激光在各行各业的应用.doc

激光在各行各业的应用激光在各行各业的应用激光在各行各业的应用 激光打标的特点： 1)非接触加工 可在任何规则或不规则表面打印标记，且打标后工件不会产生内应力； 2)材料适用面广 可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印； 3)可与生产线上的一激光打标的特点： 1)非接触加工可在任何规则或不规则表面打印标记，且打标后工件不会产生内应力； 2)材料适用面广可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印； 3)可与生产线上的其他设备集成，提高生产线的自动化程度； 4)标记清晰、持久、美观，并可有效防伪； 5)使用寿命长、无污染； 6)运行成本低 打标速度快且标记一次成型，能耗小，因而运行成本低。 虽然激光打标机的设备投资比传统标记设备大，但从运行成本而言，使用激光打标机要低得多。 塑封三极管打标：打标机工作速度为10个/秒，若设备折旧以5年计算，打标费用为0.00048元/个。如果使用移印机，其综合运行成本约为0.002元/个，甚至更高。 轴承表面打标：若轴承三等分打字，总共18个4号字，采用振镜式打标机，以氪灯灯管的使用寿命为700小时计算，则每个轴承的打标综合成本为0.00915元。电腐蚀刻字的成本约为0.015元/个。以年产量400万套轴承计算，仅打标一项，1年最少可以降低成本约6.5万元。 7)加工效率高 计算机控制下的激光光束可以高速移动(速度达57米/秒)，打标过程可在数秒内完成。1个标准计算机键盘的印字可在12秒内完成。激光打标系统均配有计算机控制系统，可以与高速流水线灵活配合。 8)开发速度快 由于激光技术和计算机技术的结合，用户只要在计算机上编程即可实现激光打印输出，并可随时变换打印设计，从根本上替代了传统的模具制作过程，为缩短产品升级换代周期和柔性生产提供了便利工具。 9)加工精度高 激光能以极细的光束作用于材料表面，最细线宽可达到0.05mm。为精密加工和增加防伪功能开创了宽广的应用空间。 激光印标能满足在极小的塑料制件上印制大量数据的需要。例如，可印制要求更精确，清晰度更高的二维条码，与压印或喷射打标方式相比，有更强的市场竞争力。 10)维护成本低 激光打标是非接触式打标，不像模版印标工艺有使用寿命的限制，在批量加工中的维护成本极低。 11)具有环保性 激光打标为非接触式打标，节约能源，相对于腐蚀法，避免了化学污染；相对于机械式打标，也可减少噪声污染。 激光打标的原理： 激光打标是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记。打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而刻出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图案、文字。 目前，公认的原理是两种： 热加工具有较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，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面（或涂层）温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。 冷加工具有很高负荷能量的（紫外）光子，能够打断材料（特别是有机材料）或周围介质内的化学键，至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义，因为它不是热烧蚀，而是不产生热损伤副作用的、打断化学键的冷剥离，因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。例如，电子工业中使用准分子激光器在基底材料上沉积化学物质薄膜，在半导体基片上开出狭窄的槽。 二，激光切割 激光切割这里指的是金属类产品的切割。 激光切割的主要特性 1. 激光切割的切缝窄，工件变形小 激光束聚焦成很小的光点，使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分，材料很快加热至汽化程度，蒸发形成孔洞。随着光束与材料相对线性移动，使孔洞连续形成宽度很窄的切缝。切边受热影响很小，基本没有工件变形。 切割过程中还添加与被切材料相适合的辅助汽体。钢切割时利用氧作为辅助汽体与熔融金属产生放热化学反应氧化材料，同时帮助吹走割缝内的熔渣。切割聚丙烯一类塑料使用压缩空气，棉、纸等易燃材料切割使用惰性汽体。进入喷嘴的辅助汽体还能冷却聚焦透镜，防止烟尘进入透镜座内污染镜片并导致镜片过热。 大多数有机与无机材料都可以用激光切割。在工业制造系统占有份量很重的金属加工业，许多金属材料，不管它是什么样的硬度，都可以进行无变形切割。