先进制造技术论文

先进制造技术研究进展激光加工技术摘要：本文首先介绍了激光加工技术的背景以及特点，然后对激光加工技术在国内外的应用发展状况，以及激光加工技术的发展趋势进行了简要介绍，最后展望了近期的激光发展方向。关键词：激光加工激光技术发展趋势前沿课题AdvancedManufacturingTechnologyResearchLaserprocessingtechnologyAbstract:Thispaperdescribesthebackgroundoflaserprocessingtechnologyandfeatures,thenthelaserprocessingtechnologyforapplicationdevelopmentathomeandabroad,aswellasthedevelopmenttrendoflaserprocessingtechnologywithabriefintroduction,andfinallytherecentprospectoflaserdevelopment.Keywords:laserprocessingtopicsattheforefrontoflasertechnologytrends引言20世纪20年代爱因斯坦提出的光受激辐射的概念预见了激光的产生,40年后的1960年美国科学家梅曼率先研制成功的第一台红宝石激光器标志着激光的正式诞生,随后,激光技术迅猛发展。继固体激光器后,气体激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器离子激光器、半导体激光器、X射线激光器和光纤激光器相继问世，应用领域也扩展到诸如电子、轻工、包装、礼品、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制造、钢铁、冶金、石油等，为传统工业的技术改造和制造业的现代化提供先进的技术装备。激光与普通光相比有4个特性即:单色性（单一波长）、相干性、方向性和高光强。激光束易于传输，其时间特性和空间特性可以分别控制，经聚焦后可得到极小的光斑，具有极高功率密度的激光光束可以熔化、气化任何材料，也可对材料的局部区域进行精密快速加工。加工过程中输入工件的热量小，热影响区和热变形小;加工效率高;易于实现自动化。激光技术是一门综合性高新技术，涉及光学、机械学、电子学等学科。同样，激光加工设备也涉及到众多学科，因而决定了它的高科技性和高收益率。纵观国际和国内激光应用情况经过多年的研究开发和完善，当代的激光器和激光加工技术与设备已相当成熟，形成了系列激光加工工艺。一、激光加工技术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，例如，塑料，陶瓷，玻璃，金属，半导体材料，复合材料等等，以及生物/医用材料，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．激光加工具有很多优点，如下所述．激光加工属无接触加工：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．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．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.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．激光加工具有优越的加工性能，使得激光加工技术得到了广泛的应用，并产生了巨大的经济效益和社会效益．目前已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光刻蚀技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术等。二、常用的激光加工技术2．1激光快速成型技术激光快速成型技术是上世纪80年代发展起来的一门高新技术，它是利用激光技术、CAX技术、自动控制技术和新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一门多学科综合技术．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.激光快速成型技术中LOM工艺，是利用CAD模型设计功能和CAM加工制造功能，不需要工程图纸，将设计模型数据直接切片生成加工代码，快速制造出设计模型样件或样机．在新产品开发设计阶段，采用激光快速成型技术可有效缩短设计周期．如河北工业大学快速成型中心，对某型号汽车除霜管设计制造在一两天中即可完成，并取得了良好的效果．目前，激光快速成型技术广泛应用于航空航天、汽车、玩具制造等行业．2.2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.国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊，已有很高的水平.另外，用激光焊接印刷电路的引出线，不需要使用焊剂，并可减少热冲击，对电路管芯无影响．日本

