雷射加工技術與應用

雷射加工技術與應用 1 何謂雷射 l “鐳射 ”一詞是 “LASER”的意譯。 LASER原是 Light amplification by stimulated emission of radiation取字頭組合而成的專門名詞，在我國 曾被翻譯成 “萊塞 ”、 “光激射器 ”、 “光受激輻射放 大器 ”等。 1964年，錢學森院士提議取名為 “激 光 ”、香港稱 “鐳射 ”、台灣稱 “雷射 ”，既反映了 “ 受激輻射 ”的科學內涵，又表明它是一種很強烈 的新光源，貼切、傳神而又簡潔，得到我國科 學界的一致認同並沿用至今。 2 性質 : l 是指 窄幅頻率的光輻射線 ，透過受激輻射 放大和必要的反饋共振，產生 垂直 、 單 色 、 相干 的光束的過程及儀器。利用雷射束 與物質相互作用的特性對材料 (包括金屬 與非金屬 )進行切割、焊接、表面處理、 打孔、微加工以及做為光源，識別物體等 的一門技術。 3 原理 : l 外加能量以電場、光子、化學等方式注入到一個能級系 統並為之吸收的話，會導致電子從低能級向高能級躍遷 （所謂 受激吸收 ），當自發輻射產生的光子碰到這些因 外加能量而躍上高能級的電子時，這些高能級的電子會 因受誘導而遷到低能級並釋放出光子（所謂 受激輻射 ） ，最後光的強度越來越大（即光線被放大了），而與一 般的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位、前 進方向。 l 要做到光放大，就要產生一個 高能級電子比低能量級電 子數目多 的環境，即 群數反轉 ，這樣才有機會讓高能級 電子碰上光子來釋放新的光子，而不是隨機釋放。 4 何謂 l 受激輻射 : 電子 的運動狀態可以分為不同 的 能級 ，電子從高能級向低能級 躍遷 時， 會釋放出相應能量的 電磁波 （所謂 自發輻 射 ）。一般的發光體中，這些電子釋放光 子的動作是隨機的，所釋放出的光子也沒 有相同的特性，例如鎢絲燈發出的光。 5 何謂 l 群數反轉 : 為了達到光放大的作用，在高 能級必須有更多的電子，使得受激輻射發 生的機率更高。這個狀態稱為 佔據逆轉 。 出於這個原因，所以以光子激發的二級系 統是無法實作雷射的，所以雷射一般是以 透過三級系統和四級系統得到實作。 l 在三級系統中，電子受激躍遷到高能級後 ，便很快轉為 亞穩態 。由此雷射媒介被激 發為高能態，佔據逆轉得到實作。 6 雷射產生器的三個基本要素： l 激發來源（ pumping source） ，把能量供給低能 級的電子，激發使其成為高能級電子，能量供給的方式 有電苛放電、光子、化學作用 。 l 增益介質（ gain medium） ，被激發、釋放光子的 電子所在的物質，其物理特性會影響所產生雷射的波長 等特性。 l 共振腔（ resonator） ，是兩面互相平行的鏡子， 一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來 回反射，目的是使被激發的光經過增益介質多次以得到 足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，雷射便從 半反射鏡發射出去。 7 雷射分類 : l 按工作狀態分 連續雷射器 脈衝雷射器 調 Q（輸出脈寬可以達到奈秒級別） 1. 電光調 Q 2. 聲光調 Q 3. 染料調 Q 鎖模（輸出脈寬可以壓縮到飛秒級別） 8 l 按工作物質分 l 可以把雷射器分為 液體雷射器 、 氣體雷射 器 和 固體雷射器 等。而現在最常見的 半導 體雷射器 算是固體雷射器的一種。 9 氣體雷射器 : 介質是氣體的雷射器，此種雷射器透過放電得到 激發。 l 氦氖雷射器： 最重要的紅光放射源 （ 632.8 nm ）。 l 二氧化碳雷射器：波長約 10.6 m （紅外線） ， 重要的工業雷射 。 l 一氧化碳雷射器：波長約 6-8 m （紅外線）， 只在冷卻的條件下工作。 l 氮氣雷射器： 337.1 nm (紫外線 )。 10 氣體雷射器 : l 氬離子雷射器：具有多個波長， 457.9 nm (8%), 476.5 nm (12%), 488.0 nm (20%), 496.5 nm (12%), 501.7 nm (5%), 514.5 nm (43%) （ 由藍光到綠光）。 l 氦鎘雷射器： 最重要的藍光 (442nm) 和近紫外 雷射源 (325nm)。 