当然，对高反射率材料，如金、银、铜和铝合金，它们也是好的传热导体，因此激光切割很困难，甚至不能切割。 激光切割无毛刺、皱折、精度高，优于等离子切割。对许多机电制造行业来说，由于微机程序控制的现代激光切割系统能方便切割不同形状与尺寸的工件，它往往比冲切、模压工艺更被优先选用；尽管它加工速度还慢于模冲，但它没有模具消耗，无须修理模具，还节约更换模具时间，从而节省了加工费用，降低了生产成本，所以从总体上考虑是更合算的。 2. 激光切割是一种高能量、密度可控性好的无接触加工 激光束聚焦后形成具有极强能量的很小作用点，把它应用于切割有许多特点。首先，激光光能转换成惊人的热能保持在极小的区域内，可提供 （1）狭的直边割缝； （2）最小的邻近切边的热影响区； （3）极小的局部变形。 其次，激光束对工件不施加任何力，它是无接触切割工具，这就意味着 （1）工件无机械变形； （2）无刀具磨损，也谈不上刀具的转换问题； （3）切割材料无须考虑它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料的硬度影响，任何硬度的材料都可以切割。 再次，激光束可控性强，并有高的适应性和柔性，因而 （1）与自动化设备相结合很方便，容易实现切割过程自动化； （2）由于不存在对切割工件的限制，激光束具有无限的仿形切割能力； （3）与计算机结合，可整张板排料，节省材料。 3. 激光切割具有广泛的适应性和灵活性 与其它常规加工方法相比，激光切割具有更大的适应性。 首先，与其他热切割方法相比，同样作为热切割过程，别的方法不能象激光束那样作用于一个极小的区域，结果导致切口宽、热影响区大和明显的工件变形。激光能切割非金属，而其它热切割方法则不能。 三，激光雕刻 激光雕刻一般指的是在非金属材料上面进行雕刻或切割。 激光雕刻按雕刻方式不同可分为点阵雕刻和矢量切割：点阵雕刻 点阵雕刻酷似高清晰度的点阵打印。激光头左右摆动，每次雕刻出一条由一系列点组成的一条线，然后激光头同时上下移动雕刻出多条线，最后构成整版的图象或文字。扫描的图形，文字及矢量化图文都可使用点阵雕刻。 矢量切割 与点阵雕刻不同，矢量切割是在图文的外轮廓线上进行。 一台雕刻机的性能,主要由雕刻速度,雕刻强度和光斑大小而决定. 雕刻速度 雕刻速度指的是激光头移动的速度，通常用IPS（英寸/秒）表示，高速度带来高的生产效率。速度也用于控制切割的深度，对于特定的激光强度，速度越慢，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。悍马机先进的运动控制系统可以使您在高速雕刻时，仍然得到超精细的雕刻质量 雕刻强度 雕刻强度指射到于材料表面激光的强度。对于特定的雕刻速度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。您可利用雕刻机面板调节强度，也可利用计算机的打印驱动程序来调节。在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。强度越大，相当于速度也越大。切割的深度也越深 光斑大小 光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻。大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻，但对于矢量切割，它是最佳的选择。新设备的标准配置是 2.0英寸的透镜。其光斑大小处于中间，适用于各种场合。 一般雕刻机可雕刻以下材料：木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、可丽耐、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属。 四，激光焊接 激光焊接的原理：将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。由于其独特的优点，已成功地应用于微、小型零件的精密焊接中。高功率CO2及高功率YAG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理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的应用。 与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是： 激光焊接速度快、深度大、变形小。 能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过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，在用高功率激光器焊接工件时，深宽比可达 5:1, 最高可达 10:1。 可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。