激光加工简要总结.docx

激光加工激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词，意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。刘东华激光加工的原理与器件：激光的特点：（1） 发射出来的激光其频率、相位、方向和偏振态等都完全相同，因而，激光具有许多宝贵的特性，可归纳为亮度高、颜色纯、方向性好和相干性强等四个方面。所以激光束可在时间上和空间上实现高度的集中，也就是说，激光具有良好的聚集性能。强大的激光束，经过聚焦后，可以形成微细的光斑，从而达到极高的功率密度（如105109W/cm2），其亮度和威力大大超过普通的光源。甚至比世界上最强大的光源太阳的亮度还要高数亿倍。激光的聚焦特性与其波长、模式、发散角、以及聚焦透镜的焦距等因素有关。原理：（1） 当激光束照射到材料表面时，由于材料吸收光能后转变为热能，使材料加热升温，改变材料的物理化学性质或将照射区内的材料熔融，甚至汽化溅出，将材料去除或破坏。利用这种激光与材料相互作用时的热效应，便可有效地进行各种激光加工。特点：（1） 由于激光束的功率密度很高、威力很大，因而可以加工各种金属和非金属材料，特别适合于加工高硬、耐热合金、陶瓷、宝石、石英、玻璃等硬而脆的难加工材料。（2） 激光的聚集特性良好，可以将激光束聚集到微米级，且功率大小容易调节，因而可以用于精密微细加工。（3） 由于是非接触加工，在激光加工过程中，没有加工阻力，没有工具摩损等问题，因而能实现高速度、高精度的加工。且光束的照射部位、光斑的大小均容易控制，易于实现自动化。（4） 能进行远距离遥控加工，也可以通过透明材料对一些特殊环境（例高温、剧毒、水下、放射性及真空）中的工件进行激光加工，这是用常规的加工方法难以办到的。（5） 普通机械加工时，噪音大、屑末多、耗能大。而采用激光加工时，既无噪音、又无屑末，且工件变形小，无须后续加工，可以省略二次加工。既节省资源又节约能源，工效高。（6） 激光束在大气中传输时无能量损失，因而不象电子束加工那样，需用复杂的真空室。也不会产生电子束加工那样的X 射线，不会发生放射性危害，也无加工污染，不会发生公害，无需安装公害防治装置。在现代激光加工系统中，往往是集激光器、导光聚集装置、工作机床、计算机数控系统和机器人等于一体的整机。张保国等工程陶瓷材料激光加工原理及应用研究进展：激光是一种通过入射光子的激发使处于亚稳态的较高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级时完成受激辐射所发出的光，除具有一般光源的共性之外，还具有单色性、相干性和能量高度集中性等优点，因此可聚焦到尺寸与光波波长相近的小斑点上。激光加工的特点：（1）激光加工技术由于其具有非接触性、无污染、低噪声、高精度和易实现数字化控制等优良特性，已成为陶瓷传统加工工艺的重要补充。林树忠等激光加工技术的应用及发展：原理：（1）激光加工的实质是激光将能量传递给被加工材料，被加工材料发生物理或化学变化，从而达到加工的目的。按照激光与被加工工件之间作用机理的不同，可将激光加工分为两类：一类是激光热加工，一类是激光冷加工。激光热加工是指激光作用于加工工件表面所引起的快速热效应的各种加工过程，如激光焊接、激光打孔、激光切割等；激光冷加工是指激光借助高能量高密度光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，亦称为激光光化学反应加工，如激光刻蚀、激光掺杂、表面氧化等。特点：激光具有高亮度、方向性强、单色性好、相干性好、空间控制和时间控制性好等优越性能，容易获得超短脉冲和小尺寸光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，几乎能加工所有的材料。特别适用于加工自动化，而且对被加工材料的形状、尺寸和加工环境要求很低。（1） 无接触加工。激光加工是通过激光光束进行加工，与被加工工件不直接接触，降低了机械加工惯性和机械变形，方便了加工。同时，还可加工常规机械加工不能或很难实现的加工工艺，如内雕、集成电路打微孔、硅片的刻划等。（2） 加工质量好，加工精度高。由于激光能量密度高可瞬时完成加工，与传统机械加工相比，工件热变形小、无机械变形，使得加工质量显著提高；激光可通过光学聚焦镜聚焦，激光加工光斑非常小，加工精度很高，如PC机硬盘高速转子采用激光平衡技术，其转子平衡精度可达微米或亚微米级。（3） 加工效率高。激光切割可比常规机械切割提高加工效率几十倍甚至上百倍；激光打孔特别是微孔可比常规机械打孔提高效率几十倍至上千倍； 激光焊接比常规焊接提高效率几十倍；激光调阻可提高效率上千倍，且精度亦显著提高。