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深圳市茂和興精密機械有限公司
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激光精密加工的應用現狀

加入日期:2012-03-14    錄入: 茂和興   查看:3936   復制鏈接

丁香六月    激光精密打孔隨著技術的進步,傳統的打孔方法在許多場合已不能滿足需求。例如在堅硬的碳化鎢合金上加工直徑為幾十微米的小孔;在硬而脆的紅、藍寶石上加工幾百微米直徑的深孔等,用常規的機械加工方法無法實現。而激光束的瞬時功率密度高達108W/cm2,可在短時間內將材料加熱到熔點或沸點,在上述材料上實現打孔。與電子束、電解、電火花、和機械打孔相比,激光打孔質量好、重復精度高、通用性強、效率高、成本低及綜合技術經濟效益顯著。國外在激光精密打孔已經達到很高的水平。瑞士某公司利用固體激光器給飛機渦輪葉片進行打孔,可以加工直徑從20um到80um的微孔,并且其直徑與深度之比可達1:80。激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等,這是普通機械加工無法做到的。

丁香六月  激光精密切割與傳統切割法相比,激光精密切割有很多優點。例如,它能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘渣、熱影響區小、切割噪聲小,并可以節省材料15% ~30%。由于激光對被切割材料幾乎不產生機械沖力和壓力,故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導體等既硬又脆的材料,加上激光光斑小、切縫窄,所以特別適宜于對細小部件作各種精密切割。瑞士某公司利用固體激光器進行精密切割,其尺寸精度已經達到很高的水平。

  激光精密切割的一個典型應用就是切割印刷電路板PCB(PrintdCircuitsBoards)中表面安裝用模板(SMTstencil)。傳統的 SMT模板加工方法是化學刻蝕法,其致命的缺點就是加工的極限尺寸不得小于板厚,并且化學刻蝕法工序繁雜、加工周期長、腐蝕介質污染環境。采用激光加工,不僅可以克服這些缺點,而且能夠對成品模板進行再加工,特別是加工精度及縫隙密度明顯優于前者(見圖6),制作費也由早期的遠高于化學刻蝕到現在的略低于前者。但由于用于激光加工的整套設備技術含量高,售價亦很高,目前僅美國、日本、德國等少數國家的幾家公司能夠生產整機。
 
    一、常規激光加工技術的發展與應用

    隨著加工技術的創新和進步,目前常規激光加工的技術,如鉆孔、切斷、表面改性等,都有不同程度的進展。

    (一)鉆孔
    早期激光鉆孔采用定點沖擊法:即在一個位置上用脈沖激光束不停地加工,直至孔通。這種加工方法,使加工的孔深和孔徑均受到限制。

    高重復頻率YAG激光器進入實用階段后,出現了旋切鉆孔法(Trepanning),即用專用光學旋轉頭或數控自動生成圓軌跡進行激光套料加工。這不僅消除了孔徑限制,且由于有輔助吹氣,加工區呈半敞開式,熔融物易排出,故孔表面質量好。

    對于分布有大量相同規格小孔的零件,特別是回轉體,當前又發展了飛行打孔法(Drilling on the fly),即激光對一個孔位加工一個脈沖后,不管孔是否打通,工件都利用光脈沖間隙快速運動(移動或轉動)到下一個孔位,如此進行多次循環對同一位置多次沖擊,直至完成所有孔的加工。其優點是激光脈沖間隙的時間被用作零件孔的位移,可大大提高加工速度。鉆孔速度目前為每秒數10孔,預計可達每秒500孔 (亞毫米孔徑)。技術的關鍵在于激光到達,工件必需運動到位,這對非均布孔來說有很大難度。用CNC閉環控制系統控制,當孔加工速率更高時,為保證圓的孔形,在激光作用時間內,激光束必須與零件同步運動。激光飛行打孔在航空零件加工中已得到了應用,環形燃燒室的冷卻孔加工是典型的應用實例。此外,高速飛機的機翼和發動機進氣道的前沿,氣流極易與翼表面分離,形成紊流增大而氣動力損失,為此,設計了有吸氣功能的層流翼(短艙)套,其表面是由1mm厚的鈦合金板制成,上面分布了1200萬至10億個錐孔,外表面孔徑0.06mm,內表面孔徑為0.1mm,孔間距為0.3~1mm,層流翼套的小孔也是用飛行打孔法完成的。

