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激光技術在各領域的發展前景

發布時間:2017/9/5     信息來源:http://www.mediaworksasia.com   作者:激光切割機    0

激光技術在製造業中的應用激光因具有極好的單色性、相幹性和方向準直性三大特點

特別適用於材料加工。激光加工是激光應用最有發展前途的領域,現在已開發出20多種激光加工技術。激光的空間控製性和時間控製性很好,對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大,特別適用於自動化加工。激光加工係統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備,已成為企業實行適時生產的關鍵技術,為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。

目前已成熟的激光加工技術包括:激光快速成形技術、激光焊接技術、激光打孔技術、激光切割技術、激光打標技術、激光去重平衡技術、激光蝕刻技術、激光微調技術、激光存儲技術、激光劃線技術、激光清洗技術、激光熱處理和表麵處理技術。激光快速成形技術集成了激光技術、CAD/CAM技術和材料技術的最新成果,根據零件的CAD模型,用激光束將光敏聚合材料逐層固化,精確堆積成樣件,不需要模具和刀具即可快速精確地製造形狀複雜的零件,該技術已在航空航天、電子、汽車等工業領域得到廣泛應用。

1、激光切割技術廣泛應用於金屬和非金屬材料的加工中

可大大減少加工時間,降低加工成本,提高工件質量。脈衝激光適用於金屬材料,連續激光適用於非金屬材料,後者是激光切割技術的重要應用領域。激光焊接技術具有溶池淨化效應,能純淨焊縫金屬,適用於相同和不同金屬材料間的焊接。激光焊接能量密度高,對高熔點、高反射率、高導熱率和物理特性相差很大的金屬焊接特別有利。激光焊接,用比切割金屬時功率較小的激光束,使材料熔化而不使其汽化,在冷卻後成為一塊連續的固體結構。激光打孔技術具有精度高、通用性強、效率高、成本低和綜合技術經濟效益顯著等優點,已成為現代製造領域的關鍵技術之一。在激光出現之前,隻能用硬度較大的物質在硬度較小的物質上打孔。這樣要在硬度最大的金剛石上打孔,就成了極其困難的事。激光出現後,這一類的操作既快又安全。

2、激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一

激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射,使表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應,從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標可以打出各種文字、符號和圖案等,字符大小可以從毫米到微米量級,這對產品的防偽有特殊的意義。全固體紫外波段激光打標是近年來發展起來的一項新技術,特別適用於金屬打標,可實現亞微米打標,已廣泛用於微電子工業和生物工程。激光去重平衡技術是用激光去掉高速旋轉部件上不平衡的過重部分,使慣性軸與旋轉軸重合,以達到動平衡的過程。激光去重平衡技術具有測量和去重兩大功能,可同時進行不平衡的測量和校正,效率大大提高,在陀螺製造領域有廣闊的應用前景。對於高精度轉子,激光動平衡可成倍提高平衡精度,其質量偏心值的平衡精度可達1%或千分之幾微米。

3、激光蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝

激光蝕刻技術比傳統的化學蝕刻技術工藝簡單、可大幅度降低生產成本,可加工0.15~1微米寬的線,非常適合於超大規模集成電路的製造。激光微調技術可對電阻進行自動精密微調,精度可達0.01%~0.002%,比傳統加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調包括薄膜電阻(0.01~0.6微米厚)與厚膜電阻(20~50微米厚)的微調、電容的微調和混合集成電路的微調。激光存儲技術是利用激光來記錄視頻、音頻、文字資料及計算機信息的一種技術(例如CD、DVD光盤等),是信息化時代的支撐技術之一。

激光劃線技術是生產集成電路的關鍵技術,其劃線細、精度高(線寬為15~25微米,槽深為5~200微米),加工速度快(可達200毫米/秒),成品率可達99.5%以上。激光清洗技術的采用可大大減少加工器件的微粒汙染,提高精密器件的成品率。激光熱、表麵處理技術包括:激光相變硬化技術、激光包覆技術、激光表麵合金化技術、激光退火技術、激光衝擊硬化技術、激光強化電鍍技術、激光上釉技術,這些技術對改變材料的機械性能、耐熱性和耐腐蝕性等有重要作用。