自90年代以来，在电子行业的精密焊接方面已实现了从点焊向激光焊接的转变．目前，激光焊接主要应用在汽车行业，如汽车车身的焊接（美国福特汽车公司，日本本田、尼桑汽车公司等），底板焊接（西德大众），发动机悬架焊接（奥迪轿车）等等．2.3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，已成为现代制造领域的关键技术之一．激光打孔在微细孔加工中的应用，解决了一些传统机械加工不能解决的难题，为微孔加工提供了先进的加工手段．在上世纪90年代，激光打孔技术就朝着多样化、高速度、高精度、直径更微小的方向发展．例如在飞机机翼上打5万个直径为0.064mm的小孔，可以大大减小气流对飞机的阻力，取得节油40%的良好效果．我2国.从4上激世纪光6切0年割代技开始术在钟表行业中使用激光加工技术，对宝石轴承进行激光打孔自从1967年Sullivan和Houldcroft首先提出并实现用吹氧气法进行金属激光切割以来，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．目前，激光切割主要应用在航空航天工业和汽车制造业中，如飞机框架、尾翼壁板、飞机主旋2.52.5汽激车车光架打等切标割技．术激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一．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．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，目前，广泛用于微电子工业、生物工程、食品包装和2防.伪6鉴激别等光领刻域．蚀技术自从首次报道准分子激光能获得快速、高分辨光刻以来，人们在八十年代即对准分子激光光刻进行了大量研究.尽管电子束、X射线、离子束具有更短的波长，在提高分辨率方面有更多好处，但曝光源、掩模、抗蚀剂、成像光学系统方面存在极大的困难．而相反，准分子光刻有着明显的经济性和现实性，它将光学光刻扩展至DUV和VUV，其高功率大大缩短了基片曝光时间，分辨率易获得亚微米线宽，掩模和抗蚀剂问题易解决.1992年美国IBM公司将准分子光刻机用于生产线上，商品化的XL-1型193nm光刻机能获得0.25m线宽光刻胶图形•最近的相移掩模技术，将准分子光刻分辨率提高到0.13m以下•另一方面，准分子激光直刻有机和无机物材料方面有着独到之处，单脉冲去除深度在0.05~0.1m之间，这使得通过简单的脉冲计数即可获得高精密切削．将准分子光刻装备进行适合于材料加工的改进，如使掩模及整个光学系统能承受更大激光峰值功率密度，采用高倍率投影物镜，设计实时残渣去除系统等，则非常适于新近迅速发展起来的微结构、微机械的加工技术．目前，英国Exitech公司，德国Microlas公司，日本浜松光子公司先后推出了商品化微结构加工2用.准7分激子激光光微微加调工技装备术．激光刻蚀技术主要应用在高集成度电路的制作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．过去对厚膜电阻采用机械磨蚀法，对薄膜电阻采用电火花烧蚀法，但这种调整法的精度、效率都很低，对工件产生严重污染，引起调阻后阻值漂移，改用激光微调则有很大的优越性．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2.8激光存储技术光存储是最早预见的激光应用领域之一，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.目前，计算机所用的可写CD-ROM就是一种激光信息存储和信息再现的介质．随着信息技术的发展，对信息存储的要求越来越高，数字视频光盘（DVD）是下一代光存储器，其存储能力是CD-ROM的7倍.因数据存储密度2与.激9光激波长光的划平方线成技反比术，所以，发展波长更短的激光是提高激光存储技术的关键．与传统划片法相比，激光划片有很多优点．例如，它能开出狭窄的切口、几乎没有残渣、热影响区小、噪声小，并可以节省材料15%~30%．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．瑞士某公司利用固体激光器进行精密加工，其尺寸精度已经达到很高的水平．激光划片制作印刷电路板PCB中表面安装用模板（SMTStrncil）与传统的SMT模板化学刻蚀法相比，其划线细、精度高（线宽为15~25m槽深为5~200m），加工速度快（可达200mm/s），成品率可达99.5%以上．化学刻蚀法其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚，且工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境．采用激光加工，不仅可以克服这些缺点，而且能够对成品模板进行再加工，特别是加工精度及缝隙密度明显优于后者，制作费也由早期的远高于化学刻蚀到现在的略低于前者．但由于用于激光加工的整套设备技术含量高，售价亦很高，2目.前1仅0美激国光、日清本洗、德技国术等少数国家的几家公司能够生产整机激光清洗技术是工业生产等许多领域中的重要环节，传统的清洗方法包括机械清洗法、化学清洗法和超声波清洗法．