Принцип технологии лазерной обработки

Приблизительное время прочтения: 30 минут

Лазер - это аббревиатура от английского слова «усиление света за счет стимулированного излучения излучения», что означает «усиление света за счет вынужденного излучения излучения». Как важный символ развития науки и техники в 20-м веке и один из столпов оптоэлектронных технологий в современном информационном обществе, развитие лазерных технологий и связанных с ними отраслей высоко ценится в передовых странах. Лазерная обработка - наиболее перспективная область применения лазеров. В частности, в последние годы быстро развиваются технологии лазерной сварки, лазерной резки и лазерной наплавки, которые принесли огромные экономические и социальные выгоды.

Принципы, характеристики и технология лазерной обработки

Технология лазерной обработки - это технология, которая использует характеристики взаимодействия между лазерным лучом и веществом для резки, сварки, обработки поверхности, перфорации и обработки эмблем на материалах (включая металлы и неметаллы). Как передовая производственная технология, лазерная обработка широко используется в автомобилестроении, электронной технике, авиации, металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности. Он играет все более важную роль в улучшении качества продукции и производительности труда, достижении автоматизации и отсутствии загрязнения окружающей среды, а также в снижении расхода материалов. эффект.

Принцип лазерной обработки

Лазерная обработка - это метод обработки, при котором сфокусированный лазерный луч используется в качестве источника тепла для бомбардировки заготовки с целью расплавления металлических или неметаллических заготовок с образованием небольших отверстий, вырезов, соединений, облицовки и т. Д. Лазерная обработка - это, по сути, процесс взаимодействие лазера с непрозрачным материалом. Это квантовый процесс в микроскопическом представлении, и он отражается, поглощается, нагревается, плавится, испаряется и другие явления в макроскопическом представлении.

При облучении лазерными лучами разной плотности мощности происходят различные изменения площади поверхности материала. Эти изменения включают повышение температуры поверхности, плавление, испарение, образование небольших отверстий и генерацию фотоиндуцированной плазмы. На рис. 1.1 показано несколько изменений состояния металлического материала под действием лазерного излучения с разной плотностью мощности.

При плотности мощности лазера менее 104 Вт / см²поглощение лазерной энергии металлом вызывает повышение температуры поверхности материала, но твердая фаза остается неизменной. Его можно использовать для термообработки поверхности, закалки с фазовым переходом или пайки деталей.

Когда плотность мощности лазера составляет порядка 104 ~ 106 Вт / см², создается теплопроводный нагрев, и поверхностный слой материала плавится. Его можно использовать для переплавки металлических поверхностей, легирования, плакирования и сварки теплопроводностью (например, высокоскоростной сварки тонких листов, прецизионной сварки и т. Д.).

Когда плотность мощности лазера достигает порядка 106 Вт / см², поверхность материала облучается лазерным лучом, и температура нагрева лазерного источника тепла достигает точки кипения металла, образуя пар плазмы и сильно испаряясь. Под действием давления расширения испарения поверхность жидкости углубляется вниз. Глубоко проникая в небольшие отверстия, в то же время пары металла ионизируются под действием лазерного луча для создания фотоиндуцированной плазмы, которая в основном используется для лазерной сварки с проплавлением, резки и сверления.

Когда плотность мощности лазера больше порядка 107 Вт / см², фотоиндуцированная плазма будет распространяться против направления падения лазерного луча, образуя плазменное облако, и явление экранирования лазера плазмой будет использоваться для сверления с помощью импульсного лазера. Обработка, например, ударная закалка.

Лазерная обработка - это использование лазерного луча с высокой плотностью мощности для облучения заготовки с целью плавления и испарения материала для выполнения специальной обработки, такой как перфорация, резка и сварка (см. Рисунок 1.2.). Ранняя конденсационная обработка в основном использовалась для сверления небольших отверстий и микросварки из-за своей малой мощности. К 1970-м годам с появлением мощных CO₂ лазеры, лазеры на иттрий-алюминиевом гранате (YAG) с высокой частотой повторения, а также глубокие исследования механизмов и процессов лазерной обработки, технология лазерной обработки достигла большого прогресса, а сфера применения варьируется. Расширение. Оборудование для лазерной обработки мощностью в несколько киловатт использовалось для высокоскоростной резки, сварки с глубоким проплавлением и обработки поверхности различных материалов. За возможность появиться различное специализированное оборудование для лазерной обработки, которое в сочетании с фотоэлектрическим отслеживанием, компьютерным цифровым управлением, робототехникой и другими технологиями значительно повышает уровень автоматизации и использует функции лазерной обработки.

Лазер может интерпретироваться как устройство, которое преобразует необработанную энергию, такую как электрическая энергия, химическая энергия, тепловая энергия, световая энергия или ядерная энергия, в лучи электромагнитного излучения определенных определенных световых частот (ультрафиолетовый свет, видимый свет или инфракрасный свет). Форму преобразования легко осуществить в некоторых твердых, жидких или газообразных средах. Когда эти среды возбуждаются в форме атомов или молекул, они производят лазерные лучи с почти одинаковой фазой и почти с одним длинным лучом. Из-за одинаковой фазы и одной длины волны разность углов очень мала, а расстояние, которое может быть передано, довольно велико, прежде чем они будут сконцентрированы для выполнения таких функций, как сварка, резка и плакирование.