l 氪離子雷射器 :具有多個波長， 350.7nm; 356.4nm; 476.2nm; 482.5nm; 520.6nm; 530.9nm; 586.2nm; 647.1nm (最強 ); 676.4nm; 752.5nm; 799.3nm (從藍光到深紅光 )。 11 氣體雷射器 : l 準分子雷射器：比如， KrF (248 nm), XeF (351 -353 nm), ArF (193 nm), XeCl (308 nm), F2 (157 nm) (均為紫外線 )。 l 金屬蒸汽雷射器：比如銅蒸汽雷射器，波長介 於 510.6-578.2 nm之間。 l 金屬鹵化物雷射器：比如溴化銅雷射器，波長 介於 510.6-578.2 nm之間。 12 固體雷射器 : l 介質是固體的雷射器，此種工作物質透過 燈、半導體雷射器陣列、其他雷射器光照 幫浦得到激發。 熱透鏡效應是大多數固體 雷射器的一項缺陷 。 13 固體雷射器 : l 紅寶石雷射器： 世界上第一台雷射器 ,1960年 7月 7日， 美國青年科學家梅曼宣布世界上第一台雷射器由誕生， 這台雷射器就是紅寶石雷射器。 l Nd: YAG(摻釹釔鋁石榴石 )： 最常用的固體雷射器 ，工 作波長一般為 1064nm 。 l Nd:YVO4(摻釹釩酸釔 )： 低功率應用最廣泛的固體雷射 器 ，工作波長一般為 1064nm,可以透過 KTP,LBO非線性 晶體倍頻後產生 532nm的雷射器。 l Yb: YAG(摻鐿釔鋁石榴石 )：適用於高功率輸出，這種 材料的 碟片雷射器在雷射工業加工領域有很強優勢 。 l 鈦藍寶石雷射器：具有較寬的波長調節範圍（ 670nm 1200nm） 14 技術方法 : l 雷射焊接 l 雷射切割 l 雷射打標 l 雷射打孔 l 雷射熱處理 l 雷射快速成型 l 雷射塗敷 15 雷射焊接 電弧焊 （氬弧焊、手弧焊、埋弧焊、鎢極氣體 保護電弧焊、等離子弧焊、氣體保護焊） 電阻焊 高能束焊 （電子束焊、鐳射焊） 釺焊 以電阻熱為能源：電渣焊、 高頻焊 ； 以化學能為焊接能源：氣焊、 氣壓焊 、爆炸焊 ； 以機械能為焊接能源： 摩擦焊 、冷壓焊、超聲 波焊、擴散焊 16 雷射焊接用於 : l 汽車車身濃薄板、汽車零件、鋰電池、心 臟起搏器、密封繼電器等密封器件以及各 種不允許焊接污染和變形的器件。 l 目前使用的鐳射器有 YAG鐳射器、 CO2 雷射器 和 半導體幫浦雷射器 。 17 雷射焊接的特色 : 1、速度快、深度大、變形小。 2、能在室溫或特殊條件下進行焊接，例如，雷射通過電磁場， 光束不會偏移；雷射在真空、空氣及某種氣體環境中均能施 焊，並能通過玻璃或對光束透明的材料進行焊接。 3、可焊接難熔材料如鈦、石英等，並能對異性材料施焊，效果 良好。 4、雷射聚焦後，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可 達 5： 1，最高可達 10： 1。 5、可進行微型焊接。雷射光束經聚焦後可獲得很小的光點，且 能精確定位。 6、可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠距離焊接，具有很大 的靈活性。尤其是近幾年來， 在 YAG雷射加工技術中採用了 光纖傳輸 技術，使雷射焊接技術獲得了更為廣泛的推廣和應 用。 7、雷射光束易實現光束按時間與空間分光，能進行多光束同時 加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。 18 雷射切割 l 常用 於汽車行業、計算機、電氣機殼、木刀模 業、各種金屬零件和特殊材料的切割、圓形鋸 片、壓克力、彈簧墊片、 2mm以下的電子機件 用銅板、一些金屬網板、鋼管、鍍錫鐵板、鍍 亞鉛鋼板、磷青銅、電木板、薄鋁合金、石英 玻璃、矽橡膠、 1mm以下氧化鋁陶瓷片、太空 飛行工業使用的鈦合金等等。 l 使用雷射器有 YAG雷射器 和 CO2雷射器 。 19 雷射切割的特色 : l 1. 雷射切割的切縫窄，工件變形小 l 2. 雷射切割是一種高能量、密度可控性好 的無接觸加工 l 3. 雷射切割具有廣泛的適應性和靈活性 20 雷射打標 l 雷射掩膜打標 、 雷射振鏡打標 等在各種材 料和幾乎所有行業均得到廣泛應用。 l 目前使用的雷射器有 YAG雷射器、 CO2雷 射器 和 半導體幫浦雷射器 。 21 雷射打標的特色 : 1、可對絕大多數金屬或非金屬材料進行加工。 2、雷射是以非機械式的 “刀具 ”進行加工，對材料不產生機械 擠壓或機械應力，無 “刀具 ”磨損，無毒，很少造成環境污 染。 