激光相變硬化(即激光淬火)是激光熱處理中研究最早、最多、進展最快、應用最廣的一種新工藝, 適用於大多數材料和不同形狀零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲勞強度,國外一些工業部門將該技術作為保證產品質量的手段。激光相變硬化技術還可用於對模具熱處理,可大大提高模具的使用壽命,降低成本、提高生產效率。此項技術對我國龐大的模具製造業技術提升意義重大。

4、激光包覆技術是在工業中獲得廣泛應用

激光包覆技術是在工業中獲得廣泛應用的激光表麵改性技術之一,具有很好的經濟性,可大大提高產品的抗腐蝕性。激光表麵合金化技術是材料表麵局部改性處理的新方法, 是未來應用用潛力最大的表麵改性技術之一,適用於航空、航天、兵器、核工業、汽車製造業中需要改善耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的零件。激光退火技術是半導體加工的一種新工藝,效果比常規熱退火好得多。

激光退火後,雜質的替位率可達到98%~99%,可使多晶矽的電阻率降到普通加熱退火的1/2~1/3,還可大大提高集成電路的集成度,使電路元件間的間隔縮小到0.5微米。激光衝擊硬化技術能改善金屬材料的機械性能,可阻止裂紋的產生和擴展,提高鋼、鋁、鈦等合金的強度和硬度,改善其抗疲勞性能。激光強化電鍍技術可提高金屬的沉積速度,比無激光照射快1000倍,對微型開關、精密儀器零件、微電子器件和大規模集電路的生產和修補具有重大意義。使用該技術可使電鍍層的牢固度比傳統電鍍法提高100~1000倍。

激光上釉技術對於材料改性很有發展前途,其成本低,容易控製和複製,有利於發展新材料。激光上釉結合火焰噴塗、等離子噴塗、離子沉積等技術,在控製組織、提高表麵耐磨、耐腐蝕性能方麵有著廣闊的應用前景。電子材料、電磁材料和其它電氣材料經激光上釉後用於測量儀表極為理想。激光在電子工業中也得到廣泛應用。可以用它來進行微型儀器的精密加工,可以對脆弱易碎的半導體材料進行精細的劃片,也可以用來調整微型電阻的阻值。隨著激光器性能的改善和新型激光器的出現,激光在超大規模集成電路方麵的應用,已經成為許多其他工藝所無法取代的關鍵性技藝,為超大規模集成電路的發展展現出令人鼓舞的前景。

5、激光加工在微電子工業中的應用

激光加工是非接觸的加工方法,高效率、無汙染、高精度、熱影響區小,因此在電子工業中,尤其是在微電子工業中得到了十分廣泛的應用。激光微調:集成電路、傳感器中的電阻是一層電阻薄膜,製造誤差達±15—20%,隻有對之進行修正才能提高那些高精度器件的成品率。激光可聚焦成很小的光斑,能量集中,加工時對鄰近的元件熱影響極小,不產生汙染,又易於用計算機控製,因此可以滿足快速微調電阻使之達到精確的預定值的目的。加工時將激光束聚焦在電阻薄膜上,將物質汽化。微調時首先對電阻進行測量,把數據傳送給計算機,計算機根據預先設計好的修調方法指令光束定位器使激光按一定路徑切割電阻,直至阻值達到設定值,誤差縮小到0.05%。其電阻的同樣可以用激光修正片狀電容的電容量,原理是把激光束聚焦在電容的電極上,使之高溫汽化而減小麵積,直至電容量減小到預定值。美國ESI公司是世界上最大的激光微調機生產廠商,已向各大集成電路生產廠提供了幾千台激光微調機。

