激光工業加工

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激光工業加工(laser industry machining)

　　激光工業加工是指將激光照射到材料錶面，用以去除或熔化材料，或改變材料的錶面性能，從而達到加工的目的。

　　按光與物質相互作用機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。

　　激光熱加工是指激光束作用於物體所引起的快速熱效應的各種加工過程。由於激光的方向性好，能量比較集中，如再利用聚焦裝置使光斑尺寸進一步縮小，可以獲得很高的功率密度，足以使光斑範圍內的材料在短時間內達到熔化或汽化溫度。激光光化學反應加工是指激光作用於物體，藉助高密度高能光子引發或控制光化學反應的各種加工過程，也稱為冷加工。工程上不同的加工工藝要求採用不同的激光裝置。例如，激光熱加工的光源主要採用紅外激光器，如CO₂激光器、CO激光器和Nd：YAG激光器；激光光化學反應加工的光源主要採用紫外激光器，如準分子激光器。

　　一、激光熱加工的一般原理

　　激光熱加工大多基於光對非透明介質的熱作用，即吸收光能引起的效應。因此，激光光束特性、材料對光的吸收作用和導熱性等對激光加工有很大影響。

　　從而可以計算出經透鏡聚焦後焦平面上的功率密度。如果激光是高階橫模，光束具有非軸對稱結構，光斑尺寸比基模顯著增大，在激光總功率相同的情況下，焦點處的功率密度將減小。

　　當光波照射在不透明的物體錶面時，一部分光被反射，另一部分光被吸收。對多數金屬來說，在光學波段上有高的反射率(70％～95％)，大的吸收繫數(10⁵～10⁶ cm ^{− 1})。一般認為，光在金屬錶面層里，能量就被吸收了，並把吸收的光能轉化為熱能，使材料局部溫度升高，然後以熱傳導方式把熱傳到金屬內部。此外，金屬的反射率與金屬的錶面狀況有關。粗糙的錶面和有氧化物膜層的錶面較之光滑錶面有更小的反射率。非金屬材料的反射和吸收繫數則在很大範圍內變化。

　　因為金屬錶面吸收的光能轉化為熱能，而熱能以熱傳導的方式繼續向材料深處傳遞，所以金屬的導熱性對材料的熱影響很大。根據熱傳導理論可以計算激光照射下被加工材料錶面的溫度和內部的溫度分佈。瞭解溫度場分佈可為判斷能進行何種加工提供依據。

　　二、幾種激光熱加工方法

　　1．激光焊接

　　激光焊接過程是將分開的兩塊材料的邊緣熔化，在冷卻時它們便凝結在一起，由於在連接過程中像氧化物這類雜質被焊接到錶面上，因此激光焊接比普通焊接方法牢固。

　　激光焊接可分為脈衝激光焊接和連續激光焊接。在連續的激光焊接中又可分為熱傳導焊接和深穿焊接。隨著激光器輸出功率的提高，特別是數千瓦級高功率連續CO₂激光器的發展，激光深穿焊接已迅速發展起來，輸出功率達20 kW的CO₂激光器，焊接穿透深度可達19 mm，用77 kW的CO₂激光器焊接，最大焊接深度可達2 in(50．8 mm)。高功率激光深穿焊接具有廣泛的應用前景，特別是在機械製造、造船及國防工業上起很重要的作用。

　　與連續熱傳導激光焊接(10⁴～10⁵ W／cm²的功率密度)不同的是激光深穿焊接是採用10⁵～10⁷ W／cm²的高功率密度，焊接時金屬錶面的溫度很高，其熱量不能單靠熱傳導、對流、輻射從激光入射點處排走，而使作用點處的金屬達到汽化，因而在材料中會形成“孔穴”。材料內的金屬蒸氣壓有力地支持著“孔穴”周圍液態金屬。後續的激光束作用在“孔穴”中，通過孔壁的多次反射，使激光束直接進入金屬內部，並逐步使“孔穴”加深。深穿焊接的焊接深寬比可達10：1以上，而熱傳導焊接的深寬比為3：1。

　　焊接時，在“孔穴”內形成的高壓金屬蒸氣溫度很高，在向“孔穴”外噴射後使得“孔穴”錶面的氣體離化形成等離子體。等離子體形成後反過來又屏蔽後繼的激光束，使激光束功率密度降低，這對得到深寬比大的焊接影響很大，嚴重時不能產生深穿焊接效應。因而在激光深穿焊接中，抑制或吹開等離子體是一個很重要的問題。

　　在激光焊接中要考慮的另一個重要問題是，必須提供足夠的功率使材料熔化，但又不能使它汽化。所以對於鉻和鉭這樣的材料，其熔點和沸點很接近，就不易用激光焊接，必須十分小心地控制激光束功率才能焊接好這些金屬。而對金、銅和鎳等金屬，由於它們的熔點和沸點相差較遠，焊接就比較容易。另外，焊接金屬時還會碰到的困難是大多數金屬的吸收率隨溫度上升而提高，因此，焊接工件時，由於對激光的吸收常常是一種不穩定狀態，為避免汽化。光束功率和照射時間就必須嚴格控制。

