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激光加工技術(shù)的應(yīng)用
信息來(lái)源:www.everythingaboutbrisbane.com    發(fā)布時(shí)間:2019.12.30

激光全稱為“受激輻射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)”。原子中的電子在光或電的激發(fā)下吸收光電能量,自低能級(jí)躍遷到高能級(jí),再?gòu)母吣芗?jí)落回到低能級(jí)時(shí),以光子的形式釋放出能量,且放出光的相位、頻率、方向等光學(xué)特性高度一致,這樣的光即為激光。激光與計(jì)算機(jī)、原子能、半導(dǎo)體共同被視為是二十世紀(jì)的四項(xiàng)重大發(fā)明,對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展有十分重要的作用。


激光具有很多一般光源所不具備的特性:第一,激光束的發(fā)散度極小,幾乎為平行,所以激光方向性極好;第二,激光的亮度極高,能夠照亮超遠(yuǎn)距離的物體,由于激光是定向發(fā)光,光子大都集中在一個(gè)小的范圍內(nèi)發(fā)射,所以激光能量密度極高;第三,激光波長(zhǎng)分布范圍非常窄,因此激光單色性很好,顏色極純;第四,高度一致的光學(xué)特性使得激光各光束間具有很好的相干性。


激光為典型的應(yīng)用就是激光加工,激光加工可分為冷加工和熱加工兩類。激光經(jīng)過(guò)透鏡等聚焦系統(tǒng)聚焦后作用于金屬或非金屬材料表面,利用激光的高能量對(duì)材料瞬時(shí)加熱至超高溫,使照射部分的材料熔化甚至氣化,達(dá)到對(duì)材料的改性或去除,這種基于光熱效應(yīng)的加工被稱為“熱加工”。當(dāng)用某類波長(zhǎng)的高能量激光束照射到聚合物這類的材料時(shí),可由光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng),這種加工過(guò)程被稱為光化學(xué)加工,也叫“冷加工”。光化學(xué)加工主要應(yīng)用于光化學(xué)沉積、激光刻蝕和激光照排等。其中熱加工的應(yīng)用較為廣泛。


激光加工是無(wú)接觸的方式,不會(huì)產(chǎn)生工具與工件表面的摩擦阻力,也不會(huì)直接對(duì)工件進(jìn)行沖擊,工件幾乎不會(huì)發(fā)生變形,且激光是對(duì)局部進(jìn)行加工,對(duì)非激光照射的部分幾乎沒有影響,所以激光加工是高速、高效、高精度的加工方式。激光加工技術(shù)是光與機(jī)電技術(shù)的結(jié)合,激光光束的移動(dòng)速度、功率密度和方向等都可以調(diào)節(jié),易與數(shù)控系統(tǒng)配合來(lái)對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行加工,可由此對(duì)其實(shí)現(xiàn)不同層面和范圍的應(yīng)用。


一激光模切技術(shù)

激光模切技術(shù)是根據(jù)在軟件中設(shè)計(jì)好的工件圖樣,將激光束聚焦后直接對(duì)材料表面完成模切或壓痕效果的一種切割方法。激光模切技術(shù)具有切割精度高、模切產(chǎn)品粗糙度低、模切加工時(shí)間短、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。由于無(wú)須更換模切刀版,也可實(shí)現(xiàn)不同版式工件之間的快速轉(zhuǎn)換,這樣節(jié)省了傳統(tǒng)模切刀版調(diào)整時(shí)間,尤其適用于輕薄、異形工件的加工。


典型的激光模切系統(tǒng)應(yīng)該包括有激光器、掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)室、廢料清除系統(tǒng)以及反饋系統(tǒng)。


激光在模切加工中扮演“模切刀”的角色,其對(duì)終的加工效果的影響是模切機(jī)各組成部分中大的,目前市場(chǎng)上用于激光加工的激光器主要有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體激光器等。常使用的是出波長(zhǎng)能被非金屬很好吸收且能夠產(chǎn)生連續(xù)激光或非連續(xù)激光脈沖的CO2激光器。


二激光雕刻技術(shù)