Оборудование для лазерной обработки состоит из четырех основных частей: лазера, оптической системы, механической системы, системы управления и обнаружения. Выходной лазерный луч высокой интенсивности фокусируется на заготовке через линзу, а плотность мощности в фокусной точке достигает 106 ~ 1012 Вт / см.² (температура достигает 10000 ℃), и любой материал мгновенно плавится и испаряется. Лазерная обработка заключается в использовании теплового эффекта этой световой энергии для сварки, сверления и резки материалов. Лазеры, обычно используемые для обработки, - это в основном твердотельные лазеры на YAG и CO.₂ лазеры, которые имеют преимущества простой конструкции, большой выходной мощности и высокой эффективности преобразования энергии, и могут широко использоваться для лазерной обработки материалов.

Особенности лазерной обработки

Первый в мире лазерный луч был получен с помощью лампы-вспышки для возбуждения кристаллических зерен рубина в 1960 году. Из-за ограничения теплоемкости кристалла он может производить только очень короткий импульсный луч, а частота очень низкая. Хотя мгновенная пиковая энергия импульса может достигать 106 Вт / см², это по-прежнему низкий выход энергии.

Использование стержней из кристаллов иттриевого алюминиевого граната (Nd: YAG) с номером (Nd) в качестве возбуждающего элемента может обеспечить непрерывный одноволновой пучок мощностью 1 ~ 8 кВт. YAG-лазер (длина волны 1.06 мкм) может быть подключен к лазерной обрабатывающей головке через гибкое оптоволокно. Компоновка оборудования гибкая и подходит для сварки толщиной 0,5-6 мм. Использование CO₂ лазер (длина волны 1.06 мкм) с CO₂ в качестве возбудителя выходная энергия может достигать 25 кВт, и его можно использовать для однопроходной сварки с проплавлением листов толщиной 2 мм. Он широко используется при обработке металлов в промышленности.

• Световое пятно маленькое, энергия сконцентрирована, а зона термического влияния мала; лазерный луч легко фокусировать и направлять, что удобно для автоматического управления.
• Он не касается обрабатываемой заготовки и не загрязняет ее; он не подвержен электромагнитным помехам и более удобен в использовании, чем электронно-лучевая обработка.
• Диапазон обработки широк, можно выгравировать и вырезать практически любой материал. Высокоскоростная гравировка и резка могут выполняться в соответствии с шаблоном, выводимым компьютером, а скорость лазерной резки намного выше, чем скорость резки проволокой.
• Безопасно и надежно: применяется бесконтактная обработка, которая не вызывает механического выдавливания или механической нагрузки на срез материала. Аккуратный и дотошный; Точность обработки может достигать 0,1 мм. Постоянный эффект: чтобы обеспечить практически одинаковый эффект обработки одной и той же партии деталей.
• Режущий шов небольшой; Режущий шов при лазерной резке обычно составляет 0,1 ~ 0,2 мм, а поверхность резки гладкая: поверхность резки при лазерной резке не имеет заусенцев. Небольшое тепловое искажение: лазерная обработка лазерной резки является тонкой, быстрой и сконцентрированной в энергии. Следовательно, тепло, передаваемое разрезаемому материалу, невелико, и деформация материала также очень мала.
• Подходит для обработки крупногабаритных изделий. Стоимость изготовления пресс-форм для крупногабаритных изделий очень высока. Для лазерной обработки не требуются пресс-формы, а лазерная обработка позволяет полностью избежать разрушения материала при штамповке и резке материала, что может снизить производственные затраты предприятия и улучшить качество продукта. Шестерни.
• Низкая стоимость: лазерная обработка не ограничена количеством обработок, она больше подходит для услуг по обработке небольших партий.
• Экономия материала: при лазерной обработке используется компьютерное программирование, которое позволяет резать изделия различной формы, что позволяет максимально использовать материалы и значительно снижает их стоимость.

Технология лазерной обработки

Лазерная технология - это комплексная технология, включающая множество дисциплин, таких как свет, механика, электричество, материалы и испытания. Традиционно методы лазерной обработки включают резку, сварку, обработку поверхности, плакирование, штамповку (маркировку), скрайбирование и другие методы обработки. Требования различных методов обработки материалов к мощности лазера и качеству луча системы производства лазера показаны на рисунке 1.3.

Технология лазерной сварки

Лазерная сварка - один из важных аспектов применения технологии лазерной обработки. Лазерное излучение нагревает поверхность детали, и поверхностное тепло распространяется внутрь за счет теплопроводности. Контролируя ширину, энергию, плотность мощности и частоту повторения лазерного импульса, заготовка плавится, образуя определенную ванну расплава. Благодаря своим уникальным преимуществам, он успешно используется при сварке мелких и мелких деталей. Появление мощного СО₂ лазеры и мощные волоконные лазеры открыли новую область лазерной сварки. Была получена сварка с глубоким проплавлением, основанная на эффекте точечного отверстия, и она широко используется в машиностроении, автомобилестроении, сталелитейной и других отраслях промышленности.