（4） 材料利用率高，经济效益高。激光加工与其他加工技术相比可节省材料 10 30 %，可直接节省材料成本费，且激光加工设备操作维护成本低，对加工费用降低提供了先决条件。应用：（1） 激光快速成型技术。激光快速成型技术一改传统加工“去除”成型加工工艺，改为“堆积”成型加工工艺，在加工领域具有划时代的意义。（2） 激光焊接技术。激光焊接是利用高能量激光束照射焊接工件，工件受热融化，然后冷却得到焊接的目的。激光焊接的显著特征是大熔、焊道、小热影响区，以及高功率密度，大气压力下进行不要求保护气体，不产生 X射线，在磁场内不会出现束偏移，更加之该法焊速快、与工件无机械接触、可焊接磁性材料便于实现遥控等优点， 尤其可焊高熔点的材料和异种金属，并且不需要添加材料，因此很快在电子行业中实现了产业化。激光焊接有两种基本方式：传导焊与深熔（小孔） 焊。（3） 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。激光打孔技术朝着多样化、高速度、高精度、直径更微小的方向发展。（4） 激光切割技术。激光切割以其切割范围广、切割速度高、切缝窄、切割面粗糙度低、热影响区域小、加工柔性好、可实现众多复杂零件的切割等优点而应用越来越广。激光切割技术可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。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。（5） 激光打标技术。激光打标是利用高能量密度的激光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到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。（6） 激光刻蚀技术。激光刻蚀技术主要应用在高集成度电路的制作。（准分子激光）（7） 激光微调技术。激光微调主要用于调整厚膜电路或薄膜电路中的电阻、电容以及其他多种功能参数。激光调阻时，受到照射的部位受热汽化挥发， 阻值区域截面面积减小， 随之阻值增大。激光微调的实质是打孔，每次打孔都很浅，约至几十纳米至几十微米之间， 然后通过连续不断的打孔， 搭接成一条线。激光微调电阻除用强光照射将部分电阻膜气化外，还可通过无损伤照射改变膜的结构达到调整阻值的目的。激光调阻技术主要应用于精密电阻阻值调解，精度可达 0.1 0.02 。（8） 激光存储技术。激光存储技术是信息以反射/ 非反射带（正常表面和凹坑）的序列编码，已达到信息存储的目的。因数据存储密度与激光波长的平方成反比，所以，发展波长更短的激光是提高激光存储技术的关键。（9） 激光划线技术。由于激光对划片材料几乎不产生机械冲力和压力，加上激光光斑小、 划缝窄，所以特别适宜于对细小部件作各种精密加工。但由于用于激光加工的整套设备技术含量高，售价亦很高。（10） 激光清洗技术。激光清洗技术的使用有效地解决了集成电路的清洗。（11） 激光热处理。激光热处理是指利用激光高能量密度的能量照射金属材料表面时， 材料表层温度迅速升高，当激光停止作用后，材料基体温度迅速下降，从而使材料表层经历一个热处理过程。激光热处理技术由于成本高、控制复杂，还处于实验室技术层面，还没有大范围、大面积的工业化应用。（12） 表面处理技术。激光表面处理主要包括以下几方面的工艺：激光表面相变硬化（L TH ） 、激光表面熔化（LSM ） 、激光表面合金化（LSA ） 、激光表面涂覆（LSC ） 以及激光表面冲击硬化（LSH ）。袁根福激光加工技术的应用与发展现状：特点：（1）无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、方便实行数控和可以用来进行特殊加工。应用：（1） 激光打孔和切割。由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量（1068J/cm2），瞬间可使任何固体材料熔化，甚至蒸发，因此，从理论上说可以用激光来加工任何种类的固体材料。（2） 激光焊接。利用激光的高密度能量，可以对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接，也可以对非金属材料进行焊接（如玻璃的焊接）；加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可以忽略；属于非接触焊接，无机械应力和机械变形；激光焊接装置容易与计算机联机；可以在大气中焊接和无污染等一系列优点。