激光加工及其在工業中的應用
朱允明(澳門大學科技學院)
摘要
激光加工是機光電結合的一種現代高新技術，包括激光打孔、激光打標、激光切割、激光焊接、激光表面改性、激光切削及激光快速成形等各種加工及成形技術。
本文簡述了激光加工的特點，發展及現狀，各種類型激光加工技術及其在工業中的應用。本文還探討了在澳門開展激光加工技術應用的可行性並提出了幾點建議：宣傳示範，調查並引導工業的需求；集中投資建立激光加工示範中心，由中心協助工業部門開發應用該項技術；由澳大及示範中心培養一批專業技術人才及職業操作及管理人員。
Laser Material Processing and Its Industrial Application
Zhu Yun Ming(Faculty of Science and Technology, University of Macau)
Abstract
Laser material processing, as an advanced technology associated mechanical engineering with electronics and optics, includes laser drilling, laser marking, laser cutting, laser welding, lasermachining, laser surface modification and laser prototyping.
What introduce in this paper as follows: the characteristics, the status and development of laser material processing, the classification of laser material processing and their application in industries.
The feasibility of using laser material processing in Macau has been also discussed in this paper, and some ideas have been proposed as follows: to investigate and induce the demands from industries through promotion and demonstration; to establish a demonstration centre of laser material processing and then transferring the techniques to industries from this centre; to foster qualified personnels for development, operation and management by both University of Macau and the Center of Laser Material Processing.
Processamento de Materiais com Laser e a sua Aplicação Industrial
Zhu Yun Ming(Faculty of Science and Technology，University of Macau)
Sumário
O processamento de materiais com laser é uma tecnologia avançada que associa engenharia mecânica com electrónica e óptica e inclui furação, marcagem, corte, soldadura, maquinação modificação de superfícies e fabricação de protótipos feitos com laser.
Neste artigo, apresentam-se as características e o estado desenvolvimento do processamento de materiais com laser e a sua classificação e aplicação á Indústria.
A viabilidade do uso de processamento de materiais com laser em Macau é também discutida, sendo propostas algumas medidas:investigar e induzir a procura pot parte da Indústria através da promoção e demonstração;estabelecer um centro de demonstração de processamento de materiais com laser e proceder àtransferência de tecnologia apartir deste centro; fomentar o aparecimento, na Universidade de Macau e no referido centro de demonstração de processamento de materiais com laser, de pessoal qualificado para o seu desenvolvimento, operação e gestão.