Лазерная сварка позволяет сваривать труднодоступные детали и выполнять бесконтактную сварку на большие расстояния, что обеспечивает большую гибкость. В лазерной технологии YAG используется технология передачи по оптоволокну, что делает технологию лазерной сварки более широко применяемой. Лазерный луч легко разделяет луч по времени и пространству и может обрабатывать несколько лучей одновременно, что обеспечивает условия для более точной сварки. Например, его можно использовать для толстых и тонких пластин кузова автомобилей, автомобильных деталей, литиевых батарей, кардиостимуляторов, герметичных реле и т. Д. Различные устройства и герметичные устройства не допускают сварочной деформации и загрязнения.

Технология лазерной сварки имеет эффект очистки ванны расплава, позволяет получать чистый металл сварного шва и подходит для сварки одинаковых и разнородных металлических материалов. Лазерная сварка имеет высокую плотность энергии, что особенно важно для сварки металлов с высокой температурой плавления, высокой отражательной способностью, высокой теплопроводностью и очень разными физическими свойствами.

Основными преимуществами лазерной сварки являются высокая скорость, большой провар, небольшая деформация, а также возможность сварки при комнатной температуре или в особых условиях. Когда лазер проходит через электромагнитное поле, луч не смещается; Лазер можно сваривать на воздухе и в определенных газовых средах, а также сваривать стекло или материалы, прозрачные для луча. После того, как лазер сфокусирован, плотность мощности высока, а соотношение сторон во время сварки может достигать 5: 1, до 10: 1, и он может сваривать тугоплавкие материалы, такие как титан и кварц, и сваривать разнородные материалы с хорошими результатами. Например, при сварке двух материалов с разными свойствами, меди и тантала, скорость прохода составляет 100%. Также возможна микросварка. После того, как лазерный луч сфокусирован, можно получить небольшое пятно, которое можно точно расположить. Его можно использовать при сборке и сварке микро- и мелких компонентов массового автоматизированного производства, таких как выводы интегральных схем, волосковые пружины часов, сборка электронной пушки кинескопа и т. Д. Благодаря использованию лазерной сварки эффективность производства высока, зона термического влияния мала, а паяные соединения не загрязняются, что значительно улучшает качество сварки.

Технология лазерной резки

Лазерная резка достигается за счет применения энергии высокой плотности мощности, генерируемой лазерной фокусировкой. Под управлением компьютера лазер разряжается импульсами, и на выходе из него выходит управляемый повторяющийся высокочастотный импульсный лазер, формирующий лазерный луч с определенной частотой и определенной шириной импульса. Импульсный лазерный луч проходит по оптическому пути, отражается и фокусируется на поверхности обрабатываемого объекта через группу фокусирующих линз, образуя небольшое пятно с высокой плотностью энергии, фокус располагается вблизи обрабатываемой поверхности, и обработанный материал плавится или испаряется при мгновенной высокой температуре.

Импульс лазера высокой энергии может мгновенно разбрызгать небольшое отверстие на поверхности объекта. Под управлением компьютера лазерная обрабатывающая головка и обрабатываемый материал совершают непрерывное относительное движение в соответствии с предварительно нарисованной графикой, так что объекту будет придана желаемая форма. При резке поток воздуха, коаксиальный лучу, выбрасывается из режущей головки, а расплавленный или испаренный материал выдувается из нижней части разреза. По сравнению с традиционными методами обработки листового металла, лазерная резка имеет преимущества хорошего качества резки (малая ширина реза, небольшая зона термического влияния, гладкий рез), высокой скорости резания, высокой гибкости (можно резать любую форму) и широкого диапазона материалов. адаптивность.

Технология лазерной резки широко используется при обработке металлических и неметаллических материалов, что позволяет значительно сократить время обработки, снизить затраты на обработку и улучшить качество заготовок. Современная технология лазерной резки превратилась в идеальный меч, «режущий железо, как грязь».

Принимая СО₂ станок для лазерной резки, в качестве примера, все режущее устройство состоит из системы управления, системы движения, оптической системы, системы водяного охлаждения, системы защиты воздуха и т. д., с использованием расширенного режима ЧПУ для обеспечения многоосевой связи и лазерная энергетическая резка без влияния скорости; Серводвигатель с превосходными характеристиками и направляющая структура трансмиссии могут обеспечить хорошую точность движения на высокой скорости.

Лазерная резка может использоваться в автомобилестроении, компьютерах, электромеханике, металлических деталях и специальных материалах, дисках для циркулярных пил, пружинных шайбах, медных пластинах для электронных деталей, металлических сетчатых пластинах, стальных трубах, бакелите, листах из алюминиевого сплава, кварцевом стекле, кремнии. Резина, алюмооксидный керамический лист, титановый сплав и т. Д. В качестве лазеров используются YAG-лазеры и CO.₂ лазеры. Импульсные лазеры подходят для металлических материалов, а непрерывные лазеры подходят для неметаллических материалов. Последнее является важной областью применения технологии лазерной резки.

