激光工业加工

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激光工业加工(laser industry machining)

　　激光工业加工是指将激光照射到材料表面，用以去除或熔化材料，或改变材料的表面性能，从而达到加工的目的。

　　按光与物质相互作用机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。

　　激光热加工是指激光束作用于物体所引起的快速热效应的各种加工过程。由于激光的方向性好，能量比较集中，如再利用聚焦装置使光斑尺寸进一步缩小，可以获得很高的功率密度，足以使光斑范围内的材料在短时间内达到熔化或汽化温度。激光光化学反应加工是指激光作用于物体，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种加工过程，也称为冷加工。工程上不同的加工工艺要求采用不同的激光装置。例如，激光热加工的光源主要采用红外激光器，如CO₂激光器、CO激光器和Nd：YAG激光器；激光光化学反应加工的光源主要采用紫外激光器，如准分子激光器。

　　一、激光热加工的一般原理

　　激光热加工大多基于光对非透明介质的热作用，即吸收光能引起的效应。因此，激光光束特性、材料对光的吸收作用和导热性等对激光加工有很大影响。

　　从而可以计算出经透镜聚焦后焦平面上的功率密度。如果激光是高阶横模，光束具有非轴对称结构，光斑尺寸比基模显著增大，在激光总功率相同的情况下，焦点处的功率密度将减小。

　　当光波照射在不透明的物体表面时，一部分光被反射，另一部分光被吸收。对多数金属来说，在光学波段上有高的反射率(70％～95％)，大的吸收系数(10⁵～10⁶ cm ^{− 1})。一般认为，光在金属表面层里，能量就被吸收了，并把吸收的光能转化为热能，使材料局部温度升高，然后以热传导方式把热传到金属内部。此外，金属的反射率与金属的表面状况有关。粗糙的表面和有氧化物膜层的表面较之光滑表面有更小的反射率。非金属材料的反射和吸收系数则在很大范围内变化。

　　因为金属表面吸收的光能转化为热能，而热能以热传导的方式继续向材料深处传递，所以金属的导热性对材料的热影响很大。根据热传导理论可以计算激光照射下被加工材料表面的温度和内部的温度分布。了解温度场分布可为判断能进行何种加工提供依据。

　　二、几种激光热加工方法

　　1．激光焊接

　　激光焊接过程是将分开的两块材料的边缘熔化，在冷却时它们便凝结在一起，由于在连接过程中像氧化物这类杂质被焊接到表面上，因此激光焊接比普通焊接方法牢固。

　　激光焊接可分为脉冲激光焊接和连续激光焊接。在连续的激光焊接中又可分为热传导焊接和深穿焊接。随着激光器输出功率的提高，特别是数千瓦级高功率连续CO₂激光器的发展，激光深穿焊接已迅速发展起来，输出功率达20 kW的CO₂激光器，焊接穿透深度可达19 mm，用77 kW的CO₂激光器焊接，最大焊接深度可达2 in(50．8 mm)。高功率激光深穿焊接具有广泛的应用前景，特别是在机械制造、造船及国防工业上起很重要的作用。

　　与连续热传导激光焊接(10⁴～10⁵ W／cm²的功率密度)不同的是激光深穿焊接是采用10⁵～10⁷ W／cm²的高功率密度，焊接时金属表面的温度很高，其热量不能单靠热传导、对流、辐射从激光入射点处排走，而使作用点处的金属达到汽化，因而在材料中会形成“孔穴”。材料内的金属蒸气压有力地支持着“孔穴”周围液态金属。后续的激光束作用在“孔穴”中，通过孔壁的多次反射，使激光束直接进入金属内部，并逐步使“孔穴”加深。深穿焊接的焊接深宽比可达10：1以上，而热传导焊接的深宽比为3：1。

　　焊接时，在“孔穴”内形成的高压金属蒸气温度很高，在向“孔穴”外喷射后使得“孔穴”表面的气体离化形成等离子体。等离子体形成后反过来又屏蔽后继的激光束，使激光束功率密度降低，这对得到深宽比大的焊接影响很大，严重时不能产生深穿焊接效应。因而在激光深穿焊接中，抑制或吹开等离子体是一个很重要的问题。

　　在激光焊接中要考虑的另一个重要问题是，必须提供足够的功率使材料熔化，但又不能使它汽化。所以对于铬和钽这样的材料，其熔点和沸点很接近，就不易用激光焊接，必须十分小心地控制激光束功率才能焊接好这些金属。而对金、铜和镍等金属，由于它们的熔点和沸点相差较远，焊接就比较容易。另外，焊接金属时还会碰到的困难是大多数金属的吸收率随温度上升而提高，因此，焊接工件时，由于对激光的吸收常常是一种不稳定状态，为避免汽化。光束功率和照射时间就必须严格控制。