    對于微米量級孔徑的篩孔,用準分子激光或調Q的YAG激光快速掃描加工(每秒可加工數千孔)可得到滿意的結果。

   (二)切割
    激光切割近期仍以CO 2 激光為主,隨著器件功率的加大,切割深度和速度都有大幅度提高。為提高加工質量,采用高壓吹氣(壓力達1.6~2.0MPa),用 3.4kW的功率的CO 2 激光可切割5~6mm厚度的鋁板,切口光滑,正、背面不留熔渣。值得提出的是采用兩束激光復合切割材料,能取得更低的能耗。圖1是兩種激光復合切割的實驗裝置示意圖。試驗表明,用CO(270W)激光與KrF (30W)激光復合切割,比單用一束CO(300W)激光切割碳鋼可提高速度30%,切割厚度可增加40%以上。

 

    (三)焊接
丁香六月     激光焊接在儀器儀表業中早有應用,近期研究方向主要集中在航空航天工業中的高溫合金、鈦合金和鋁、鎂等難焊接合金的加工;汽車工業中的大厚度、變厚度鋼材的深穿透焊接方面。

丁香六月    大型客機發動機短艙的吊掛采用2.5kW CO 2 激光焊接技術;發動機的壓縮機靜子是由激光切割葉型孔后再用激光將葉片和外環焊在一起構成,用2kW連續輸出的YAG激光設備加工,焊接速度達7m/min。

   在汽車行業中,激光焊接所占比例已逐年上升,從車身面板同樣材料的焊接發展到不同厚度和不同表面涂層的金屬板件的焊接。法國SCIAKY公司建立了一個 6kW的 CO 2 激光加工站,用分光鏡將激光束分到12個工位同時進行點焊,5秒鐘可焊一件,不僅節省了6~12個電阻點焊機器人,而且因減少搭接寬度使汽車重量減輕 56kg。

    激光焊接技術研究的前沿,一是大功率或超大功率焊接時,對出現的等離子體的控制,采用側向吹氣壓縮法,將等離子云壓在熔池形成的縫中來改善等離子云的屏蔽行為。另一個動向是采用模糊邏輯的方法,對焊接過程進行智能控制,這對變厚度變參量的焊接過程具有重要意義。

二、激光領域加工方法的新進展

    (一)激光快速成型
丁香六月     激光快速成型技術是激光技術與計算機技術相結合的一項高新制造技術,主要功能是將三維數據快速轉化成實體,具有很大效益。其基本原理是先在計算機中生成產品的CAD三維實體模型,再將它“切成”規定厚度的片層數據(變換成一系列二維圖形數據),用激光切割或燒結辦法將材料進行選區逐層疊加,最終形成實體模型。成型原理如圖2所示。

 

丁香六月    逐層疊加有以下幾種方法:

    1.液相樹脂固化法(SL)。材質是光敏樹脂,紫外波段激光作平面選區掃描照射,使樹脂按指定區域固化(懸空部分需設支撐)。機床作下沉運動,使已成型部分浸沒于液面之下。這種方法的優點是零件表面光滑,變形小;缺點是強度低,樹脂價高且保存期短。

    2. 選區燒結法(SLS)。材質有石蠟、塑料、尼龍、陶瓷、包覆金屬和裸金屬等,均為粉末狀態。用50~100W的CO 2 激光器作燒結工具,激光束作二維選區掃描,使粉末“燒結”成型。機床須具備送粉、鋪粉、刮平及預熱等功能。這種方法價格便宜,精度較高(±0.1mm),可直接代替木模制砂型。金屬零件的快速制造,金屬粉末燒結的關鍵是防氧化和熱傳導,一種方法是在金屬粉末外涂覆粘合劑,用激光選區照射,粘合劑熱溶粘接成型后,將零件由粉末中取出,再往縫隙中灌注金屬最后制成零件。另一種新研究的方法是用無涂覆的金屬粉末直接燒結制造零件,如用銅、鎳或鋁粉,顆粒度在 22.5~90μ m間用600W的YAG激光燒結。采用這種方法加工的零件材質會出現空隙,為改善空隙,也有采用選區激光直接噴涂疊加成型,原材料為粉狀 Inconel625,用3kW射頻激勵的CO 2 激光作光源。

    3.疊層粘接法(LOM)。材質是紙,經背面涂粘接劑等處理。選用25~50W的 CO 2 激光平面切割機構,機床完成紙帶的送進鋪平及滾壓(粘接)等功能。成型零件尺寸較大,強度較高,但精度較低,腔形零件腔內排廢紙難,零件抗潮性差。為此,采用后置表面涂覆環氧加鋁粉處理,可大大提高紙質的耐溫、耐潮濕變形和強度等性能。

