激光加工技术发展的研究
激光加工技术发展的探究
摘要:激光加工是将激光束照射到工件的外表，以激光的高能量来切除、熔化质料以及转变物体外表性能。由于激光束的能量和光束的移动速率均可调治，因此激光加工可应用于任意层面和领域上。本文分别从激光加工技术的原理及其应用综合品评了激光加工较传统加工技术的良好性,说明其在制造行业中不行替换的作用.结合我国激光加工制造现状与国际的差距,对我国激光加工业发展做了良好的预测.在阐发外国研究动向的基础上，指出激光制造技术的发展趋向,将重点定位在微结构、微刻蚀、微工具以及多功效性微技术、微工程的研究与开发上。可以预测，三维微纳尺度的激光微制造技术必将成为新世纪的主流制造技术。
关键词:激光加工激光制造体系技术发展
1.前言
激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高细密丈量、物质结构阐发、信息存储及通讯等领域得到了普遍应用。激光的高单色性，可在光化学领域对一些相距很近的能级作选择引发，进行重金属的同位素疏散；激光的高偏向性和高亮度可普遍应用于加工制造业（大到航天器、飞机、汽车工业，小到微电子、信息、生物细胞疏散等微技术）。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不停改造与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已渗透到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或革新某些传统的加工行业。
2.正文
激光制造技术包括两方面的内容，一是制造激光光源的技术，二是使用激光作为工具的制造技术。前者为制造业提供性能优良、稳固可靠的激光器以及加工体系，后者使用前者进行各种加工和制造，为激光体系的不停发展提供广阔的应用空间。两者是激光制造技术中不可或缺的部分，不行偏废。激光制造技术具有许多传统制造技术所没有的优点，是一种切合可持续发展战略的绿色制造技术。比如，质料浪费少，在大规模生产中制造资本低；凭据生产流程进行编程控制（自动化），在大规模制造中生产屈从高；可靠近或到达“冷”加工状态，实现通例技术不能实验的高细密制造；对加工工具的顺应性强，且不受电磁干扰，对制造工具和生产情况的要求低；噪声低，不孕育发生任何有害的射线与剩余，生产历程对情况的污染小等等。因此，为顺应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。现在正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特性的激光，尤其是能顺应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。可以
预测，激光制造技术必将以其无可替换的优势成为21世纪迅速普及的高新技术。
2.1激光加工技术概述
激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对质料（包括金属与非金属）举行切割、焊接、外表处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，它的研究领域一般可分为:
2.1.1激光加工体系包括激光器、导光体系、加工机床、控制体系及检测体系。
2.1.2激光加工工艺包括切割、焊接、外表处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。
2.2 激光加工技术应用
激光器以切割和焊接应用最广，分别占到70％和
激光加工应用领域中，CO
2
20％，外表处理则不到10％。而YAG激光器的应用则以焊接、打标（50％）和
激光器占到了70~80％。我国激光加工中切割（15％）为主。在美国和欧洲CO
2
以切割为主的占10％，其中98％以上的CO2激光器，功率在1.5kW~2kWX围内，而以热处理为主的约占15％，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性和社会效益都很高，故有很大的市场远景。
在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、机动地加工特点。如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装配置，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度质料和庞大而弯曲的外表打小孔，速率快而不孕育发生破坏；激光焊接在汽车工业中已成为尺度工艺，日本Toyota早已将激光用于车身面板的焊接，将差异厚度和差异外表涂敷的金属板焊接在一起，然后再进行冲压。虽然激光热处理在外国不如焊接和切割广泛，但在汽车工业中仍应用普遍，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理。在工业发达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模具，而且还可以直接由金属粉末熔融，制造出金属模具。