Технология лазерной наплавки

Лазерная наплавка относится к одновременному плавлению материала оболочки и поверхностного слоя подложки посредством облучения лазерным лучом поверхности плакирующей подложки различными способами, а также к быстрому затвердеванию с образованием плавления с чрезвычайно низким разбавлением и металлургической связью с субстрат. Покрытие - технологический метод улучшения износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости, стойкости к окислению и электрических характеристик поверхности основного слоя.

Благодаря высокой плотности мощности лазерного луча и добавлению порошка самофлюсующегося сплава определенного состава (например, сплавов на основе никеля, кобальта, железа и т. Д.) Образуется очень тонкий слой оболочки на поверхности подложка, чтобы сделать их однородными в расплавленном состоянии Распределить по поверхности детали и достичь заданной толщины и сформировать хорошую металлургическую связь с микроплавкой матрицей, при этом существует лишь небольшая степень разбавления друг друга. В последующем процессе быстрого затвердевания поверхность детали полностью отличается от подложки. Функциональный слой облицовочного материала с особыми свойствами. Лазерная наплавка может полностью изменить поверхностные свойства материалов и придать поверхности из недорогих материалов чрезвычайно высокую износостойкость, коррозионную стойкость, термостойкость и другие свойства.

Лазерная наплавка может быть использована для модификации, ремонта или восстановления поверхности. Он может ремонтировать отверстия и трещины на поверхности материала, восстанавливать геометрические размеры и характеристики изношенных деталей, отвечать требованиям к конкретным характеристикам поверхности материала и экономить много драгоценных металлов. По сравнению с наплавкой, напылением, гальваникой и осаждением из паровой фазы, лазерная плакировка имеет характеристики низкой степени разбавления, плотной структуры и хорошего сочетания плакирующего слоя и подложки. Он широко используется в аэрокосмической, литейной и электромеханической отраслях. В настоящее время в лазерной наплавке используются в основном мощные лазеры на YAG и CO.₂ лазеры.

Лазерная термообработка

Лазерный луч с высокой плотностью мощности используется для нагрева поверхности металлической заготовки с целью модификации поверхности (то есть для повышения твердости поверхности, износостойкости и коррозионной стойкости заготовки) термообработки. Лазерный луч может быть локально селективно закален в соответствии с требованиями, а напряжение и деформация заготовки незначительны. Эта технология широко используется в автомобильной промышленности, такой как лазерная термообработка гильз цилиндров, коленчатых валов, поршневых колец, коммутаторов, шестерен и других деталей, а также широко используется в аэрокосмической, станкостроительной и машиностроительной промышленности. Применение лазерной термообработки в моей стране намного шире, чем в зарубежных странах. В настоящее время используются в основном лазеры на YAG и CO.₂ лазеры.

Лазерная термообработка может обеспечить упрочнение с фазовым превращением (или закалку поверхности, аморфизацию поверхности, закалку с восстановлением поверхности), легирование поверхности и другие виды обработки поверхности металла на поверхности, в результате чего состав поверхности и структурные свойства, которые не могут быть достигнуты закалкой на большой поверхности. Лазерная трансформационная закалка - это самый ранний, наиболее изученный и широко используемый процесс лазерной термообработки. Он подходит для большинства материалов и различных деталей деталей различной формы и может улучшить износостойкость и усталостную прочность деталей. После лазерной термообработки поверхностная твердость чугуна может достигать более 60HRC, а поверхностная твердость среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали может достигать более 70HRC, что улучшает износостойкость, коррозионную стойкость и стойкость материала к окислению. , и продлевает срок службы детали.

Технология лазерного отжига - это процесс обработки полупроводников, и его эффект намного лучше, чем при традиционном отжиге с термообработкой. После лазерного отжига степень замещения примесей может достигать 98% ~ 99%, что может снизить удельное сопротивление поликремния на 40% ~ 50%, что может значительно улучшить интеграцию интегральных схем и уменьшить расстояние между элементами схемы до 0,5 мкм.

Технология лазерного быстрого прототипирования

Технология лазерного быстрого прототипирования формируется путем сочетания технологии лазерной обработки с технологией числового программного управления и гибкой производственной технологией и в основном используется в производстве пресс-форм и моделей. В настоящее время в качестве лазеров используются в основном YAG-лазеры, CO₂ лазеры и волоконные лазеры. Технология лазерного быстрого прототипирования объединяет последние достижения лазерных технологий, технологий CAD / CAM, технологий управления и материаловедения. Согласно CAD-модели детали, светочувствительный полимерный материал слой за слоем отверждается с помощью лазерного луча, и образец точно укладывается в образец без форм, и инструмент может быстро и точно изготавливать детали сложной формы. Эта технология широко используется в аэрокосмической отрасли, электронике, транспортных средствах и других отраслях промышленности.

Технология лазерного сверления

Технология лазерного сверления обладает такими преимуществами, как высокая точность, универсальность, высокая эффективность, низкая стоимость и значительные комплексные технические и экономические преимущества. Это стало одной из ключевых технологий в современной производственной сфере. До появления лазеров можно было использовать только материалы с большей твердостью. Просверлить отверстия в материале с меньшей твердостью чрезвычайно сложно, поэтому чрезвычайно сложно просверлить отверстия в алмазе с высокой твердостью. После появления лазера этот тип операций стал быстрым и безопасным, но отверстие, просверленное лазером, имеет коническую форму, а не цилиндрическую форму при механическом сверлении, что в некоторых местах неудобно (см. Рисунок 1.4).