（3） 激光表面改性技术。激光表面改性技术包括：激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光表面非晶化与微晶和激光冲击强化等。利用激光表面改性技术可以极大地提高零件表面的机械、物理和化学性质，现在已经广泛应用于工业生产。（4） 激光刻蚀、铣削与毛化。激光刻蚀在微电子行业可以用于半导体器件和芯片的加工 ，也可以用于精密光学器件的加工；利用激光的高密度能量，可以对硬脆性难加工材料进行激光铣削加工；利用脉冲激光还可以对轧辊进行毛化，经过毛化的轧辊轧制的汽车簿板具有着油漆牢固的特点。另外，还可以利用激光对钢套等零件进行毛化 ，可以大大地提高其耐磨寿命。（5） 激光物理气相沉积、激光化学气相沉积、激光诱导液相化学镀和激光诱导固相反应沉积。激光物理沉积（LP V D）主要是利用蒸发机制制膜，利用此种方法可以制非金属膜，也可以制金属膜（包括难熔金属膜）。激光化学气相沉积（LC V D）是利用激光束的局部高温、高能诱导反应气体发生化学反应沉积成膜的方法。激光诱导液相化学镀（L IEP）可将基板样品直接放入镀液中，用激光辐照诱导反应沉积。与普通化学镀相比，激光诱导化学镀沉积速度要快得多，镀层更加平整致密。一般认为激光诱导化学镀的机理是由于激光可在局部产生高温，使照射区溶液迅速升温活化，分离出金属粒子。而基板表面同时被高温活化，吸附能力大为增强，所以沉积易于进行。激光诱导固相沉积法直接采用激光诱导固体膜发生作用，反应生成金属或合金沉积在基板上。利用此种方法可以用来进行电路板布线。（6） 激光快速成型技术。快速成型（Rapid Prototyoing，简称RP）是通过把材料堆积，快速、精密地制造出实际零件，它体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等学科和技术的综合利用。它不需要借助其它设备和工具迅速和精确地制造出复杂的工模具、模型和工艺品。激光快速成型技术主要有激光层叠法、粉末烧结法、光固化法等。（7） 激光标记和艺术品制作。激光标记和艺术品制作就是利用高密度能量的激光束，会聚在工件表面的对目标进行表面扫描，使材料表面发生物理或化学的变化，导致目标表面的光反射特性的变化，从而获得可见图案。它属于一种非接触的标刻方式。 与传统的加工方式（如喷墨打印，电火花加工，机械刀刻等）相比，它具有许多难以比拟的优点。如它采用计算机控制技术，效率高、节奏快；激光刻划精细，可以对各种材料的表面进行标记，并且耐久性非常好；采用激光标刻的防伪效果好等。（8） 激光材料合成、激光清洗和激光加工在建筑上的应用。激光清洗可以使物体表面的污垢吸收光能而蒸发去除，或者在表面产生力学共振而使污垢凝结脱落。激光加工作为先进制造技术，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。邓树森激光加工技术及其应用：激光是一种应用面很宽的高技术，有的是利用它的单色性，有的是利用相干性或方向性，有的则是利用其高功率密度。对于工业加工用的激光，人们关心的主要是功率、波长（单色性） 、空间时间特性以及偏振性。原理：（1） 将激光束照射到金属或非金属工件上，会瞬时使被辐照材料熔化甚至汽化，以完成各种加工，这种基于热效应的加工称为热加工。某一类波长的激光束照射到聚合物一类的材料，则可产生光化学反应的刻蚀加工，这种加工称为“冷加工”。（2） 激光加工有热加工和“冷加工”之分，决定因素是光子能量的大小，光子能量与光 波频率成正比，与其波长成反比。（3） CO2、CO和YAG激光器均输出红外光。红外光的光波长而光子能量小。红外光子作用于固体物质，一般只能激发其振转能级，受激电子通过碰撞使晶格振动，导致被辐照物体温度升高，以至熔化或汽化，从而产生各种加工效果。在红外光作用下的激光加工过程本质上都是热作用过程，即这种激光是作为特种加热工具而使用的。（4） 准分子激光器则不同，它输出紫外光其光子能量达5eV，高于某些物质（如聚合物）分子的结合能。物质在紫外光光子的作用下可以发生电子能带跃迁，对于某些聚合物还可以出现互斥的电子状态，打破或削弱分子间的结合键，从而实现对该种材料 进行刻蚀加工。其作用机理是光化学作用，可以排除热影响，得到极高的加工质量。（5） 激光热加工，实际上是将激光束经过光学系统聚焦，形成合适光斑，提高其功率密度，当工件吸收光能后，瞬时升温，在适于金属材料产生相变时，即移动光斑，由工件基体传热，形成淬火，即机械工业的热处理。当温度再高，使工件照射区熔化即可完成焊接。温度更高，使工件照射区达到汽化时，若辅以气体吹动，可完成切割、打孔工序。