例如，金刚石锯片，用激光将基材（65Mn）和高强超硬的人造金钢石焊接，使这种锯片寿命、价值倍增。 可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，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、手机电池的封焊等由于采用了激光焊，不仅生产效率大大提高，且热影响区小，焊点无污染，大大提高了焊接的质量。 可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广与应用。 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及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 五、激光打孔 由于激光具有高能量，高聚焦等特性，激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中，使得硬度大、熔点高的材料越来越多容易加工。例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径；在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。利用激光束在空间和时间上高度集中的特点，经而易举地可将光斑直径缩小到微米级，从而获得1001000W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔。 通常激光打孔机由五大部分组成：固体激光器、电气系统、光学系统，投影系统和三坐标移动工作台。五个组成部分相互配合从而完成打孔任务。 固体激光器主要负责产生激光光源，电气系统主要负责对激光器供给能量的电源和控制激光输出方式(脉冲式或连续式等)，而光学系统的功能则是将激光束精确地聚焦到工件的加工部位上。为此，它至少含有激光聚焦装置和观察瞄准装置两个部分。投影系统用来显示工件背面情况。工作台则由人工控制或采用数控装置控制，在三坐标方向移动，方便又准确地调整工件位置。工作台上加工区的台面一般用玻璃制成，因为不透光的金属台面会给检测带来不便，而且台面会在工件被打穿后遭受破坏。工作台上方的聚焦物镜下设有吸、吹气装置，以保持工作表面和聚焦物镜的清洁。 激光打孔机与传统打孔工艺相比，具有以下一些优点： （1）激光打孔速度快,效率高,经济效益好。 （2）激光打孔可获得大的深径比。 （3）激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。 （4）激光打孔无工具损耗。 （5）激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。 （6）用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。 由于激光具有高能量，高聚焦等特性，激光打孔加工技术广泛应用于众多工业加工工艺中，使得硬度大、熔点高的材料越来越多容易加工。例如，在高熔点金属钼板上加工微米量级孔径；在硬质碳化钨上加工几十微米的小孔；在红、蓝宝石上加工几百微米的深孔以及金刚石拉丝模具、化学纤维的喷丝头等。利用激光束在空间和时间上高度集中的特点，经而易举地可将光斑直径缩小到微米级，从而获得1001000W/cm2的激光功率密度。如此高的功率密度几乎可以在任何材料实行激光打孔。 通常激光打孔机由五大部分组成：固体激光器、电气系统、光学系统，投影系统和三坐标移动工作台。五个组成部分相互配合从而完成打孔任务。 固体激光器主要负责产生激光光源，电气系统主要负责对激光器供给能量的电源和控制激光输出方式(脉冲式或连续式等)，而光学系统的功能则是将激光束精确地聚焦到工件的加工部位上。为此，它至少含有激光聚焦装置和观察瞄准装置两个部分。投影系统用来显示工件背面情况。工作台则由人工控制或采用数控装置控制，在三坐标方向移动，方便又准确地调整工件位置。工作台上加工区的台面一般用玻璃制成，因为不透光的金属台面会给检测带来不便，而且台面会在工件被打穿后遭受破坏。工作台上方的聚焦物镜下设有吸、吹气装置，以保持工作表面和聚焦物镜的清洁。 激光打孔机与传统打孔工艺相比，具有以下一些优点： （1）激光打孔速度快,效率高,经济效益好。 （2）激光打孔可获得大的深径比。 （3）激光打孔可在硬、脆、软等各类材料上进行。 （4）激光打孔无工具损耗。 （5）激光打孔适合于数量多、高密度的群孔加工。 （6）用激光可在难加工材料倾斜面上加工小孔。六，激光打印机(3） 产生激光的光源，和普通的光源明显不同。如普通白炽灯光源是通过电流加热钨丝的 原 子到激发态，处于激发态的原子不断地自发辐射而发光。这种普通的光源具有很大的散射 性 和漫射性，不能控制形成集中的光束，也就不能应用于激光打印机。