Лазерное сверление в основном используется в аэрокосмической, автомобильной, электронной, химической и других отраслях промышленности. Быстрое развитие лазерного сверления в основном отражается в том, что выходная мощность YAG-лазера, используемого для сверления, увеличилась с 400 Вт до 800 Вт или даже 1000 Вт, а пиковая мощность сверления достигает 30 ~ 50 кВт, ширина импульса, используемая для пробивки, составляет сужаясь, частота повторения становится все выше и выше, улучшаются выходные параметры лазера, улучшается качество штамповки, увеличивается скорость штамповки, а также расширяется область применения лазерной штамповки. Относительно зрелое применение лазерного сверления в Китае - производство штампов для волочения синтетических и природных алмазов, а также в производстве часов, инструментов, лопастей самолетов и печатных плат. В настоящее время используются лазеры CO₂. Основными из них являются лазеры и YAG-лазеры, также используются эксимерные лазеры, изотопные лазеры и полупроводниковые лазеры накачки.

Технология лазерной маркировки

Лазерная маркировка - это метод маркировки, при котором используется лазерный луч с высокой плотностью энергии для локального облучения заготовки для испарения или изменения цвета материала поверхности, оставляя, таким образом, стойкую метку. Лазерная маркировка может создавать различные символы, символы, узоры и т. Д., А размер символов может варьироваться от миллиметров до микрометров, что имеет особое значение для защиты от подделки продукции. После фокусировки чрезвычайно тонкий лазерный луч похож на инструмент, который может удалять поверхностный материал объекта точка за точкой. Передовой характер технологии лазерной маркировки заключается в том, что процесс маркировки представляет собой бесконтактную обработку, которая не вызывает механического выдавливания или механического напряжения и не повреждает обрабатываемые элементы. Размер сфокусированного лазерного луча небольшой, зона термического влияния мала, а обработка прекрасна, что может завершить процесс, который не может быть достигнут обычными методами.

«Инструмент», используемый при лазерной маркировке, - это сфокусированный луч, дополнительное оборудование и материалы не требуются. Пока лазер может нормально работать, его можно обрабатывать непрерывно в течение длительного времени. Лазерная маркировка отличается высокой скоростью обработки и низкой стоимостью. Он автоматически управляется компьютером и не требует вмешательства человека во время производства. Маркировка эксимерным лазером - это новая технология, разработанная в последние годы. Он особенно подходит для маркировки металлов и позволяет наносить субмикронную маркировку. Он широко используется в индустрии микроэлектроники и биоинженерии.

Какого рода информация, которую может маркировать лазер, связана с содержанием компьютерного дизайна? Если система маркировки произведений искусства, разработанная компьютером, может идентифицировать их, маркировочная машина может точно восстановить проектную информацию на подходящем носителе. Следовательно, функция программного обеспечения для лазерной маркировки фактически в значительной степени определяет функцию системы лазерной маркировки. Эта технология применяется в различных материалах и практически во всех отраслях промышленности. Используемые лазеры включают YAG-лазеры, CO.₂ лазеры и полупроводниковые лазеры накачки.

Лазерное упрочнение и легирование поверхности

Лазерное упрочнение поверхности - это использование нагрева лазерным лучом с высокой плотностью мощности для сплавления тонкого слоя поверхности детали и фазового перехода, а затем самовозбуждающегося и быстрого охлаждения с образованием микрокристаллической или аморфной структуры. Лазерное легирование поверхности заключается в использовании лазера для нагрева металла, сплава или компаунда, нанесенного на поверхность заготовки, и быстрого плавления с основным металлом с образованием нового слоя сплава или слоя компаунда на поверхности заготовки для достижения цель модификации поверхности материала. Вы также можете использовать лазерный луч для нагрева основного металла и проходящего газа, чтобы вызвать химические металлургические реакции (например, поверхностное осаждение из паровой фазы), чтобы сформировать тонкую пленку с желаемой фазовой структурой на поверхности металла, чтобы изменить поверхностные свойства заготовки. . Лазерное упрочнение и легирование поверхности подходят для деталей, которые должны улучшить износостойкость, коррозионную стойкость, устойчивость к высоким температурам и другие свойства в аэрокосмической, оружейной, ядерной промышленности и автомобилестроении.

Другой

В дополнение к вышеупомянутой технологии лазерной обработки зрелая технология лазерной обработки также включает в себя технологию лазерного травления, технологию точной настройки лазера, технологию хранения лазера, технологию лазерного скрайбирования, технологию лазерной очистки, технологию лазерного гальванического покрытия, технологию лазерного остекления и т. Д.

Технология фототравления проще, чем традиционная технология химического травления, которая может значительно снизить стоимость производства и может обрабатывать линии шириной 0,125 ~ 1 мкм, подходящие для производства очень крупномасштабных интегральных схем.