特点：激光对被加工对象的材质、形状、尺寸、加工环境的自由度都很大。激光的空间控制性（光束的方向变化、旋转、扫描等）和时间控制性（开、关、脉冲间隔）容易控制，特别适合于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合，可构成高效自动加工设备，为优质、高效、低成本的加工开辟了广阔的前景。（1） 加工程序多。在同一台机床上可完成切割、打孔、焊接、表面处理等多种加工；既可分步加工，又可在几个工位同时进行加工。（2） 适应性强。可加工各种材料，包括高硬度、高熔点、高强度及脆性材料；既可在大气中，又可在真空中进行加工。（3） 加工质量好。由于能量密度高和非接触式加工，并可在瞬时内完成，工件热变形极小，且无机械变形，对精密小零件的加工非常有利。（4） 加工精度高。对微型陀螺转子，采用激光动平衡技术，其平衡精度可达百分之一或千分之几微米的质量偏心值。（5） 加工效率高。在某些情况下，用激光切割可提高效率820倍；用激光进行深熔焊接时生产效率比传方法提高30倍。用激光微调薄膜电阻，可提高工效1000倍，提高精度12个量级。用激光强化电镀其金属沉积率可提高1000倍。金石拉丝模用机械方法打孔，要花24h，用YAG激光器打孔，只需2s，提高工效43200倍。（6） 经济效益高。激光器打孔的直接费用可节省25%75%，间接加工费用可节省50%75%；与其他切割法相比，用激光切割钢件可降低加工费用。（7） 节能和节省材料。激光束的能量利用率为常规热加工工艺的101000倍。激光切割可节省材料15%30%。（8） 无公害和污染。激光束不会发生像电子束那样的X射线，而且无加工污染。应用：（1） 激光热处理。引起材料组织结构变化的冶金学过程，其加热时间在10-310-7s，功率密度为每平方毫米大于0.1KW。（2） 激光焊接。焊接过程属传导型焊接，即激光束辐照被加工表面，其接收能量通过热传导向内部扩散，通过控制激光功率或脉冲的脉宽、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件达到一定熔池深度，而表面又无明显汽化。有的焊接场合采用基于小 孔效应的深熔焊接，消除了金属高反射率以及焊接过程中形成的等离子体所造成壁障，这种壁障使得激光功率耦合不到工件表面，利用小孔效应可得到较理想的深熔焊接。一般焊接加热时间为10-210-3s，功率密度每平方毫米达1100KW。（3） 激光切割。将 聚焦光斑尺寸在0.10.5mm的激光束照射到被切割工件上，用以熔化、汽化被切材料。与此同时，要有一股同光轴的气流喷出，将熔化或汽化了的材料由切口吹出。随着激光束与被切工件的相对运动，产生切口。一般激光束使工件升温时间为10-110-3s，功率密度为每平方毫米110KW，切口很窄，有的可达0.1mm左右，无需后整形加工，速度快，易于与计算机结合作各种复杂图形的切割，替代模具冲材。（激光切割约占整个激光加工应用的70%以上）激光加工还可用于打孔、划片、调阻、雕刻、标记、毛化等，近年来在微电子工业生产中激光加工应用发展很快，目前正在开拓用激光加工微光学、微机械的零件。一般说来，激光加工关键技术有三方面：高功率激光器、多自由度（柔性）加工设备和激光加工工艺。前两方面结合为一体组成加工机（系统），相当于激光加工的“硬件”，而激光加工工艺相当于“软件”。江海河激光加工技术应用的发展及展望：激光具有方向性好、高能量和单色性好等一系列优点。原理：（1） 激光加工系指激光束作用于物体的表面而引起物体形状的改变，或物体性能的改变的加工过程。（2） 按光与物质相互作用机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工系指激光束作用于物体所引起的快速热效应的各种加工过程；激光光化学反应加工系指激光束作用于物体，借助高密度高能量光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，也称为冷加工。（3） 热加工和冷加工均可对金属材料和非金属材料进行切割、打孔、刻槽、标记等。热加工对金属材料进行焊接、表面强化、切割均极有利；冷加工则对光化学沉积、激光刻蚀、掺杂和氧化很合适。特点：激光具有亮度高、方向性强、单色性和相干性好等性能，加上激光的空间控制性和时间控制性很好，易获得超短脉冲、尺度极小的光斑，能够产生极高的能量密度和功率密度，足以融化世界上任何金属和非金属物质，特别适用于材料自动化加工，而且对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大。（1） 激光加工为无接触加工，其主要特点也就是无惯性，因此其加工速度快、无噪声。