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    激光加工的發展現狀與趨勢分析

    時間:2017-05-23 來源: 百度文庫 點擊:
      用于制造業中的激光系統激光制造系統,一般由激光器、激光傳輸系統、激光聚焦系統、控制系統、運動系統、傳感與檢測系統組成,其核心激光器。
      激光作為熱源或光源(能量)激光制造中的“刀具”或“工具”。該“刀具”或“工具”的質量直接影響著加工制造的結果。激光光束質量的好壞可以采用光束遠場發散角、光束聚焦特征參數值Kf和衍射極限倍因子M2(M)或光束傳輸因子K值來表示。對小功率激光器,工作物質均勻穩定,一般可以實現基模輸出,其光束橫截面能量分布為高斯分布,且在傳輸過程中保持不變,光束質量較好;對于大功率激光器,一般不易得到基模輸出,輸出的往往為多模激光束,激光光束質量變差(如圖1)。目前工業上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器兩種。大功率激光器的工業應用領域很廣,激光切割、激光焊接都需要優良的光束質量,而追求高光束質量的大功率激光是工業用激光器不斷發展的目標。
      從1964年第一臺CO2激光器出現到現在,經過近四十年的發展,從封離式CO2激光器、慢速軸流CO2激光器、橫流CO2激光器,到高頻羅茲泵型快速軸流、射頻turbo型快速軸流以至目前出現的擴散型Slab CO2激光器的發展中可以看到,一方面激光輸出功率不斷提高,體積不斷縮小,另一方面激光器的效率不斷提高,光束質量越來越好。擴散型Slab CO2激光器光束橫截面上光強分布接近高斯分布,具有極好的光束質量,在加大的激光加工工作區焦點的漂移很小,非常有利于大范圍激光傳輸與聚集,這對大尺寸工件的切割應用非常重要。
      工業用固體YAG激光器也經歷了從小功率燈泵浦(棒狀)、燈泵浦(板條)、雙燈泵浦(多棒)到光纖泵浦(棒狀)、半導體泵浦(棒狀)和片狀固體激光器的過程。由于受工作物質熱物理性質的制約,YAG激光光束質量模式相對較差。如何提高光束質量和激光功率,仍是YAG激光器面臨的主要問題。
      值得注意的是近年來發展起來的半導體激光器。半導體激光器具有小型化、頻率極高、與光纖良好耦合、易于調制等優良特性,因而具有廣闊的應用前景。
      要在不同產業中廣泛應用激光制造技術,很大程度上要依賴于激光加工系統的性能與工藝。歐、美、日一些國家在新光源、加工系統及工藝等方面的研究與開發就從未降溫過。隨著激光工作物質的研究與開發、器件與單元技術的改進和創新,以高性能、寬波段、大功率為特征的激光取得了蓬勃的發展,如紫外光輸出的KrF、ArF準分子激光器、倍頻激光器等。尤其是高功率光纖激光的出現,使激光制造的移動式定位加工變得更加便利。
      激光制造技術應用
      激光制造技術與傳統的制造技術相比,其突出的優勢主要體現在以下幾個方面:
      (1)特種材料特殊要求的加
      激光焊接與大多數傳統的焊接方法相比具有突出的優點。激光能量的高度集中和加熱、冷卻過程的極其迅速,可破壞一些難熔金屬表面的應力閾值,或使高導熱系數和高熔點金屬快速熔化,完成某些特種金屬或合金材料的焊接,而且在激光焊接過程中無機械接觸,容易保證焊接部位不因熱壓縮而變形,還排除了無關物質落入焊接部位的可能;如果采用大焦深的激光系統,還可實現特殊場合下的焊接,比如,由軟件控制的需隔離的遠距離在線焊接、高精密防污染的真空環境焊接等;在不發生材料表面蒸發的情況下可熔化最大數量的物質,達到高質量的焊接。以上特點是傳統的焊接工具與方法很難或完全不能做到的。目前,在汽車、國防、航空航天等一些特殊行業,已普遍采用激光焊接技術2。例如歐洲一些國家,對高檔汽車車殼與底座、飛機機翼、航天器機身等一些特種材料的焊接,激光的應用已基本取代了傳統的焊接工具和方法。
      (2)特殊精度的加工制造
      這里指的高精度除通常意義下的精確定位外,主要還體現在材料內部熱傳導效應量級上的控制。激光的顯著特點之一,就是可采取連續和脈沖方式輸出。以固體的鉆孔與切割為例,激光能量高度集中,以及加熱、冷卻速度快的特點可實現傳統技術達到的普遍要求,加工屬熱化學過程。這里要突出的是,通過脈沖式激光輻射可達到接近“冷”加工的光化學動力過程。一方面選擇脈沖的時間寬度,使得材料內的熱傳導過程和熱化學反應來不及發生;另一方面通過控制激光的功率密度和脈沖計數,按要求達到確定的去除深度,從而實現高精度的“線”切割和“點”鉆孔加工。歐美一些國家在許多特殊要求的領域和產業中已普遍采用這種脈沖光制造技術。
      (3)微細加工制造
      激光微細加工技術最成功的應用是在20世紀后半葉發展起來的微電子學領域。激光微細加工作為微電子集成工藝中的單元微加工技術之一,現已形成固定模式并投入規?;a中。除此之外,能突顯其優勢的領域還有精密光學儀器的制造、高密度信息的寫入存儲、生物細胞組織的醫療等。選擇適當波長的激光,通過各種優化工藝和逼近衍射極限的聚焦系統,獲得高質量光束、高穩定性、微小尺寸焦斑的輸出。利用其鋒芒尖利的“光刀”特性,進行高密微痕的刻制、高密信息的直寫;也可利用其光阱的“力”效應,進行微小透明球狀物的夾持操作。例如,高精密光柵的刻制(精密光刻);通過CAD/CAM軟件進行仿真圖案(或文字)和控制,實現高保真打標;利用光阱的“束縛力”,對生物細胞執行移動操作(生物光鑷)。值得一提的是,高密度信息的激光記錄和微細機械零部件的光制造。
      無論是數字記錄或是掃描記錄,還是圖像與文字的模擬記錄,激光記錄方法(光刻)都具有特別的優勢并取得了重要突破,以數字記錄為例:信息記錄密度高(107~108bit/cm2以上),刻錄槽寬0.7μm、深0.1μm,比磁記錄密度提高兩個數量級以上;記錄、檢索、讀出速度快,單波道達50Mbit/s,多波道可達320Mbit/s;信息的檢索和讀出速度遠遠小于1 秒;成本低、使用壽命長。在微細機械零部件的光制造方面,最近幾年國外已將其列為攻關項目,成為未來高新技術前期研究的熱點。日本采用激光技術,制造出微米量級的三維“納米?!?,這說明日本在微納量級的三維激光微成型機制上已經取得了巨大的進展。北京工業大學激光工程研究院應用準分子激光,通過掩模方法,已經加工出10齒/50μm和108齒/500μm的微型齒輪。
      (4)高效的自動流程加工制造
      由于激光輸出的可控制性,使激光制造過程能夠通過軟件實行自動化流程的智能控制。根據生產性質的需要,既可實行加工臺的定位控制亦可通過激光的光纖傳輸實行加工頭的機器手定位控制,從而實現高效的自動化、智能化激光制造。比如,汽車車身覆蓋件的三維定位切割、車身骨構架的焊接、齒輪盤及其他零部件的焊接加工等,已形成激光加工、組裝一條龍的生產線。

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