　　2．激光打孔

　　与激光焊接相比，激光打孔装置要求聚焦后激光束的功率密度更高，能把材料加热到汽化温度，利用汽化蒸发把加工部分的材料除去。

　　激光打孔机用的激光器主要有红宝石、钕玻璃、Nd：YAG和CO₂激光器等，一般用光学系统将光斑尺寸聚焦到几微米到几十微米。采用调Q脉冲，功率密度达到10⁸～10¹⁰ W／cm²，可对各种材料加工小孔和微孔，特别适合在高熔点、高硬度的材料上打细小的深孔。从深径比来看，用激光打出的孔，其深度与孔径之比，可高达50以上，这是用其他加工的方法难以达到的。

　　激光打孔有一定的质量指标，如孔的大小、孔的深度、孔的垂直度以及孔的几何形状(圆度和锥度)。

　　孑L的深度，由3个因素决定：①孔深正比于脉冲能量。②孔深与聚焦透镜的焦距，有关，一般来讲，当激光能量不变时，短焦距透镜打出的孔要比长焦距透镜打出的孔深些。③孔深还与激光模式有关。在其他条件相同的情况下，基横模激光打出的孔要比多横模激光打出的孔深得多。

　　孔的准直度指所打孔的轴线与工件表面相垂直，要做到这一点除需要保证工件表面与透镜焦平面平行，还要求激光束垂直地通过透镜的中心。

　　孔的几何形状，从上向下看是指孔的圆度，从侧面看是指孑L的锥度。一般来说，只有在基横模激光的作用下，才可能得到圆的孔、孔的锥度小且深度深。

　　3．激光切割

　　激光切割原理与激光打孔相似，只要移动工件或激光束进行连续打孔形成切缝。由于激光切割具有切缝窄，速度快，即使很脆的材料也能方便地切割等优点，因此，在加工上有着独特的应用。常用连续的或高重复率的大功率Nd：YAG和CO₂激光器。有时还用附带有气体喷口的切割机，所用的气体一般为惰性气体或氧气，喷射惰性气体主要是防止工件燃烧或氧化；喷射氧气可以加快切割速度，并能保护光学系统不被汽化的材料所污损。目前，激光已成功地应用于切割钢板、钛板、石英、陶瓷、塑料以及布匹、纸张等许多方面，并且与数控技术结合，可以进行各种精密切割。

　　4．激光热处理

　　激光热处理就是通过具有足够功率密度的激光束扫描金属表面，激光束能量以极快的速度使金属表面加热，使其局部表面温度高达或超过相变温度(或经熔化并掺入某种合金元素后)，然后以极快的速度自行冷却，使金属表面强化、硬化或合金化，从而达到改善和提高金属表面性能的目的。由于激光功率密度高，加热及冷却快，因此可实现自动冷却淬火。激光热处理比目前普遍采用的高温炉(或火焰加热)处理、化学热处理以及感应热处理等方法有许多优点，如处理速度快，不需要淬火介质，硬化均匀，变形小，硬化深度可精确控制，而且可通过光学扫描系统和增加吸收的涂敷物，得到任何形状的表面热处理。

　　三、激光光化学反应加工——激光光刻

　　随着微电子工业的发展，集成电路的容量变得越来越大，体积越来越小，它的线度仅1．5～3 μm。在传统的集成电路生产过程中，一般采用光刻的方法：先将电路图形放大绘制出来，然后用照相制版的方法将电路图形制成掩膜板，再用掩膜板将电路图形曝光到涂有光刻胶的基片上，然后进行显影、烘干、腐蚀、去胶，就得到了所需的电路图形了，整个过程非常复杂。

　　准分子激光器的输出波长很短，在紫外波段范围内，可以达到空间分辨率为10 ^{− 7}m，而且更易引起光化学反应。用准分子激光照射放在卤素气体中的硅片，只有激光照射到的部分才发生光化学反应，产生腐蚀，其他未照射部分则不发生光化学反应。这样就可以按需要在硅片上蚀刻出线度为10 ^{− 6}m的超大规模集成电路的电路图形。采用激光不需要使用感光剂，而且极大地简化了传统工艺的程序。硅片在曝光的同时，腐蚀也就形成了。只需一道工序即可。另一个典型的例子就是激光蚀刻全息光栅，制作过程与上述类似。

　　激光加工的主要特点有：

　　1．非接触性加工，加工速度快，无噪声，无刀具磨损。

　　2．很容易加工普通机械方法加工起来非常困难的高硬度材料，如金刚石、宝石、陶瓷、高硬度合金等。

　　3．可以进行各种精密加工，如打微米小孔等。

　　4．热影响区很小，加工工件基本无变形。

　　5．激光易于导向和聚焦，可方便地调节光强和焦点位置，易于实现加工过程自动化。