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什么是激光加工?

  2020-10-26         Chris         7932

激光加工是激光系统最常见的应用。根据激光束与材料的相互作用机理,激光加工可分为激光热加工和光化学反应加工。

   激光加工是激光系统最常见的应用。根据激光束与材料的相互作用机理,激光加工可分为激光热加工和光化学反应加工。激光热加工是指利用激光束投射在材料表面的热效应,进行激光焊接、激光雕刻切割、表面修饰、激光打标、激光钻孔和微加工的过程。光化学反应处理是指光化学反应由高密度激光束的高能光子照射在物体上而启动或控制的处理过程。

   激光加工是利用光的能量在透镜聚焦后在聚焦处达到较高的能量密度,依靠光热效应进行加工。激光加工不需要刀具,加工速度快,表面变形小,可加工各种材料。激光用于各种材料的加工,如钻孔、切割、刮花、焊接、热处理等。一些亚稳态能级的物质在外来光子的激发下会吸收光能,使高能级原子的数量大于低能级原子的数量——粒子的数量反转。如果有一束光照射,光子的能量等于这两种能量对应的差,那么就会产生受激辐射,输出大量的光能。
 

激光切割

   激光切割技术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。激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。与传统的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性(可随意切割任意形状)、广泛的材料适应性等优点。
(1)激光熔化切割
   在激光熔化切割中,工件被局部熔化后借助气流把熔化的材料喷射出去。因为材料的转移只发生在其液态情况下,所以该过程被称作激光熔化切割。
激光光束配上高纯惰性切割气体促使熔化的材料离开割缝,而气体本身不参与切割。激光熔化切割可以得到比气化切割更高的切割速度。气化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中,激光光束只被部分吸收。最大切割速度随着激光功率的增加而增加,随着板材厚度的增加和材料熔化温度的增加而几乎反比例地减小。在激光功率一定的情况下,限制因数就是割缝处的气压和材料的热传导率。激光熔化切割对于铁制材料和钛金属可以得到无氧化切口。
(2) 激光火焰切割
   激光火焰切割与激光熔化切割的不同之处在于使用氧气作为切割气体。借助于氧气和加热后的金属之间的相互作用,产生化学反应使材料进一步加热。对于相同厚度的结构钢,采用该方法可得到的切割速率比熔化切割要高。另一方面,该方法和熔化切割相比可能切口质量更差。实际上它会生成更宽的割缝、明显的粗糙度、增加的热影响区和更差的边缘质量。激光火焰切割在加工精密模型和尖角时是不好的(有烧掉尖角的危险)。可以使用脉冲模式的激光来限制热影响。所用的激光功率决定切割速度。在激光功率一定的情况下,限制因数就是氧气的供应和材料的热传导率。
(3)激光气化切割
   在激光气化切割过程中,材料在割缝处发生气化,此情况下需要非常高的激光功率。
为了防止材料蒸气冷凝到割缝壁上,材料的厚度一定不要大大超过激光光束的直径。该加工因而只适合于应用在必须避免有熔化材料排除的情况下。该加工实际上只用于铁基合金很小的使用领域。
该加工不能用于,象木材和某些陶瓷等,那些没有熔化状态因而不太可能让材料蒸气再凝结的材料。另外,这些材料通常要达到更厚的切口。在激光气化切割中,最优光束聚焦取决于材料厚度和光束质量。激光功率和气化热对最优焦点位置只有一定的影响。所需的激光功率密度要大于108W/cm2,并且取决于材料、切割深度和光束焦点位置。在板材厚度一定的情况下,假设有足够的激光功率,最大切割速度受到气体射流速度的限制。

激光焊接

   激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一,焊接过程属热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。由于其独特的优点,已成功地应用于微、小型零件焊接中。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。能在室温或特殊的条件下进行焊接,焊接设备装置简单。

激光钻孔

   随着电子产品朝着便携式、小型化的方向发展,对电路板小型化提出了越来越高的需求,提高电路板小型化水平的关键就是越来越窄的线宽和不同层面线路之间越来越小的微型过孔和盲孔。传统的机械钻孔最小的尺寸仅为100μm ,这显然已不能满足要求,代而取之的是一种新型的激光微型过孔加工方式。用CO2激光器加工在工业上可获得过孔直径达到在30-40μm的小孔或用UV 激光加工10μm左右的小孔。在世界范围内激光在电路板微孔制作和电路板直接成型方面的研究成为激光加工应用的热点,利用激光制作微孔及电路板直接成型与其它加工方法相比其优越性更为突出,具有极大的商业价值。

激光打孔

   采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.1~1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005~1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中,常用激光切划硅片或切窄缝,速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记,并不影响流水线的速度,刻划出的字符可永久保持。

激光打孔

   采用脉冲激光器可进行打孔,脉冲宽度为0.1~1毫秒,特别适于打微孔和异形孔,孔径约为0.005~1毫米。激光打孔已广泛用于钟表和仪表的宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等工件的加工。在造船、汽车制造等工业中,常使用百瓦至万瓦级的连续CO2激光器对大工件进行切割,既能保证精确的空间曲线形状,又有较高的加工效率。对小工件的切割常用中、小功率固体激光器或CO2激光器。在微电子学中,常用激光切划硅片或切窄缝,速度快、热影响区小。用激光可对流水线上的工件刻字或打标记,并不影响流水线的速度,刻划出的字符可永久保持。

激光热处理

   用激光照射材料,选择适当的波长和控制照射时间、功率密度,可使材料表面熔化和再结晶,达到淬火或退火的目的。激光热处理的优点是可以控制热处理的深度,可以选择和控制热处理部位,工件变形小,可处理形状复杂的零件和部件,可对盲孔和深孔的内壁进行处理。例如,气缸活塞经激光热处理后可延长寿命;用激光热处理可恢复离子轰击所引起损伤的硅材料。激光加工的应用范围还在不断扩大,如用激光制造大规模集成电路,不用抗蚀剂,工序简单,并能进行0.5微米以下图案的高精度蚀刻加工,从而大大增加集成度。此外,激光蒸发、激光区域熔化和激光沉积等新工艺也在发展中。


激光应用
激光具有方向性好、亮度高、单色性好及高能量密度等特点,已广泛应用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科研等
方面。

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