Технология точной настройки лазера может автоматически настраивать заданное сопротивление с точностью 0,01% ~ 0,002%, что ниже по точности, эффективности и стоимости, чем традиционные методы обработки. Тонкая настройка лазера включает тонкопленочные резисторы (толщиной 0,01 ~ 0,64 м) и тонкую настройку сопротивления толстой пленки (толщиной 20-50 мкм), точную настройку емкости и настройку гибридных интегральных схем.

В технологии лазерного хранения используются лазеры для записи видео, аудио, текстовых данных и компьютерной информации, что является одной из поддерживающих технологий в век информации.

Технология лазерной разметки - ключевая технология производства интегральных схем. Он отличается прекрасной разметкой, высокой точностью (ширина линии 15-25 мкм, глубина посадки 5-200 мкм), высокой скоростью обработки (до 200 мм / с) и производительностью до 99,5% и более.

Использование технологии лазерной очистки может значительно снизить загрязнение обрабатываемых устройств частицами и повысить производительность прецизионных устройств.

Усовершенствованная с помощью лазера технология гальваники может увеличить скорость осаждения металлов, причем скорость в 1000 раз выше, чем без лазерного облучения. Это имеет большое значение для производства и ремонта микропереключателей, прецизионных деталей приборов, микроэлектронных устройств и крупных интегральных схем. Усовершенствованная технология позволяет повысить стойкость гальванического слоя в 100-1000 раз.

Технология лазерного остекления имеет многообещающее будущее для модификации материалов. Его низкая стоимость, простота управления и копирования способствуют разработке новых материалов. Лазерное остекление в сочетании с пламенным напылением, плазменным напылением, ионным осаждением и другими технологиями имеет широкие перспективы применения для управления организацией и улучшения поверхностной износостойкости и коррозионной стойкости. Электронные материалы, электромагнитные материалы и другие электрические материалы идеально подходят для использования в измерительных приборах после лазерного остекления.

Текущее состояние и тенденции развития технологии лазерной обработки

После более чем 30-летнего развития в моей стране лазерные технологии достигли высокого уровня научных и технологических достижений. Многие из них были использованы в производственной практике. Выпуск оборудования для лазерной обработки увеличивался в среднем на 20% в год, что решило технологическую трансформацию традиционных отраслей и улучшение качества продукции. много вопросов. Например, технология химического волокна с лазерной ватой продвигается на крупных сталелитейных заводах, таких как Baosteel и Benxi Iron and Steel, что изменит состояние зависимости моей страны от импорта стального листа для автомобильных покрытий; Качество, функции и цена машин для лазерной маркировки и оборудования для лазерной сварки соответствуют потребностям внутреннего рынка и рыночной доле. Показатель превышает 80%.

Текущее состояние технологии лазерной обработки

Лазерная обработка - это самый крупный проект в зарубежных лазерных приложениях, а также важное средство преобразования традиционных отраслей промышленности. В основном это 1 ~ 10 кВт CO.₂ лазеры, YAG-лазеры от 100 до киловатт и мощные волоконные лазеры для резки различных материалов, сварки, штамповки, плакирования, обработки поверхности и т. д. Согласно обзору и прогнозу рынка лазеров за последние годы, применение лазеров занимает первое место в области обработки материалов, а медицинские лазеры - вторую по величине область применения за рубежом.

В области лазерной обработки CO₂ лазеры наиболее широко используются при резке и сварке, составляя соответственно 70% и 20%, а обработка поверхности менее 10%. Лазеры YAG применяются для сварки, маркировки (50%) и резки (15%). В основном. В США и Европе CO₂ лазеры составляют от 70% до 80%. В моей стране при лазерной обработке резка в основном используется для 10%, из которых более 98% CO₂ мощность лазера находится в диапазоне 1,5 ~ 3 кВт; около 15%, из которых в основном относятся к поверхностной обработке, большая часть - к лазерной поверхностной обработке гильз цилиндров автомобильных двигателей. Экономические и социальные преимущества технологии лазерной обработки очень высоки, и у нее есть большие рыночные перспективы.

В автомобильной промышленности технология лазерной обработки полностью раскрывает передовые, быстрые и гибкие характеристики обработки. Например, большое количество станков для трехмерной лазерной резки используется в прототипах автомобилей и мелкосерийном производстве, что не только экономит прототипы и инструментальное оборудование, но и значительно сокращает производственный цикл; лазерный луч делает небольшие отверстия в материалах высокой твердости, а также в сложных и изогнутых поверхностях, которые работают быстро и без повреждений; лазерная сварка стала стандартным процессом в автомобильной промышленности. Японская корпорация Toyota Motor Corporation использовала лазерную технологию для сварки панелей кузова, сварки металлических пластин разной толщины с разными покрытиями поверхности, а затем штамповки.

Хотя лазерная обработка поверхности не так распространена за рубежом, как сварка и резка, она по-прежнему широко используется в автомобильной промышленности, например для обработки поверхности гильз цилиндров, коленчатых валов, поршневых колец, коммутаторов, шестерен и других деталей. В промышленно развитых странах технология лазерной обработки сочетается с технологией числового программного управления и гибкой производственной технологией, чтобы получить технологию быстрого лазерного прототипирования. Эта технология позволяет не только быстро изготавливать модели, но и напрямую расплавлять металлические порошки и выполнять 3D-печать для изготовления металлических форм.