激光打印机所需要的 激 光光束必须具有以下特性： 高方向性。发出的光束在一定的距离内没有散射和漫射。 高单色性。纯白光由七色光组成。 高亮度，有利于光束的集中并带有很高的物理能量。 高相干性，容易叠加和分离。 激光器是激光扫描系统的光源，具有方向性好、单色性 强、相干性高及能量集中、便于 调制和偏转的特点。 早期生产的激光打印机多采用氦-氖（ He-Ne）气体激光器，其波长为6328m，其特点是 输出功率较高、体积大、是寿命长（一 般大于1万小时） 性能可靠，噪音低，输出功率大。但是因为体积太大，现在基本已淘汰。现 代激光打印机都 采用半导体激光器，常见的是镓砷-镓铝砷（CaAs-CaAlAs）系列，所发射出 的激光束波长一 般为近红外光（780m），可与感光硒鼓的波长灵敏度特性相匹配。半 导体激光器体积 小、成本低，可直接进行内部调制，是轻便型台式激光打印机的光源。 激光打印机(3） 激光扫描是用来产生非常小的高精度光点，用于高质量的文字及图像的印刷，常用的激 光扫 描系统工作原理是：在工作物质两端设置两块相互平行的反射镜（栅极），这两块反射 镜之 间构成了一个谐振腔。谐振腔的一块反射镜为全反射镜，另一块为半反射镜，当工作物 质受 激，原子自发辐射的光子在谐振腔内不断地来回反射，辐射出的光子不断增加。当谐振 腔内 叠加的光子增加到一定量时，就会穿透半反射的反射镜面发出一束非常强的光，这就是 激光 。这样发出的光束非常集中，几乎没有散射，只要我们利用控制技术将光波波长控制在 700 900m（纳米），这样所产生的激光就可以满足激光打印机感光鼓的曝光需要。 现代所用的半导体激光器，通常采用激光二极管，它的原理与普通的二极管极为相似， 如都有一对PN结，当电压和电流加到激光二极管上时，P型半导体材料中的空穴和N型材料中 的自由电子产生相对运动， PN结处载流子的密度增加非常大，自由电子和空穴重新复合， 因而产生受激辐射，释放出具有激光特性的光子，由激光器谐振腔内的反射镜反射，透过激 光孔和孔内聚焦镜，射出激光束。 从激光的产生可以看出，一条激光束只包括一种主要波长的光线，它是单色的。每一 条 光线都沿一个方向传播，以相互叠加的方式结合，我们称之为相干性。这个特性使激 光以 一条极细的光束射到一个靶上，而几乎没有散射。而每条激光束就像枪膛里射出的子弹 ，每 颗子弹只能在靶上打一个孔。如果要打出一个一字，就要射出很多的子弹，沿一 字方向 打出很多的孔，形成一个一字点的横向排列，这就是我们所说的点阵排列 ，是后面要讲 点阵图像的技术基础。 激光打印机的图文信息，亦是由点阵组成。印刷质量要求越高，组成一个字符的点阵亦越多。激光扫描的点阵形成有四种方法。单线扫描：将一行字符的每一行的点阵信息，送至扫描器中进行扫描，称为单线扫描。多线顺序偏转扫描：高频信号发生器依次产生 9个不同的频率，依据布雷格衍射原理，它们在偏转调制器中会产生9条偏转角不同的扫描线 ，接着转镜 旋转一个微小角度，扫描出从左至右的点阵信息。由于这种方法只需转镜转过一个微小的角度 ，它相当于单线扫描方法的1132，即可形成1个字，故又称小光栅扫描。 多线同时偏转扫描：是指在高频驱动电路中同时产生9个不同的频率，经合成后送至偏转 调制器中。多线同时偏 转多次扫描：这种方法与多线同时偏转扫描属同一类，只是从1个字 符的形成上有所区别。即在扫描高点阵字符时，一个完整的字符是分成多次扫描完成的。 图形信息的点阵形成与字符 的点阵形成基本相似。随着黑白和彩色激光打印机在商务办公和个人桌面办公领域应用的普及，越来越多的用户开始将激光打印机作为自己办公输出的首选打印机。为了更好地指导用户合理地选购和使用激光打印机产品，从本期开始我们将开设“透视激打”专栏，从激光打印机的原理、热点技术、选购和维护等几个方面，介绍有关激光打印机的相关知识。 无论是黑白激光打印机还是彩色激光打印机，其基本工作原理是相同的，它们都采用了类似复印机的静电照相技术，将打印内容转变为感光鼓上的以像素点为单位的点阵位图图像，再转印到打印纸上形成打印内容。与复印机惟一不同的是光源，复印机采用的是普通白色光源，而激光打印机则采用的是激光束。以下我们将以最简单的黑白激光打印机为例，详细介绍激光打印机的工作原理。 从功能结构上，激光打印机分为打印引擎和打印控制器2大部分。激光打印机的打印引擎由Canon、Minolta、Xerox、Brother、Samsung、Hitachi等少数几个引擎生产厂商提供。而打印机厂商则是向引擎厂商购买或者定制打印引擎，根据引擎设计控制器和打印驱动，从而完成整个打印机的设计和生产。这就是形成目前激光打印机领域的打印引擎和打印整机2级市场的原因。 在激光打印机中，打印控制器的作用是与计算机通过接口或网络进行通讯，接收计算机发送的控制和打印信息，同时向计算机传送打印机的状态。打印引擎在打印控制器的控制下将接收到的打印内容转印到打印纸上。因此打印控制器和打印引擎的性能和质量影响了整个打印机的性能和质量，这也是目前市场上采用相同引