温等性能。

激光熔覆可达到表面改性、修复或再制造的目的,可修复材料表面的孔洞和裂纹,恢复 已磨损零件的几何尺寸和性能,满足对材料表面特定性能的要求,节约大量的贵重金属。与 堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比,激光熔覆具有稀释率小、组织致密、熔覆层与基体结合 好等特点,在航空航天、模具及机电行业应用广泛。目前激光熔覆使用的激光器以大功率 YAG激光器、CO2激光器为主。

     激光热处理(激光相变硬化、激光淬火、激光退火)

     利用高功率密度的激光束加热金属工件表面,实现表面改性(即提髙工件表面硬度、耐 磨性和耐腐蚀性等)热处理。激光束可根据要求进行局部选择性硬化处理,工件应力和变形 小。这项技术在汽车工业中应用广泛,例如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的 激光热处理,在航空航天、机床行业和机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国 外广泛得多,目前使用的激光器以YAG激光器、CO2激光器为主。

     激光热处理可以对金属表面实现相变硬化(或称表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬 火)、表面合金化等表面改性处理,产生大表面淬火达不到的表面成分和组织性能。激光相 变硬化是激光热处理中研究最早、最多,应用最广的工艺,适用于大多数材料和不同形状零 件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲劳强度。经激光热处理后,铸铁表面硬度可以达到 60HRC以上,中碳钢及髙碳钢表面硬度可达70HRC以上,提高了材料的耐磨性、耐蚀性、 抗氧化性等,延长了工件的使用寿命。

激光退火技术是半导体加工的一种工艺,效果比常规热处理退火好得多。激光退火后, 杂质的替位率可达到98%~99%,可使多晶硅的电阻率降低40%~50%,可大大提高集成 电路的集成度,使电路元件间的间隔减小到0.5pm。

     激光快速成形技术

     激光快速成形技术是将激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合而形成 的,多用于模具和模型行业。目前使用的激光器以YAG激光器、CO?激光器和光纤激光器 为主。激光快速成形技术集成了激光技术、CAD/CAM技术、控制技术和材料技术的最新 成果,根据零件的CAD模型,用激光束将光敏聚合材料逐层固化,精确堆积成样件,不需 要模具和刀具即可快速精确地制造形状复杂的零件。该技术已在航空航天、电子、运载车辆 等工业领域得到了广泛应用。

     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。在激光出现之前,只能用硬度较大的物质在硬度较小的物 质上打孔。这样要在硬度很高的金刚石上打孔就极其困难。激光出现后,这一类的操作既快又安 全。但是激光钻出的孔是圆锥形的,而不是机械钻孔的圆柱形,这在有些地方是不方便的。

激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发 展,主要体现在打孔用YAG激光器的输出功率已由400W提高到了 800W甚至1000W。打孔峰值功率高达30~50kW,打孔用的脉冲宽度越来越窄,重复频率越来越高。激光器输出参数的提高改善了打孔质量,提高了打孔速度,也扩大了激光打孔的应用范围。国内比较成熟的激光打孔的应用是在人造刚石和天然金刚石拉丝模的生产,以及钟表、仪表的宝石轴承与飞机叶片、印制线路板等行业中。目前使用的激光器以CO?激光器、YAG激光器为主,也有应用准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器的。

     激光打标技术

     激光打标是利用高能量密度的激光束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级到微米量级,这对产品的防伪有特殊的意义。聚焦后极细的激光束如同刀具,可将物体表面材料逐点去除。激光打标技术的先进性在于标记过程为非接触性加工,不产生机械挤压或机械应力,不会损坏被加工物品。激光束聚焦后的尺寸很小、,热影响区小,加工精细,可以完成常规方法无法实现的工艺。激光打标使用的“刀具”是聚焦后的光束,不需要额外增添其他设备和材料,只要激光器能正常工作,就可以长时间连续加工。激光打标加工速度快、成本低,由计算机自动控制,生产时不需人为干预。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,已广泛用于微电子工业和生物工程。激光能标记何种信息与计算机设计的内容相关,只要计算机设计出的图稿打标系统能够识别,那么打标机就可以将设计信息精确地还原在合适的载体上。因此激光打标软件的功能实际上很大程度上决定了激光打标系统的功能。该项技术在各种材料和几乎所有行业得到应用,使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。

     激光表面强化及合金化

     激光表面强化是用高功率密度的激光束加热,使工件表面薄层发生熔凝和相变,然后自激快冷形成微晶或非晶组织。激光表面合金化是用激光加热涂覆在工件表面的金属、合金或化合物,与基体金属快速发生熔凝,在工件表面形成一层新的合金层或化合物层,达到材料表面改性的目的。还可以用激光束加热基体金属及通过的气体,使之发生化学冶金反应(例如表面气相沉积),在金属表面形成所需物相结构的薄膜,以改变工件的表面性质。激光表面强化及合金化适用于航空航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零部件。

     其他

     除了上述激光加工技术外,已成熟的激光加工技术还包括激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术等。激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单,可大幅度降低生产成本,可加工0.125~1μm宽的线,适合于超大规模集成电路的制造。激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调,精度可达0.01%~0.002%,比传统加工方法的精度和效率髙、成本低。激光微调包括薄膜电阻(厚度为0.01~0.6产m)与厚膜电阻(厚度为20~50μm)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。激光存储技术利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息,是信息化时代的支撑技术之一。激光划线技术是生产集成电路的关键技术,其划线细、精度高(线宽为15~25μm,槽深为5~200μm),加工速度快(可达200mm/s),成品率可达99.5%以上。激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染,提高精密器件的成品率。激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度,速度比无激光照射快1000倍,对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大意义。改进技术可使电镀层的牢固度提高100~1000倍。

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