由于光束的能量和光束的移动速度都是可以调节的，因而可以实现各种复杂面型的高精度的加工目的。且加工过程中无“刀具”磨损，对工件无“切削力”。（2） 激光束不仅可聚焦，而且可以聚焦到亚微米量级，光斑内的能量密度或功率密度极高，用这样小的光斑可以进行微区加工，也可以进行选择性加工。它不仅可以进行 金属加工，还可以实现对非金属的加工，特别适合于加工高硬度、高脆性及高熔点的材料，如钻石打孔、金属切割。（3） 由于光束照射到物体表面是局部的，虽然加工部位的热量很大、温度很高，但移动速度快，对非照射的部位没有什么影响。因此，其热影响区很小。在热处理、切割、焊接过程中，加工工件基本无变形，可省去或减少后继加工量。这一特点也可以成功地用于局部热处理和显像管的焊接。（4） 激光加工不受电磁干扰。与电子束加工相比，其优越性就在于可以在大气中进行。在大工件加工中，使用激光加工比使用电子束加工要方便得多。（5） 激光束易于导向、聚焦和发散。根据加工要求，可以得到不同的光斑尺寸和功率密度。应用：激光加工技术是集光学、机械学、电子学、计算机学等为一体的高技术，是激光应用最有发展前途的领域。目前已开发出20多种激光加工技术。激光加工技术在传统制造业中的应用：（1） 激光焊接。激光焊接是把激光聚焦成很细的高能量密度光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。激光焊缝熔深大，速度快，效率高；激光焊缝窄，热影响区很小，工件变形也很小，可实现精密焊接；激光焊缝结构均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。（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，将材料快速加热至汽化温度，蒸发形成小孔洞，并使光束与材料相对移动，实现连续孔洞的窄切缝。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。（3） 激光打孔。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。（4） 激光标记。激光标记是利用高能量密度的激光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技术。通过计算机控制可实现各种文字、符号和图案大小从毫米量到微米量级的标记，激光标记速度快，所标记线条、字符图案清晰，且易于在生产线上更改标记符号（如每个工件一个编号），对工件表面无作用力，不产生形变，对表面不产生腐蚀，对软、硬表面都可标记。（5） 激光表面热处理。激光表面热处理技术包括激光相变硬化技术、激光涂覆技术、激光合金化技术激光冲击强化技术等，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。（激光相变硬化即激光淬火；激光合金化和激光涂覆是利用高 功率激光束快速扫描金属工件表面，使一种或多种合金元素与工件材料表面一起快 速熔化再凝固，共同形成硬化层。其冷却速度在1041011/s，硬化层的深度通常 小于1.5mm；激光冲击强化使用脉冲宽度极短激光照射材料表面，可以产生106MPa高强度冲击波，使得金属材料的机械性能改善，阻止裂纹的产生和扩展，提高钢、铝、钦等合金的强度和硬度，改善其抗疲劳性能。通过激光强化可以消除应力、改善微观结构，提高工件表面的耐磨性、耐蚀性、耐高温性，从而大大提高产品的质量，成倍地延长产品使用寿命和降低成本。）激光加工技术在微电子行业应用：（1） 激光光刻。准分子激光仍是今后一段时间内光刻的主要工具。激光光刻技术比传统的汞灯光刻技术工艺精细、可大幅度降低生产成本、可加工0.1251m宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。（2） 激光微调。激光微调是把激光束聚焦成很小的光点，对电阻导电膜进行切割（熔融、蒸发），改变电阻导电体的有效导电面积或有效导电长度，达到精确调整电阻单元阻值的目的。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高、成本低。激光调阻设备每秒钟可调200多个电阻。（3） 激光退火。激光退火最初是消除半导体中离子注入引起电路基体的破坏，并使注入杂质激活。（4） 激光存储。激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技术，是信息化时代的支撑技术之一。（5） 激光划线。激光划线是非接触切断，无切削粉末和冷却液污染，切口光滑，精度高。激光划线