他们在环境保护和高精度要求方面的应用受到很大的限制．激光清洗技术是近10多年来发展起来的新型清洗技术，它以自身的特点和优点得到了很好的应用，展示了广阔的应用发展前景．集成电路硅基片的加工和光刻技术、微组装技术等关键技术要求相当严格，光刻技术现在已达到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严格，即使采用传统清洗法中精度最高的超声波清洗法进行清洗，也无法清除掉微电子产品中的次微米（0.5m以下）微小颗粒，影响高精度电子工业的发展•激光清洗技术的使用有效地解决了集成电路的清洗．2.11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．通过控制激光功率、功率密度分布、激光作用时间等参数，改变金属热循环形式，从而可以完成材料表层的淬火或退火等工艺.我国从上世纪70年代研制成功千瓦级C02激光器之后，激光热处理的工业应用也取得了重要的成就．激光热处理主要应用于汽车工业（如美国通用汽车缸套热处理生产线）和精密机械微小零部件的热处理．目前，激光热处理技术由于成本2高.、1控2制表复面杂，处还理处于技实术验室技术层面，还没有大范围、大面积的工业化应用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（LTH）、激光表面熔化（LSM）、激光表面合金化（LSA）、激光表面涂覆（LSC）以及激光表面冲击硬化（LSH）.激光表面相变硬化是用高能量激光束照射材料表面，使表面温度达到相变温度点以上，当激光束移开后，由于基体的传热使表面快速冷却（自淬火），从而使材料表面硬化的一项技术；激光表面熔化可使材料表面得到细晶组织、非晶态和亚稳相，在满足材料表面某些方面需要，如耐磨性、耐蚀性、防止氧化等方面显示出独特的优点；激光表面合金化是利用激光照射使材料表面熔化并提供给表面（预覆或喷射）的合金元素的物质熔化、混合均匀，以便在材料表面形成一个理想的合金层，从而改善材料表面性质的工艺；激光表面涂覆和激光表面合金化技术相似，激光表面涂覆经常用来提高材料的耐磨性、耐蚀性和耐高温性能；激光表面冲击硬化是利用激光脉冲使材料表面薄层（几个原子厚）快速蒸发，在表面原子移走的时候，发生动量脉冲并产生一个冲击波或应力波，对材料表面产生残余压应力，从而达到改善材料三疲劳、寿命激的光目的加．工技术的发展趋势数控化和综合化：把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势．小型化和集成化：可进行几种工艺研制和生产加工的激光加工系统，已成为激光加工的另一发展趋势．国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、四、激光加工技术的发展展望激光加工技术具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、便于实行数控、可进行特殊加工等优点,随着该技术的不断进步与完善,人们将能对工艺的自动化和工作效率提出更高的要求。在理论研究的支持和实际需要的配合下,激光技术在工业领域的应用将更为广泛,这也使激光技术有了更加丰富的研究内容和更加广阔的应用前景。以下几个方面将是近期激光技术发展的关键和前沿课题:（1）研制大功率、高寿命和小型化的激光装置。该研究主要包括制备适用于大功率激光的光学器件材料,提高电源的稳定性和使用寿命,实现大功率激光装置的小型化。（2）建立简洁且适合于现场控制的数学分析模型,缩短确定最佳工艺参数的时间。（3）从凝固动力学、结晶学和相变理论出发,系统研究激光快速凝固行为,揭示材料微结构的形成、演化机理及其规律,如探讨凝固过程中溶质的非平衡规律及界面的稳定性,五丰富、和发结展束快速语凝固理论、相变理论和界面理论激光加工技术作为一种先进的加工工艺,已在众多领域得到广泛应用,随着激光加工技术、设备、工艺研究的不断深入,将有更广阔的应用前景。但常规激光加工技术是利用高温使材料熔化或气化而达到加工目的，从而导致加工区受热变形和微裂纹的影响，因而我们将来也应该重视非常规激光加工技术方面的研究。参考文献袁根福•激光加工技术的应用与发展现状[N].安徽建筑工业学院学报（自然科学版）.2004第12卷第1期.李承厚.国内外激光机工技术概况[J].电子工艺技术，1992年第四期:29-32徐庆仁•激光加工技术的地位、现状和发展趋势（上）[J].中国学术期刊，1996年第9期:22-24宋威廉.激光加工技术的发展[J].激光与红外,2006年9月增刊:755-758邱星武.激光机工技术在材料加工领域的发展及应用[J].稀有金属与硬质合金,2010年3月，第38卷1期:60-63王扬，李春奇，杨立军，张宏志，吴雪峰，蔡娜，李灵.非常规激光加工技术的研究[J].红外与激光工程，2011年3月，第40卷第3期:448-454李福欣，李青，贺晓东•激光加工技术的应用[J].农业装备与车辆工程，2008年第期:46-48林树忠，孙会来.激光加工技术的应用及发展[N].河北工业大学学报.2004年4月，第33卷第2期.金冈优，付长德•最新的激光加工技术[J].电器制造，2007年第3期:40-44左铁钏•现代激光制造