　　2．激光打孔

　　與激光焊接相比，激光打孔裝置要求聚焦後激光束的功率密度更高，能把材料加熱到汽化溫度，利用汽化蒸發把加工部分的材料除去。

　　激光打孔機用的激光器主要有紅寶石、釹玻璃、Nd：YAG和CO₂激光器等，一般用光學系統將光斑尺寸聚焦到幾微米到幾十微米。採用調Q脈衝，功率密度達到10⁸～10¹⁰ W／cm²，可對各種材料加工小孔和微孔，特別適合在高熔點、高硬度的材料上打細小的深孔。從深徑比來看，用激光打出的孔，其深度與孔徑之比，可高達50以上，這是用其他加工的方法難以達到的。

　　激光打孔有一定的質量指標，如孔的大小、孔的深度、孔的垂直度以及孔的幾何形狀(圓度和錐度)。

　　孑L的深度，由3個因素決定：①孔深正比於脈衝能量。②孔深與聚焦透鏡的焦距，有關，一般來講，當激光能量不變時，短焦距透鏡打出的孔要比長焦距透鏡打出的孔深些。③孔深還與激光模式有關。在其他條件相同的情況下，基橫模激光打出的孔要比多橫模激光打出的孔深得多。

　　孔的準直度指所打孔的軸線與工件錶面相垂直，要做到這一點除需要保證工件錶面與透鏡焦平面平行，還要求激光束垂直地通過透鏡的中心。

　　孔的幾何形狀，從上向下看是指孔的圓度，從側面看是指孑L的錐度。一般來說，只有在基橫模激光的作用下，才可能得到圓的孔、孔的錐度小且深度深。

　　3．激光切割

　　激光切割原理與激光打孔相似，只要移動工件或激光束進行連續打孔形成切縫。由於激光切割具有切縫窄，速度快，即使很脆的材料也能方便地切割等優點，因此，在加工上有著獨特的應用。常用連續的或高重覆率的大功率Nd：YAG和CO₂激光器。有時還用附帶有氣體噴口的切割機，所用的氣體一般為惰性氣體或氧氣，噴射惰性氣體主要是防止工件燃燒或氧化；噴射氧氣可以加快切割速度，並能保護光學系統不被汽化的材料所污損。目前，激光已成功地應用於切割鋼板、鈦板、石英、陶瓷、塑料以及布匹、紙張等許多方面，並且與數控技術結合，可以進行各種精密切割。

　　4．激光熱處理

　　激光熱處理就是通過具有足夠功率密度的激光束掃描金屬錶面，激光束能量以極快的速度使金屬錶面加熱，使其局部錶面溫度高達或超過相變溫度(或經熔化並摻入某種合金元素後)，然後以極快的速度自行冷卻，使金屬錶面強化、硬化或合金化，從而達到改善和提高金屬錶面性能的目的。由於激光功率密度高，加熱及冷卻快，因此可實現自動冷卻淬火。激光熱處理比目前普遍採用的高溫爐(或火焰加熱)處理、化學熱處理以及感應熱處理等方法有許多優點，如處理速度快，不需要淬火介質，硬化均勻，變形小，硬化深度可精確控制，而且可通過光學掃描系統和增加吸收的塗敷物，得到任何形狀的錶面熱處理。

　　三、激光光化學反應加工——激光光刻

　　隨著微電子工業的發展，集成電路的容量變得越來越大，體積越來越小，它的線度僅1．5～3 μm。在傳統的集成電路生產過程中，一般採用光刻的方法：先將電路圖形放大繪製出來，然後用照相製版的方法將電路圖形製成掩膜板，再用掩膜板將電路圖形曝光到塗有光刻膠的基片上，然後進行顯影、烘乾、腐蝕、去膠，就得到了所需的電路圖形了，整個過程非常複雜。

　　準分子激光器的輸出波長很短，在紫外波段範圍內，可以達到空間解析度為10 ^{− 7}m，而且更易引起光化學反應。用準分子激光照射放在鹵素氣體中的矽片，只有激光照射到的部分才發生光化學反應，產生腐蝕，其他未照射部分則不發生光化學反應。這樣就可以按需要在矽片上蝕刻出線度為10 ^{− 6}m的超大規模集成電路的電路圖形。採用激光不需要使用感光劑，而且極大地簡化了傳統工藝的程式。矽片在曝光的同時，腐蝕也就形成了。只需一道工序即可。另一個典型的例子就是激光蝕刻全息光柵，製作過程與上述類似。

　　激光加工的主要特點有：

　　1．非接觸性加工，加工速度快，無雜訊，無刀具磨損。

　　2．很容易加工普通機械方法加工起來非常困難的高硬度材料，如金剛石、寶石、陶瓷、高硬度合金等。

　　3．可以進行各種精密加工，如打微米小孔等。

　　4．熱影響區很小，加工工件基本無變形。

　　5．激光易於導向和聚焦，可方便地調節光強和焦點位置，易於實現加工過程自動化。