激光雕刻機(jī)的主要組成為:激光器(提供激光光束,包括聚光腔、反射鏡)、聚焦系統(tǒng)(使高功率密度的激光能量聚集在小面積上,達(dá)到佳的雕刻效率)、導(dǎo)光系統(tǒng)(改變激光照射方向)、工作臺(tái)(用于承載或移動(dòng)被雕刻工件)、控制面板(調(diào)整和控制電源及激光器)、水冷系統(tǒng)(調(diào)控激光器內(nèi)的溫度)。由于主要是對(duì)非金屬材料加工,所以激光雕刻與模切一樣常選用CO2激光器。為實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)陣雕刻和適量雕刻,激光雕刻大多采用振鏡式導(dǎo)光系統(tǒng)。


激光雕刻有以下三種方式
01切割雕刻

先將圖文信息分解成無(wú)數(shù)切割線條, 然后用激光按照這些線條進(jìn)行切割, 終得到利用切割線條表示出的圖文。


02凹模雕刻

去除圖文部分, 維持圖案外圍的部分原樣不動(dòng)。凹模雕刻有兩種情況, 一種是對(duì)圖文上每一點(diǎn)切除力度同樣大,主要靠輪廓來(lái)體現(xiàn)圖文信息;第二種是根據(jù)圖文的明暗對(duì)比的不同, 多切除圖文上暗的部分, 亮的部分則少切甚至不切除。


03凸模雕刻

去除非圖文部分,維持圖文部分原樣,各點(diǎn)處切除力度必相同。此雕刻方法較適用于表達(dá)圖文輪廓等。


三激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)主要用于對(duì)金屬及塑料制品進(jìn)行焊接加工。以前金屬焊接大多采用電阻焊接工藝,但電阻焊存在耗電量大、熱影響區(qū)大、接口不美觀、可焊材料厚度受限等問(wèn)題,所以激光焊接技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。激光焊接金屬的作用機(jī)理是用激光輻射金屬表面,通過(guò)激光與金屬的耦合作用使待焊接部位在極短時(shí)間內(nèi)瞬間熔化甚至氣化,再冷卻凝固結(jié)晶而形成焊縫。激光焊接可分為熱傳導(dǎo)焊接和深熔焊兩種,前者會(huì)發(fā)生激光的功率密度較小,輻射能只作用于金屬表面,材料下層則靠熱傳導(dǎo)受熱熔化;深熔焊會(huì)產(chǎn)生小孔效應(yīng),即輸入激光能量很大,遠(yuǎn)大于傳導(dǎo)及散熱的速率時(shí),照射區(qū)域會(huì)在極短時(shí)間發(fā)生氣化形成小孔,孔內(nèi)壓力形成動(dòng)態(tài)的平衡,光束可以直接照射到孔底。小孔吸收射入的所有能量使孔壁金屬熔化,由此可形成尤其窄而深的焊縫,且改變焊接參數(shù)可以使焊縫熔深在較大范圍內(nèi)變化,所以實(shí)際更多采用深熔焊接方式。


接下來(lái)討論用于焊接金屬的激光器的選擇。金屬焊接大多采用YAG激光器,因?yàn)閅AG激光比 CO22激光更易于被金屬吸收,且受等離子體影響較小,焊接操作靈活。但YAG激光器運(yùn)作時(shí)易產(chǎn)生大量熱損耗,使激光腔溫度升高產(chǎn)生激光熱透鏡效應(yīng),從而降低激光功率和能量轉(zhuǎn)化效率。YLR光纖激光器是以光纖為基材,摻雜不同的稀土離子的光纖傳輸傳輸,具有體積小、成本低、激光功率高等優(yōu)點(diǎn),焊接熔深和速度更高,較YAG激光器更勝一籌。


激光焊接金屬過(guò)程幾乎不會(huì)產(chǎn)生碎屑廢渣,且無(wú)需添加粘合劑,具有速度快、精度高、熱影響區(qū)小、深寬比大、焊縫美觀等優(yōu)點(diǎn),易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,可產(chǎn)生良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,已成為金屬包裝氣密性封裝等的主要方式。