现在，外国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。随着激光打孔的迅速发展，如今,重要表面打孔用YAG激光器的均匀输出功率已由5年前的400w前进到了800w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，激光器输出参数的前进，很大程度上改进了打孔质量，推进了打孔速率，也扩大了打孔的应用领域。国内现在比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和自然金刚石拉丝模的生产及腕表宝石轴承的生产中。
2.3激光加工技术较传统加工技术的良好性
2.3.1特种质料特别要求的加工
激光焊接与大多数传统的焊接要领相比具有突出的优势。激光能量的高度会集和加热、冷却历程的极其迅速，可破坏一些难熔金属外表的应力阈值，或使高导热系数和高熔点金属快速熔化，完成某些特种金属或合金质料的焊接，而且在激光焊接过程中无机器接触，容易保证焊接部位不因热压缩而变形，还扫除了无关物质落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光体系，还可实现特别场所下的焊接，比如，由软件控制的需断绝的远间隔在线焊接、高细密防污染的真空情况焊接等；在不孕育发生质料外表蒸发的情况下可熔化最大数目的物质，达到高质量的焊接。以上特点是传统的焊接工具很难或完全不能做到的。如今，在汽车、国防、航空航天等一些特别行业，已广泛采用激光焊接技术。比如欧洲一些国家，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼、航天器机身等一些特种质料的焊接，激光的应用已基本取代了传统的焊接工具和要领。
2.3.2特别精度的加工制造
这里指的高精度除通常意义下的准确定位外，主要表现在质料内部热传导效应量级上的控制。激光的显着特点之一，即是可接纳一连和脉冲要领输出。以固体的钻孔与切割为例，激光能量高度会集，以及加热、冷却速率快的特点可实现传统技术到达不了的广泛要求，加工属热化学历程。这里要突出的是，脉冲式激光辐射可到达靠近“冷”加工的光化学动力历程。一方面选择脉冲的时间宽度，使得质料内的热传导历程和热化学反应来不及孕育发生；另一方面控制激光的功率密度和脉冲计数，按要求到达确定的去除深度，从而实现高精度的“线”切割和“点”钻孔加工。西方一些国家在许多有特别要求的领域和产业中已广泛采用这种脉冲光制造技术。
2.3.3微细加工制造
激光微细加工技术的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域。激光微细加工为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一，现已形成固定模式并投入规模化生产。除此之外，能突显其优势的领域还有精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞构造的医疗等。选择适当波长的激光，利用各种优化工艺和迫近衍射极限的聚焦体系，得到高质量光束、高稳固性、微小尺寸焦斑的输出。使用其锋芒尖锐的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可使用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。比如，高细密光栅的刻制（细密光刻）；利用CAD/CAM软件进行仿真图案控制，实现高保真打标；使用光阱的“束缚力”，对生物细胞实验移动操作（生物光镊）。值得一提的是，高密度信息的激光纪录和微细机器零部件的光制造。无论是数字纪录还是扫描纪录，照旧图像的模仿纪录，激光纪录要领(光刻)都具有特别的优势并取得了重要突破，以数字纪录为例：①信息纪录密度高（107～108bit/cm2以上），刻录槽宽0.7μm、深0.1μm，比磁纪录密度前进两个数量级以上；②纪录、检索、读出速率快，单波道达50Mbit/s，多波道可达320Mbit/s；信息的检索和读出速率远远小于1秒；③资本低、使用寿命
长。在微细机器零部件的光制造方面，近几年外国已将其列为攻关项目，成为
未来高新技术前期研究的热门。日本采用激光技术，制造出微米量级的三维
“纳米牛”，这说明在微纳量级的三维激光微成型机制上已经取得了巨大的突破。工业大学激光工程研究院应用准分子激光，利用掩模要领，已经加工出10齿/50μm和108齿/500μm的微型齿轮。
2.3.4高效的自动流程加工制造
由于激光输出的可控制性，使激光制造过程能够利用软件实现自动化流程的智能控制。凭据生产性子的需要，既可实现加工台的定位控制亦可利用激光的光纤传输实现加工板手定位控制，从而实现高效的自动化、智能化激光制造。比如，汽车车身笼罩件的三维定位切割、车身骨构架的焊接、齿轮盘及其他零部件的焊接加工等，已形成激光加工、组装一条龙的生产线。
2.4激光加工技术现状及国内外发展趋向
2.4.1激光加工技术现状和各领域的发展
作为20世纪科学技术发展的重要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。
激光加工是国外激光应用中最大的项目，也是对传统产业革新的重要手段，主要是kW级到10kW级CO
2