3、雷射束很細，使被加工材料的消耗很小。 4、加工時，不會受電場和磁場的干擾。 5、操作簡單，使用微機數控技術能實現自動化加工。 6、使用精密工作臺能進行精細微加工。 7、可使用顯微鏡或攝像系統，能對被加工表面狀況進行觀 察或監控。 8、可以利用稜鏡、反射鏡系統（對於 YAG雷射器還能用光 纖導光系統）將光束聚集到工件的內表面或傾斜表面上進 行加工。 9、能標記條碼、數位、字元、圖案、二維碼等標誌。 22 雷射打孔 l 國內目前比較成熟的雷射打孔的應用是在 人造金剛 石 和 天然金剛石拉絲模 的生產及 鐘錶和儀表的寶石 軸承 、飛機葉片、多層印刷線路板等行業的生產中 。 l 主要應用在航空太空飛行、汽車製造、電子儀表、 化工等行業。 l 目前使用的雷射器多以 YAG雷射器、 CO2雷射器為 主，也有一些準分子雷射器、同位素雷射器 和 半導 體幫浦雷射器。 l 雷射光束打孔機一般由固體雷射器、電氣系統 、光學系統和三座標移動工作臺等四大部分組成。 23 雷射熱處理 l 汽車工業中應用廣泛，如缸套、曲軸、活 塞環、換向器、齒輪等零部件的熱處理， 同時在航空太空飛行、機床行業和其它機 械行業也應用廣泛。 我國的雷射熱處理應 用遠比國外廣泛得多 。 l 目前使用的雷射器多以 YAG雷射器， CO2 雷射器 為主。 24 雷射快速成型 l 雷射加工技術和 計算機數控技術 及 柔性製 造技術 相結合而形成。多用于模具和模型 行業。 l 目前使用的雷射器多以 YAG雷射器、 CO2 雷射器 為主。 25 雷射塗敷 l 在航空太空飛行、模具及機電行業應用廣 泛。 l 目前使用的雷射器多以大功率 YAG雷射器 、 CO2雷射器 為主。 26 雷射對於加工市場的優勢 : 由於它是 無接觸加工 ，並且高能量雷射光束的能量及其移 動速度均可調，因此可以實現多種加工的目的。 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。 雷射加工過程中 無 “刀具 ”磨損，無 “切削力 ”作用於工件。 雷射加工過程中，雷射光束能量密度高，加工速度快，並 且是局部加工，對非雷射照射部位沒有影響或影響極小。 因此，其熱影響區小，工件熱變形小，後續加工量小。 它可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工。 由於雷射光束易於導向、聚集實現作各方向變換，極易與 數控系統配合，對複雜工件進行加工，因此是一種極為靈 活的加工方法。 使用雷射加工，生產效率高，品質可靠，經濟效益好。 27 補充 28 二氧化碳雷射加工 l 目的 : 高功率雷射 是國內目前 CO2 雷射加工設 備的主流，其加工對象非常廣，例如，電腦、 電氣機殼的板金切割、機器零組件切割、木刀 模業、汽車板金切割、特殊材料切割 (電子機件 銅板、金屬板、合金板、電木板、壓克力、矽 橡膠等 ) 之切割加工。 l 由於光電產業蓬勃， CO2 雷射加工技術已逐漸 用在光電產品上，例如石英切割、電路板鑽孔 、耐熱玻璃與晶體切割等。近來，光電產業中 的 LCD 液晶面板需求大增，而 CO2 雷射切割 技術已被預言為下一世代面板切割製作主流 。 29 二氧化碳雷射加工 特色 : l 加工速度快 l 加工品質一致 l 加工尺寸範圍廣 l 改善傳統繁雜加工製程 應用 : l 玻璃、陶瓷等硬脆材料加工 l 塑膠射出元件下料製程 l 特殊外形加工 30 準分子雷射微加工技術 l 特性 : 準分子雷射微加工是運用 紫外波段 的 短波長脈衝雷射 ，將高分子材料內部電 子激發，造成瞬間的離子化及材料的分解 ，準分子雷射幾乎對所有的有機高分子材 料，都會造成中度或高度比率的吸收。 31 準分子雷射微加工技術 應用領域 : l 微結構及特殊曲面微結構 l 微透鏡陣列、柱狀透鏡與導電玻璃絕緣處 理等 32 分享 l 1960年 5月 16日 ， 美國加利福尼亞州 休斯 實驗室 的科學家 梅曼 宣布獲得了波長為 0.6943微米 的雷射，這是 人類有史以來獲 得的第一束雷射 ，梅曼因而也成為世界上 第一個將雷射引入實用領域的科學家。 33 分享 l 1960年 7月 7日 ， 梅曼 宣布 世界上第一台雷射器 由誕生 ，梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈 管，來刺激 紅寶石 。由於紅寶石其實在物理上 只是一種摻有 鉻 原子的 剛玉