На рис. 1.5 показан процесс использования лазерной сварки вместо контактной сварки в сборке кузова, чтобы конструкторы автомобиля могли свободно проявлять свое воображение и творческий потенциал для создания уникального стиля автомобиля. В то же время технология лазерной сварки имеет более высокую эффективность, чем контактную точечную сварку, лучшую производительность соединения, меньший расход материала и другие преимущества.

Благодаря преимуществам технологии лазерной обработки, все европейские производители автомобилей без исключения применяют технологию лазерной обработки в больших количествах. Например, немецкая компания Volkswagen однажды заказала мощные YAG-лазеры мощностью 4 кВт для 260 комплектов, которые в основном используются для сварки кузовов и обработки деталей. На производственной линии Bosch в Германии установлено более 400 комплектов различных типов высокомощного оборудования для лазерной обработки, которое в основном используется для обработки и сварки автомобильных деталей. Широта и глубина применения технологии лазерной обработки в автомобилестроении стали важным символом прогресса автомобильной промышленности.

В аэрокосмической сфере до 1970-х годов из-за отсутствия мощного непрерывного лазера импульсная лазерная сварка в основном использовалась для точечной сварки небольших прецизионных деталей или сварных швов, образованных перекрывающимися отдельными точками сварки. После 1970-х годов с развитием CO₂ Технология лазерной сварки в несколько ватт, ситуация кардинально изменилась. Стальные пластины толщиной в несколько миллиметров можно сваривать за один раз, и полученный шов аналогичен электронно-лучевой сварке, что демонстрирует большой потенциал высокомощной лазерной сварки. Например, основная причина, по которой пустое название A80 может значительно снизить вес самолета, снизить расход топлива и снизить эксплуатационные расходы, заключается в применении технологии лазерной сварки к соединению фюзеляжа, внутренней перегородки крыла и элемента жесткости ( Рисунок 1.6) вместо оригинального процесса клепки немецкая аэрокосмическая промышленность назвала крупной технологической революцией в авиационной промышленности.

С 21 века YAG-лазеры играют все более важную роль в сварке, резке, сверлении и маркировке. Обычно считается, что резка YAG-лазером может обеспечить хорошее качество резки и высокую точность резки, но скорость резки ограничена. С улучшением выходной мощности YAG-лазера и качества луча, YAG-лазер сжал до киловаттного углекислого газа.₂, рынок лазерной резки. YAG-лазеры особенно подходят для микроустройств, которые не допускают термической деформации и загрязнения при сварке, таких как литиевые батареи, кардиостимуляторы и герметичные реле.

Волоконный лазер - это новый тип лазерного устройства, разработанный в последние годы, и он также является одной из горячих точек в области оптоэлектронных исследований информации в стране и за рубежом. Благодаря своим преимуществам в оптических режимах и сроке службы волоконные лазеры стали представителем нового поколения твердотельных лазеров. Они широко изучены и быстро развиваются в стране и за рубежом и имеют широкие перспективы применения.

Тенденция развития технологии лазерной обработки

Лазер - одно из важнейших изобретений 20 века, обладающее огромным технологическим потенциалом. Эксперты считают, что сейчас время расцвета электронных технологий, главный герой - компьютер, следующее поколение будет эпохой оптических технологий, а главный герой - лазер. Лазер особенно подходит для обработки материалов из-за его трех характеристик: однополости, согласованности и параллелизма. Лазерная обработка - наиболее перспективная область применения лазеров, за рубежом разработано более 20 технологий лазерной обработки. Управление пространством и временем лазера очень хорошее, а материал, форма, размер и среда обработки обрабатываемого объекта имеют большую свободу, и он особенно подходит для автоматической обработки. Комбинация системы лазерной обработки и технологии числового программного управления может формировать высокоэффективное оборудование для автоматической обработки, которое открывает широкие перспективы для высококачественной, высокоэффективной и недорогой обработки и производства.

Технология лазерной обработки является одной из важных поддерживающих технологий экологически чистых производственных технологий, что соответствует национальной стратегии устойчивого развития. Тенденция развития технологии лазерной обработки в основном отражается в следующих аспектах.

• Что касается исследований и разработок материалов, в соответствии с типами материалов для лазерной сварки и плакирования, лазерной сварки и плакирования разрабатываются материалы из различных материалов соответственно.
• С точки зрения управления процессами астигматической сварки и наплавки, тенденция развития заключается в разработке онлайн-системы мониторинга, основанной на лазерной сварке и наплавке, для контроля процесса лазерной сварки и наплавки в режиме реального времени. Исследовать и разрабатывать композитные процессы (такие как лазерная дуга и т. Д.), Совместимые с лазерной сваркой и плакировкой, для повышения эффективности лазерной сварки и плакирования.
• При управлении и роботизации систем обработки, системная интеграция - это не только сама обработка, но также обнаружение в реальном времени и обработка обратной связи. С появлением экспертных систем, обработка системного интеллекта стала неизбежной тенденцией развития. Чтобы повысить эффективность лазерной сварки, резки и наплавки, были разработаны недорогие интеллектуальные роботы, которые постепенно популяризируются и применяются.
• Исследования нового поколения промышленных лазеров в настоящее время находятся в периоде технологического обновления, которое ознаменовано разработкой и применением полупроводниковых лазеров с диодной накачкой.