一、概述
自60年代初激光問世以來，激光技術就被應用於材料加工。經過近30年的硏究、開發和應用實踐，激光加工技術已得到了突飛猛進的發展。
激光加工是利用激光方向性好和輸出功率密度高等特性，用聚焦裝置把激光束聚焦成具有極高能量密度的細小光斑。把它作爲一種熱源，從而對材料進行打孔、切割、打標、焊接、表面處理及車削等各種加工。其中以激光切割的應用最爲廣泛。
激光加工技術之所以能與傳統的加工技術挑戰與競爭，是因爲它具有以下一些特點：
1.激光加工的功率密度高達108~1010W/cm2，幾乎可以加工任何材料，包括諸如陶瓷、石英等硬脆材料。
2.激光加工所用的工具是激光束，爲非接觸加工，所以加工過程中沒有明顯的機械力作用，沒有工具損耗等問題。加工速度快、熱影響區小，加工精度較高。
3.能通過透明體進行加工，例如對眞空管內部進行激光焊接。
4.激光束的運動軌迹及其本身的各主要參數都可實現數字控制及計算機控制，具有極高的靈活性，特別在中小批量生產中，由於不用模具和夾具，因此生產周期短，加工成本低。
目前用於激光加工的激光器主要是CO2激光器和YAG固體激光器。工業用CO2激光器的功率一般爲10~5000W，可聚焦成最小直徑爲0.1~0.5mm的光斑。工業用YAG固體激光器一般不超過一千瓦，光斑可聚焦到50μ－200μ，它的特點是性能優越而且輕便。它的光束在光纖中的導向性好，可利用導光系統將光束導向多個工位，進行不同工件的加工。
激光光斑相對工件的移動，一般通過CNC系統控制光束運動或由CNC控制工作台作加工所需要的運動。根據這種原理製成的激光加工系統，隨着計算機技術，光纖技術的發展，近年來更趨向多功能化和智能化，出現了機光電綜合的激光加工機器人。
隨着科學技術的發展，需加工的零件也日趨複雜。爲提高加工裝置的靈活性和適應性，國外已開發了高性能激光複合柔性加工系統，採用計算機輔助設計和計算機輔助製造(CAD/CAM)以實現高度自動化的複合柔性加工。
二、激光加工的應用
由於激光技術是一種機光電結合的高新技術，是二十世紀科學發展的重要標誌之一，所以各主要工業發達國家都競相硏究與開發應用。材料激光加工是激光技術的重要應用領域，它佔了整個激光市場的28%左右，各主要工業國家都把它列爲重點發展的高技術產業。
八十年代初、中期，激光加工市場幾乎是由美國獨家壟斷。但由於西歐和日本的迅速崛起，當今世界在激光加工領域中已形成美國、日本和西歐三足鼎立的局面。我國在激光方面的硏究，起步僅遲於其誕生地，美國，一年，而且具有較高水平。但在激光加工，尤其是產業化方面，進展緩慢。近年來，經過“六五”、“七五”、“八五”等攻關計劃的實施，取得了一大批較有水平的科硏成果，現正向激光加工產業化方面邁進。目前，已有七條左右的激光加工生產線在工廠中得到應用。
當今，激光加工技術在各主要工業國家的應用情况可槪括如下：
(1)激光打孔
激光打孔在國外應用極廣，它可在不同材料上加工各種小孔，甚至微孔。目前激光打孔的孔徑可小到幾個微米，徑深比可達50:1。激光打孔旣廣泛用於金剛石模具、鐘錶寶石軸承、陶瓷、橡膠及塑料等非金屬材料零件的打孔，也大量用於飛機、汽車元件的打孔和發動機零件的油孔加工。激光打孔設備在我國發展較爲成熟，目前主要用於寶石軸承和金剛石拉絲模的打孔。(圖1)
(2)激光切割
激光切割是當今各國應用最多的激光加工技術。激光切割的特點是，切縫窄，切割邊緣質量好，切割速度快，切割成本也不高。它的切割範圍除金屬以外，還包括、玻璃、陶瓷、石英等硬脆材料和木材、布料及包裝紙等各種軟性材料。
目前，國外許多汽車製造廠採用激光切割製造零件。例如，汽車公司經常用CO2激光器切割形狀複雜的各種表面覆蓋件。有些汽車公司還用由計算機控制的激光加工系統，從毛坯上切割出平整的模具和汽車零件。更先進的技術是應用激光加工機器人在汽車的整體覆蓋件上，一次集中切割出全部窗戶等開孔。在國內如天津激光所和上海激光所，對外服務都以切割爲主，年效益都已在百萬元人民幣以上(圖2)
(3)激光打標
激光加工中另一個極大的用途是在各種物體上刻劃型號、文字及圖案等標記。一般，由微機根據預先編制好的圖案文字，控制激光束在材料表面按規定軌跡掃描來完成打標。YAG打標機刻字速度可高達1000m/s，准分子激光打標機可在陶瓷電容器上打出0.3mm高的字符，每小時可刻10萬隻電容器。(圖3)
(4)激光調阻
在很多電路中應用的薄膜及厚膜電阻的阻値都要求十分精確，遠非現有的製造工藝所能達到。
激光調阻就是利用激光束，在膜片上刻劃一定軌迹的槽以修正膜片的電阻値，激光調阻是非接觸式加工，激光束可聚焦得很細，所以加工精度很高，重覆精度也好。激光調阻速度快、效率高，而且易於實現整個過程的自動化。
激光調阻還可用於電子線路或電子器件的功能微調，如對有源濾波器的中心頻率、帶寬和增益的微調，對運算放大器的失調電壓進行微調等。
(5)激光焊接
激光焊接的特點是，速度快、焊點小、焊縫窄、熱影響區小、焊接變形小和精度高。激光焊接過程中不與焊接材料接觸，所以能焊接難於接近的部位，而且還可通過透明材料進行焊接。除普通金屬材料以外，它能焊接絕緣體，各種有色金屬，也能焊異種金屬。