6、多層電路板激光精細打孔

微電子電路集成度不斷提高,為了提高電路板布線密度,要使用多層電路板。因此,層間互連的微通道技術顯露出越來越高的重要性。通道的直徑一般為0.025~0.25mm,用傳統的機械鑽孔或衝孔工藝不僅價格昂貴,難以保證質量,更不可能加工盲孔。用激光不但可以加工出高質量的小孔和盲孔,而且可以加工任意形狀的孔或進行電路板外形輪廓切割。紫外波段的激光器是加工高分子聚合物材料和銅的理想工具。準分子激光器由於體積大、工作氣體有腐蝕性、維護困難,在電子工業中沒有得到廣泛應用;隨著半導體泵浦固體激光技術的飛速發展,出現了全固化的紫外波段激光器,不但體積小,而且壽命長。

美國COHERENT公司生產的紫外波段激光:AVIA355—1500型激光器,可在計算機控製下通過掃描振鏡係統對電路板進行鑽孔、刻線或切割等精細加工;在50μ厚的聚酰亞胺薄膜上打直徑30μ的孔,每秒可以打約250個孔。


7、激光技術在汽車工業的應用

安全性、舒適性、節能和環保一直作為世界汽車工業發展的主題,激光技術作為現代汽車生產中的主要加工方法之一,其發展也主要是圍繞著這一主題並結合本專業的自身特點進行的。汽車工業是激光加工應用最多的領域之一。據有關資料統計,在歐美工業發達國家中,有50%~70%的零部件都是采用激光加工來完成的。尤其是近年來發展很快,1998年全世界約有3000多台激光加工機用於汽車工業,而且每年還有數以百計的激光加工機投入使用。應用於汽車工業的檢測、快速成形的小功率激光器目前也有數千台。

在汽車工業中,激光加工通常以切割為主。激光束切割一般采用大功率射頻CO2激光器(近年來有被德國IPG大功率光纖激光器替代的趨勢),為了提高切割速度和切割質量,在激光切割機的光束出口處一般都裝有噴嘴,以便在切割過程中同時吹氣體。在切割金屬工件往往噴吹氧氣或壓縮空氣,以提高切割效率;而在切割易燃材料時則噴吹氮氣等惰性氣體以防止燃燒。激光切割的切徑寬度一般小於0.5mm(IPG的大功率光纖激光器可達到0.05mm)。它和工件的材料及厚度、激光束的功率、焦距及焦點位置、激光束的直徑、噴吹氣體的壓力及流量等各種因素有關。在汽車樣車和小批量生產中大量使用三維激光束切割機,對普通鋁、不鏽鋼等薄板、帶材的切割加工,應用激光高速切割速度已達10M/min,不僅大幅度縮短了生產準備周期,並且使車間生產實現了柔性化,加工麵積減小了一半。由於它的加工效率高,比機械加工方式的加工費用減少了50%。如果每日開兩班。折舊期可在2年左右完成。激光焊接在汽車工業中已成為標準工藝。

激光用於車身麵板的焊接可將不同厚度和具有不同表麵塗鍍層的金屬板焊在一起,然後再進行衝壓,這樣製成的麵板結構能達到最合理的金屬組合。采用激光焊接的速度約為4.5M/min,而且很少變形,省去了二次加工。激光焊接加速了用衝壓零件代替鍛造零件的進程。采用激光焊接可以減少搭接寬度和一些加強部件,還可以壓縮車身結構件本身的體積。僅此一項車身的重量可減少56kg。激光焊接用於車頂外殼與框架焊接,傳動轉換器蓋板的焊接,由CNC控製,其循環時間約為16秒,實際焊接時間僅為3秒,一天可連續運行24小時。