對(duì)于塑料材料工件而言,傳統(tǒng)的塑料焊接主要采用超聲波焊接、摩擦焊接、振動(dòng)焊接、熱板焊接等技術(shù),而實(shí)際時(shí)加工既要考慮其密封性能, 又要防止加工過(guò)程中會(huì)受到污染, 塑料激光焊接的高精度和無(wú)接觸性正好可以滿足這樣的要求。


激光焊接塑料的方法主要有兩種,一種是遠(yuǎn)紅外 CO2 激光焊接塑料(簡(jiǎn)稱 NCLW),一種是近紅外激光焊接熱塑性塑料的激光透射焊接(簡(jiǎn)稱 TTLW)。NCLW是用激光熱源在一定壓力的維持下使塑料軟化或熔化,之后撤掉熱源使塑料冷卻凝固實(shí)現(xiàn)焊接。TTLW需要待焊兩塑料上部吸收率小到盡可能透射激光,下部吸收率高,先將兩邊塑料相接觸, 然后激光穿過(guò)透過(guò)激光塑料部分被吸收激光塑料部分吸收,吸收激光塑料部分受熱軟化或熔化,透過(guò)激光塑料部分也由于熱傳導(dǎo)也軟化或熔化,當(dāng)熔核的尺寸達(dá)到要求時(shí),撤掉激光源,塑料大分子在塑料熱膨脹產(chǎn)生的壓力下相互擴(kuò)散,從而連接在一起,實(shí)現(xiàn)塑料的焊接。該種焊接方法能應(yīng)用于對(duì)接接頭的焊接,但更多應(yīng)用于搭接接頭的焊接。


塑料焊接激光器大多選用容易實(shí)現(xiàn)數(shù)控和自動(dòng)化的摻釹釔鋁石榴石合成晶體(Nd:YAG)激光器和效率高、輸出功率小、便攜的半導(dǎo)體激光器。塑料焊接有時(shí)也使用CO2激光器。但是CO2激光的穿透性能較差,主要用于薄膜焊接。光纖激光光源質(zhì)量高,效率高,且系統(tǒng)體積小、方便移動(dòng)和維修。未來(lái)光纖激光器將會(huì)逐步取代 Nd:YAG 及二極管激光器,廣泛應(yīng)用于塑料焊接領(lǐng)域。


四激光打標(biāo)技術(shù)

激光打標(biāo)是應(yīng)用范圍廣的一項(xiàng)激光加工技術(shù),其機(jī)理是通過(guò)激光對(duì)工件的局部照射,使表面材料瞬間融熔氣化或者發(fā)生顏色變化,從而留下永久性的文字、圖案等的標(biāo)記。激光打標(biāo)對(duì)工件表面不會(huì)產(chǎn)生腐蝕,且加工后不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力而影響原有精度,所以激光打標(biāo)技術(shù)應(yīng)用范圍很廣,對(duì)不同材料打標(biāo)的原理、系統(tǒng)組成基本相同,只需通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出對(duì)每種材料適合的參數(shù)設(shè)置即可完成對(duì)不同材料的激光打標(biāo)。


激光打標(biāo)系統(tǒng)由激光器(大多采用Nd:YAG 激光器)、振鏡部分(驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制振鏡偏轉(zhuǎn)使激光輸出點(diǎn)掃描出圖文)、數(shù)控部分(以完成掃描圖文的編輯、格式轉(zhuǎn)變、導(dǎo)出信息)和電源控制部分(包括激光電源、聲光電源、水冷系統(tǒng)的控制)四部分組成。


激光打標(biāo)過(guò)程是首先通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編輯好所需的圖文信息,轉(zhuǎn)為打標(biāo)軟件能識(shí)別的格式,導(dǎo)入振鏡伺服控制卡轉(zhuǎn)換成振鏡能夠識(shí)別的信號(hào)。這些電信號(hào)傳輸?shù)綊呙枵耒R使會(huì)使振鏡在X、Y二個(gè)方向維度范圍內(nèi)擺動(dòng),使輸出點(diǎn)掃描出圖文標(biāo)記信息。同時(shí),在信號(hào)的控制下聲光電源使聲光 Q開關(guān)產(chǎn)生所需要的頻率調(diào)制信號(hào),使連續(xù)的激光調(diào)制成非連續(xù)的激光脈沖,即可將掃描出的圖文標(biāo)記信息顯示在被加工工件上。