激光焊接除廣泛用於汽車工業和各種輕型構件的製作以外，它也適用於精密焊接，如集成電路內外引線的焊接，熱電偶的焊接，鐘表、儀表游絲和金銀首飾等的焊接。(圖4)
(6)激光表面處理
激光表面處理的目的是，通過處理，改變表層材料的組織結構，以獲得工業應用對零件表面所要求的多種性能，諸如耐磨性及抗蝕性等。
激光表面處理有很多種方法，以下列舉幾種主要的方法：
a)激光相變硬化利用激光束對金屬表面進行掃描，使金屬表層通過加熱及快速冷卻，得到相變硬化。
b)激光熔敷通過激光加熱熔化，在普通材料表面塗敷一層高性能的合金材料。
c)激光合金化用激光熔化塗敷於材料表面的合金元素，使與基體熔合爲表面合金層。
d)激光表面退火主要用於對半導體基片退火，使擴散雜質再分佈。
激光相變硬化是我國在激光加工中硏究最早、進展最快的一項新技術，上述在我國應用的七條激光加工生產線中，有五條是激光相變硬化的生產線。零件經過激光表面處理後，性能會有很大提高。例如，北京三千多台進口汽車的缸體，在大修期間進行了激光硬化處理，其萬公里磨損僅及新豐田車缸體磨損的一半。爲此，首都汽車公司確認缸體經激光處理後大修里程可延長到20萬公里。
(7)激光车削
近年來，激光加工已擴展應用到三維零件的車削加工、用軸向激光束加工孔，用徑向光束切割圓柱形工件。美國福特汽車公司和麻省理工學院已合作硏製出1200WCO2激光車床。
(8)激光快速成形技術
激光快速成形是綜合利用激光、數字控制、CAD和新型材料四方面技術而形成的一種從槪念設計到三維實體模型，製造一體化的新技術。
激光快速成形是運用分層製造的原理採用分層堆積的方式快速製造零件，它不同於傳統的整體製作零件的方式↓9激光快速成形是先由CAD軟件設計出所需的三維電子模型，然後將其按一定的厚度進行分層，將分層的信息傳給數控系統。這時，一種特定的激光束在計算機控制下，按照分層信息所確定的軌迹，在光聚合物或片狀材料或固體粉末上進行掃描，使之固化或切出一個平面的模型。利用一套升降機構，進行層層加工堆積，最後就得到一個高精度的三維實體零件。圖5圖6分別爲激光快速成形的示意圖及簡單的流程圖。
激光快速成形的特點是，不用工模具，可製作任何複雜形體的原型，它的成形速度快，操作簡單。因此，它從1986年誕生之日起，迄今已得到了廣泛的應用，特別是在航空，汽車及家用電器等工業中。根據這種分層製造的原理現已開發出許多不同的方法，如立體印刷(SLA)，分層實體製造(LOM)、激光燒結(SLS)等。
綜上所述，可以看到激光加工技術，它本身是一種機、光、電、材料等多種學科交叉的高新技術。反過來，它又像一個萬能工具，可應用於上述各種類型的加工。激光加工技術的發展，正使傳統的製造技術蘊釀着一場新的革命。因此，要想使工業的發展能跟上時代的步伐，激光加工技術的開發和應用實在是必不可少的。
三、應用於澳門的可行性探討
對於澳門這樣一個工業基礎比較薄弱的地方，有無必要和可能開發應用這種高新技術呢？回答是肯定的。
首先，它的開發和應用是必要的。由於激光加工技術覆蓋了多種製造技術，其應用範圍極廣，包括了輕工業、電子工業及重工業各個領域，即使在工業基礎薄弱的地區，仍可有許多應用需求。例如，我們澳門大學這兩年與北京淸華大學及澳門寶法德玩具公司合作，對激光成形技術如何應用於玩具原型的製作方面進行了有益的探索。我們代替了傳統的手工操作，採用CAD/CAM先後製作了幾種玩具汽車車身及底盤的原型，並進行了裝配。試驗結果基本上得到了工廠的認可，展示了今後的應用前景(圖7)
再如，我們1994年瞭解到澳門市政廳準備投資製作一批新門牌的消息後，我們也探索了用激光打標製作澳門門牌的可能性。我們採用了CAD/CAM的方法，在多種色彩的不銹鋼上刻劃出了市政廳所要求的文字、數碼及花邊圖案。這種製作具有速度快及成本低等特點，可望今後得到應用。
其他，如汽車大修時，汽缸體的激光表面處理……等都可以在澳門找到其應用場所。
當然，更重要的還應着眼於澳門工業未來的發展。
其次，它的開發和應用是可能的。有無可能在澳門得到開發和應用，其關鍵在於如何根據澳門的實際，進行規劃和部署。以下試提幾點粗淺看法：
(1)激光加工是一門綜合學科技術，其硏究、開發和應用的時間還較短暫，很多工廠、企業及有關技術人員往往對它的應用範圍及優越性還不十分瞭解。爲此，開始階段必須要作大量的示範及宣傳，通過它來調查並引導有關工廠企業對這種技術的實際和潛在的需求。
(2)由於激光加工應用了多種技術的設備，所以不僅它的一次投資費用稍高，而且要有一批專門人才進行運作和進一步開發。一般說來，一個工廠或企業，尤其是澳門的中小企業，很少會願意投資購置這些高新技術裝備，當然更不可能有現成的專業技術人才。一旦激光加工系統建成投產後，由於加工效率極高，也決不是澳門一個工廠企業的生產任務所能滿足的，所能喂飽的。所以即使在發達國家也往往採用由國家和政府集中財力，人力在大學或硏究所建立激光加工中心。由該中心集中爲一個地區的工廠企業服務，同時中心本身再作進一步的硏究和開發。在條件成熟時，也可把技術移植給有關工廠。這種模式同樣也十分適用於澳門。
結合澳門實際，這個中心最好由政府投資，爲澳門及鄰近地區的敎學、科硏和工業生產服務。委托澳大承擔並執行這項任務。
(3)高新技術開發和應用的關鍵還在於人才。澳門大學科技學院和所設激光加工示範中心可有計劃地，從理論和實際兩方面爲培養澳門的激光加工專業人才和操作及管理人員作出貢獻。