近幾年來德國IPG公司在先進激光器製造領域異軍突起,推出了商品化大功率光纖激光器係統,與傳統CO2激光器及Nd:YAG激光器相比有諸多優點:1.免維護運行時間大大延長,大於50,000小時;(傳統激光係統約500~5000小時)2.體積/重量為傳統激光器的1/5~1/10;3.電力消耗為為傳統激光器的1/10~1/20;4.運行費用及維護費用為傳統激光係統的1/10~1/100;5.輸出光束質量超過傳統激光器幾十倍(此意義十分重大,意味著可用較小輸出功率的激光束作加工,其效果還要優於需要功率很大的傳統激光係統,大大節約能耗, 降低成本。隨著德國IPG公司大功率光纖激光器的商品化推出,金屬表麵處理工藝得到了很大的進展。其中應用較廣的有激光塗層、激光合金化、激光拋光、激光衝擊硬化等工藝技術。激光表麵處理在汽車的發動機閥座、車頂外殼與框架等零部件的製造中得到了廣泛的應用。

8、在汽車零部件的生產中

如缸套、曲軸、活塞環和齒輪等的熱處理,在經激光熱處理後,不必再進行後處理,可直接送到裝配線上安裝。激光加工計算機數控與柔性製造技術相結合,在汽車模具的製造中,得到了廣泛的應用。激光切割、激光表麵處理、激光熱處理等工藝技術,使原來製作模具周期從28周縮短為4~6周,滿足了汽車快速改型的需要。激光測量在汽車工業中成為技術測量的主力,它可以將零部件與模型比較,對經過修理或修改的零部件與原始模型進行比較,或在零部件的設計改變後迅速修改刀具或模具。在汽車零部件生產中,激光測量可以快速和非常精確地檢驗每一個成品零部件的尺寸是否與設計尺寸完全一致。而且,激光測量儀能夠最迅速地將一個零部件或物理模型轉變為數字化文件,這種文件可以用各種方法處理並同其他文件進行比較。

激光三維快速成型技術是二十世紀90年代初,在計算機、激光、高分子材料、CAD/CAM、精密機械等新技術迅速發展下應運而生的,並在汽車工業中很快得到應用,它突破了製造業的傳統模式,成為當前最具吸引力的技術。激光快速成型係統可采用射頻CO2激光器或光纖激光器,利用計算機將複雜的三維物體轉化為二維層,然後利用“積分”的思想,將熱塑性塑料粉末燒結或直接熔化凝結精細金屬粉末,由點、線構造零件的麵(層),然後逐層成型。激光快速成型技術可使新產品及早投放市場,極大地提高了汽車生產企業對市場的應用能力和產品的競爭能力。