激光器和百瓦到千瓦级YAG激光器实现对种种质料的切割、焊接、打孔、刻划和热处理等。据1997~1998年的最新激光市场品评和预测，1997年全世界总激光器市场贩卖额达32.2亿美元，比1996年增长14％，其中质料加工为8.29亿美元，医疗应用3亿美元，研究领域1.5亿美元。1998年总收入预计增长19％，可到达38.2亿美元。其中占第一位的质料加工预计凌驾10亿美元，医用激光器是外国第二大应用。
2.4.2激光制造体系的发展
用于制造业中的激光体系即激光制造体系，由激光器、激光传输体系、激光聚焦体系、控制体系、活动体系、传感与检测体系组成，其焦点为激光器。
激光作为热源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的效果。激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特性参数值Kf和衍射极限倍因子M2(M)或光束传输因子K值来表现。对小功率激光器，如果物质均匀稳固，通常可以实现基模输出，其光束横截面能量散布为高斯散布，且在传输过程中连结稳固，光束质量较好；对于大功率激光器，一般不易得到基模输出，输出的通常为多模激
光束，激光光束质量变差。现在工业上常用的大功率激光器有CO
2
激光器和YAG 激光器两种。大功率激光器的工业应用领域很广，激光切割、激光焊接都需要优良的光束质量，而寻求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不停发展的目的。
从1964年第一台CO
2激光器出现到如今，经过四十多年的发展，从封离式CO
2
激光器、慢速轴流CO
2激光器、横流CO
2
激光器，到高频罗兹泵型快速轴流、射
频turbo型快速轴流以至现在出现的扩散型Slab CO
2
激光器的发展中可以看到,
一方面激光输出功率不断前进，体积不断缩小，另一方面激光器的屈从不断发
激光器光束横截面上光强分布靠近高展，光束质量越来越好。扩散型Slab CO
2
斯分布，具有极好的光束质量，在加大的激光加工区焦点的漂移很小，非常有利于大领域激光传输与聚集，这对大尺寸工件的切割应用非常重要。
工业用固体YAG激光器也经历了从小功率灯泵浦（棒状）、灯泵浦（板条）、双灯泵浦（多棒）到光纤泵浦（棒状）、半导体泵浦（棒状）和片状固体激光器的历程。由于受物质热物理性的制约，YAG激光光束质量相对较差。怎样提高光束质量和激光功率，依然是YAG激光器面临的重要题目。值得注意的是近几年来发展起来的半导体激光器。半导体激光具有小型化、频率极高、与光纤良好耦合、易于调制等优良特性，因而具有辽阔的应用前景。要在差异产业中普遍应用激光制造技术，很大水平上要依赖于激光加工体系的性能与工艺。欧、美、日一些国家在新光源、加工体系及工艺等方面的研究与开发就从未降温过。随着激光工业的研究与开发、器件与单元技术的改进和创新，以高性能、宽波段、大功率为特性的激光取得了长足的发展，如紫外光输出的KrF、ArF准分子激光器、倍频激光器等。尤其是高功率光纤激光的出现，使激光制造的移动式定位加工变得越发方便。
2.5对激光加工技术预测
诺贝尔物理学奖得到者Richard Feynman早在50年代末就曾预言，制造技术将沿着从大到小的途径发展，即用大机床制造出小机床，用这种小机床又能制造出更小的机床，并由此在微小尺度领域制造出一代代的批量加工工具。科学技术的革命证实了Feynman的预言。微电子技术的出现即是最有说服力的例子，从集成到大规模集成到超大规模集成技术的迅猛发展中，已经表现出未来的制造技术必将沿着“越来越小”的方向进军。20世纪把电子技术的重要功效高度集成在一起，形成了世纪标志的高技术产业，并渗透渗出到人类活动的各个领域。21世纪则是多门学科的集成技术，即把微电子、微光学、微机器以及传感器、实验器的信号处理单元集成在一起的微纳制造和微体系技术。微纳制造技术与功效微体系将成为21世纪高新技术与产业的里程碑，其发展将使人类在认识和革新自然的本事上到达一个新的高度，导致人类生存和社会物质文明及科学技术的巨大变革。
进入90年代后，日本也开始实施为期10年、总投资为250亿日元的“微型机器技术”大型研究开发筹划。为寻求顺应微体系制造的三维结构精致微加工的技术途径，欧共体构造了德国汉诺威激光中心和法国、瑞士、意大利等国的相干科研机构，举行相助开发研究。现在在微纳制造技术上已经形成国际性竞争，已经开始新世纪高技术产业举世市场的争取战。
现在的研究结果也已经表现，激光微技术是有发展潜力的三维微制造技术，将可能成为微体系制造的主流技术之一。德国国家教研部从2002年开始，出台了为期五年的光学资助筹划，其中重要的一项内容即是激光微制造技术的研究。该筹划仅2002年的资金投入即是0.478亿欧元，后续几年的投入按比例递增。
德国接纳剖析式的单元技术研究，在光的微制造与微纳技术的硬件方面，五年研究计划的目的定位在新的激光光源和超精致聚焦体系上，到达150～0.1nm光谱领域的超紫外输出和能越过衍射极限、鉴别率小于100nm的高重复性近场透镜。
3．结论
微纳光制造及其相干技术，是当前国际竞争的重要领域，激光加工技术的发展,使传统加工技术孕育发生了新的奔腾.预测未来,激光加工技术将得到越来越普遍的应用,具有非常辽阔的市场远景,在国民经济和工业发展中发挥着日益重要的作用。我国在现代光制造发展方面，时机与挑战并存，我们要抓住时机，迎接光制造时期的到来。
参考文献:
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