Полный комплект оборудования для лазерной обработки включает лазерный генератор, систему числового программного управления, обрабатывающий станок и т. Д., Которые составляют гибкую производственную систему лазерной обработки. В настоящее время направление исследований и разработок технологии лазерной обработки можно резюмировать следующим образом:

• Числовое управление и интегрирование. Сочетание лазеров с технологией числового программного управления, передовыми оптическими системами и высокоточным и автоматизированным позиционированием заготовок для создания научно-исследовательского и производственного центра обработки стало тенденцией в развитии технологий лазерной обработки.
• Миниатюризация и совмещение. Два метода обработки - лазерная резка и штамповка - были объединены на станках в зарубежных странах для создания станка для лазерной штамповки. Он обладает как универсальностью лазерной резки, так и высокоскоростными и высокоэффективными характеристиками штамповки. Резка сложных форм, штамповка, маркировка, разметка и другие виды обработки.
• Высокая частота и высокая надежность. В настоящее время частота следования YAG-лазеров за рубежом достигла 2000 раз / с, а среднее время обслуживания YAG-лазеров с диодной накачкой увеличено с первоначальных нескольких сотен часов до (1-2) миллионов часов.
• Для обработки металлов используйте эксимерный лазер. Это новая тема зарубежной лазерной обработки. Эксимерные лазеры могут излучать ультрафиолетовые лазеры с длинами волн от 157 до 350 нм. Большинство металлов имеют низкий коэффициент отражения для этого лазера и, соответственно, высокие коэффициенты поглощения. Таким образом, этот вид лазера имеет большое прикладное значение в области обработки металлов.

Существующие проблемы и перспективы рынка

Основные проблемы

• Способность преобразовывать результаты научных исследований в продуктивность оставляет желать лучшего, и многие многообещающие результаты лазерной обработки остаются в лаборатории на стадии прототипа.
• Основной компонент системы лазерной обработки, лазер имеет немного разновидностей и низкую надежность. За рубежом в производстве используются не только твердотельные лазеры с диодной накачкой, но и диодные лазеры. Полностью твердотельные лазеры с диодной накачкой в моей стране все еще находятся на стадии исследований и разработок.
• Исследования и разработки технологии тонкой лазерной обработки относительно слабы, и меньше исследований по обработке ультрафиолетовым лазером.
• Надежность, безопасность, ремонтопригодность и согласованность оборудования для лазерной обработки оставляет желать лучшего, и все еще трудно удовлетворить потребности крупномасштабного промышленного производства.

Обзор рынка

Технология лазерной обработки значительно повысила уровень традиционного производства, вызвала большие изменения в дизайне продукции, технологии производства и производственных концепциях и вызвала революцию в производственных технологиях. По сравнению с международной передовой системой лазерной обработки, система лазерной обработки в моей стране имеет большой пробел (статистические данные показывают, что на нее приходится всего около 2% мировых продаж). Основные проявления заключаются в том, что существует мало высокопроизводительных систем лазерной обработки, ведущие лазеры не выключаются, а оборудование для микролазерной обработки имеет большой зазор.

Производители оборудования для лазерной обработки в моей стране стабильно развиваются, и у отечественного рынка лазерных приложений есть большие возможности для развития. В ближайшие годы производственные предприятия по лазерной обработке будут развиваться более быстрыми темпами, что в основном связано со следующими аспектами.

• Государство придает этому большое значение. Государственные департаменты на всех уровнях активно уделяют внимание проектам, планируют и создают их. Вводится много средств, которые способствуют независимым инновациям и технологическому обновлению корпоративных продуктов.
• Принятие технологии лазерной обработки в различных отечественных отраслях обрабатывающей промышленности может повысить техническую составляющую их продукции и ускорить ее обновление. Использование передовых технологий лазерной обработки позволяет достичь уровня «гибкого производства» и удовлетворить потребности рынка в персонализированных продуктах.
• Постепенно постепенно сформировалась промышленная группа предприятий, обслуживающих лазерные детали, и постепенно появились различные производители систем лазерной обработки. В настоящее время сформировано четыре оборудования для лазерной обработки промышленных лент, которые в основном распространяются в Центральном Китае, дельте реки Чжуцзян, дельте реки Янцзы и дельте реки Янцзы. Пекин-Тяньцзинь Рим Бохай Экономически развитый район.
• Исследования и разработки ведущих отечественных лазеров вышли на стадию применения на рынке, например, мощных осевых лазеров на углекислом газе.₂ лазеры малой и средней мощности с металлическим резонатором RF CO₂ лазеры, твердотельные лазеры с полупроводниковой накачкой, волоконные лазеры, а также ДПЛ с удвоенной частотой, мощные диодные модули и др. Вступая в стадию коммерциализации, положительная разработка готова, что создает условия для применения отечественных оборудование для лазерной обработки.