9、激光技術在農業的應用

<1>、處理種子:在激光作用下的種子,能把適宜的光子攝入其細胞,增強細胞的生物能力,促進種子的發育,提高光合效應,縮短成熟期,並能增強作物的抗病能力。
<2>、育種:激光能誘發生物遺傳結構改變,甚至發生突變,從而培育出優良的新品種,這種科學方法稱為激光育種。農業育種學家根據綠色植物的葉片經過一定波長激光照射後,會發出一種非常微弱的熒光的特點,采用靈敏的儀器將此熒光的光量測出並記錄下來,再對照不同品種植株苗的熒光亮度與產量的關係,發現同一品種農作物的熒光越強,產量就越高。
<3>、除草:美國一家農業研究所的科研人員研製成功一種新型的激光除草劑,其主要成分是按基乙酰丙酸。這種除草劑完全是通過照射光發揮作用的,效力大,用量小,不損害農作物,對人畜無害,使用非常方便。於黃昏前噴射施用,被雜草吸收後,在激光照射的作用下,便產生有害物質,破壞雜草的細胞膜,最後流出汁液,在4小時之內雜草就變白而枯死。
<4>、滅蟲:國外科學家研究結果表明,采用激光照射蚊蟲類和蟎類害蟲,能將它們全部殺死。如果采用高能激光照射農作物的害蟲,輕者絕育,重者死亡。對環境沒有汙染。
<5>、檢測農作物病因:美國農業科學家研究表現,當激光照射到健康的農作物上時,就能被利用吸收進行光合作用。如果激光照射到生長不良或有病蟲害的作物上時,光能不會完全被光合作用所利用,其中有一部分會分散成不同波長的冷光被反射回來。通過分析這些光的性質,就可以檢測出農作物的病害,確診病因,對症下藥。
<6>、選擇家畜精子性別:美國農業研究中心研究成功一種激光選擇家畜精子性別係統。這種係統是根據X精子染色體中的DNA比Y精子染色體中含量多,在激光照射時,X精子染色體比較明亮,由電腦記錄其熒光高密度,然後在電聲作用下分離開X精子和Y精子,於是選用X精子與卵子受精便生產雌畜,選用Y精子與卵子受精便生產雄畜,目前美國已在牛、羊、豬等家畜中進行試驗。
<7>、剪羊毛:澳大利亞的養羊業非常發達,但用傳統的剪刀剪羊毛費時費力,效率低。科技人員研製成功一種激光裝置,利用該裝置的光束代替傳統的剪刀,把羊毛連根剪斷,整張毛被剝下來,提高工效10倍.
<8>、改良水果品種:沙田柚是盛譽海內外的名果,果肉柔嫩,味甜有蜜味。主要缺點是果內的籽太多,一個果平均有籽140-150粒。現在用激光改造了柚子樹性能,結的柚子裏麵含的籽很少,而且有4%的果內一粒籽都沒有。果子的肉更甜,含可溶性固性物高達12-14%,比通常的果子含量高2%左右,產量也提高了。以往一朵花隻結一個果,結兩個果的就很少了,現在一般結三個果,還出現一朵花結40個果的事。平均每棵樹可以收400個果,而以前隻有150-200個。還有一種叫“沙子早生”的桃子樹,它結的桃子肉厚、嫩、甜,是製造桃子水果罐頭的好原料。我國引種了好幾年,但結果率很低。果樹栽培專家說,這是因為它患有“不孕症”。現在采用激光照射處理的辦法,終於治好了它的“不孕症”,結果率達85%以上,產量比原先提高4倍以上,而且果子的品質也獲得提高,含糖量高達14.5%,恢複疲勞素(天冬氨酸)的含量提高35%左右。

10、激光技術應用的其他領域

<1>、激光醫學:激光外科手術:激光心肌血運重建術治療心血管疾病;激光PDT法治療惡性腫瘤;激光美容(去紋身、去胎記、去色素斑/老人斑、去皺紋、脫毛等);激光無痛采血儀;水激光(Er:YAG)取代牙鑽治療口腔科疾病。
<2>、食品飲料與藥品:激光共聚焦掃描顯微鏡多光子瑩光法快速檢測食品、飲料及酒類樣品中有毒有害成份含量。
<3>、能源科學:石油抽油管內壁激光表麵硬化處理;激光分離鈾同位素;激光引發核聚變點火係統。
<4>、國防科技:激光測距;激光雷達;激光引信;激光製導;激光非永久性致盲;深海激光探測潛艇;激光模擬武器訓練。
<5>、環境保護:空氣/水質/生物化學汙染物的激光預警監測。
<6>、新聞出版:CTP技術在報紙/書刊彩色膠印製版業的應用。
<7>、包裝材料:激光切割木製刀模版;激光雕刻紙箱印字橡膠移印版;激光雕刻紡織品印染圓網/塑料薄膜彩色印輥。
<8>、冶金工業:冷軋鋼輥表麵激光毛化技術(製造優質汽車鋼板);a)激光輻射燒結粉末冶金製品;金屬材料激光非晶化技術。
<9>、信息產業:激光化學氣相沉積(LCVD)法製造石英光纖技術.
<10>、材料科學:激光加熱蒸發法/氣相反應法製備納米超細粉技術。

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