    快速成型零件還有幾種不用激光作工具的方法,如三維打印(FDM)法,固基光敏液相掩模造模造型(SGC)法以及電弧或噴涂添加法等。

丁香六月    上述諸多快速成型法為零件由設計到生產提供了經濟、準確、快速的工藝路線。

    (二)激光成形與校形
    激光成型和校形是通過激光對材料局部加熱產生的熱應力,使板材零件發生形變的加工方法。根據對局部的均勻和不均勻的加熱和冷卻方式,可加工不同形狀的零件(如圖3所示)。

 

    該加工方法十分經濟,通過選擇不同的激光參數,如波長、作用時間、功率等可加工所有材料,適合于許多領域,特別是微電子工業。

    (三)微細加工

 

    在電子、儀表、航空航天工業中,激光加工可以高效率高質量地完成微細小孔、劃片微調、切割、焊接以及標記等加工,其中尤以準分子激光的應用最為廣泛。由于材料對紫外波吸收率高,準分子激光脈寬窄,因而有極高的功率密度。準分子激光除作常規的鉆、切、劃加工外,還可用掩模法直接在工件上生成圖案。激光輻照的地方,材料被光化學的消融作用而除去,無論鉆孔、切割或刻劃,都是直壁尖角,沒有熱影響區。加工尺寸小,可達亞微米量級,精度取決于掩模,效率取決于激光的功率。掩模法又有工件表面直接掩模和掩模投影兩種,如圖4所示。近期在微細加工領域開發激光清洗和激光作為夾持工具(鑷子)的研究。激光清洗是指去除超凈超光滑表面污染微粒,其原理是激光能量被微粒或表面或人為的清洗介質(如水)吸收后產生爆炸性汽化時,把微粒從表面上除去。該法可有效地用于半導體器件、激光陀螺的研制中。激光鑷子主要用于有機材料的 微粒搬運和固定,其原理是微米量級的有機微粒在激光的束腰處,要受一對極子力(當微粒1μ m時)或折射力(當微粒>1μ m時)的作用,這些力都是把微粒拉向激光的束腰(光最強處)中心處,因此,可借移動或固定激光束來夾持微粒。

 

(四)納米材料的制備

丁香六月    納米材料被稱為21世紀新材料的基礎,所謂納米材料是指材料的顆粒直徑在1~100nm之間的材料。當材料顆粒達到這個量值時,由于表面效應、小尺寸效應和量子效應,導致材料特性發生變化,如反射率和熔點下降,硬度增高等。應用激光技術可制備納米材料。準分子激光對材料有很強的消融作用,如鋁材在強激光照射下,表面出現等離子體云,注入氧氣或氮氣,便可生成Al 203或AlN的微粒,直徑在3~7nm范圍,每小時可產生十余毫克。

    (五)激光復合加工
    不同的激光復合或激光和其它能源共同對材料的復合加工,目前大多用于材料表面改性處理。日本新制鐵公司用CO[_2]激光束和離子束,利用物理氣相沉積技術 (LPVD)制備超硬薄膜。圖5是該裝置的示意圖。用LPVD先制得非晶態氮化硼,再用0.5~2.0kV輻照氮離子,則可生成超硬的立方氮化硼薄膜。兩種激光復合加工也可取得特殊效果,如CO+KrF激光切割。可提高工效30%以上,用CO 2 激光切割木制商標模或雕刻木質、塑料等非金屬裝飾品,切口變黑。據日本刊物報道稱,用準分子激光后續處理,還會恢復材料本色。同樣,如用準分子激光或其他調整Q激光作精修工具,可大大提高激光加工的價值,因此激光復合加工是很有發展前途的加工方法。

 

    三、新型工業激光器
    工業激光器主要是指用于加工的激光器,它的發展是激光加工技術發展的前提條件。90年代前,CO 2 激光器和YAG激光器占工業激光器的96%以上,進入90年代,這兩類激光器的發展主要表現在功率和光束質量的提高兩個方面。CO 2 激光器的功率整整提高了一個量級,但是,真正用于生產加工的CO 2 激光器功率,切割一般不超過3kW,焊接在10kW左右。為提高光束質量,快速軸流CO 2 (準基模輸出)激光器發展很快,主要用于切割和深穿透焊。對于YAG激光器,商品器件的功率由500W提高到1000W。采用激光諧振腔內加壓縮發散角裝置,使激光光束發散角減至5 mrad以下,提高了聚焦功率密度,強化了加工能力。