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激光制造技术的发展趋势 |
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作者：北京工业大学激光工程研究院 左铁钏 陈继 |
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从原理上说，激光能适应任何材料的加工制造，尤其在一些有特殊精度和要求、特别场合和特种材料的加工制造方面起着无可替代的作用。本文综合评述了激光制造系统的发展以及激光制造技术在现代产业中的地位。在分析国外研究动向的基础上，指出激光制造技术的发展趋势将重点定位在微结构、微刻蚀、微工具以及多功能性微技术、微工程的研究与开发上。可以预测，三维微纳尺度的激光微制造技术必将成为新世纪的主流制造技术。
前 言
自1960年第一台激光器问世以来，激光的研究及其在各个领域的应用得到了迅速的发展。其高相干性在高精密测量、物质结构分析、信息存储及通信等领域得到了广泛应用。激光的高单色性，可在光化学领域对一些相距很近的能级作选择激发，进行重金属的同位素分离；激光的高方向性和高亮度可广泛应用于加工制造业（大到航天器、飞机、汽车工业，小到微电子、信息、生物细胞分离等微技术）。随着激光器件、新型受激辐射光源，以及相应工艺的不断革新与优化，尤其是近20年来，激光制造技术已渗入到诸多高新技术领域和产业，并开始取代或改造某些传统的加工行业。
激光制造技术包含两方面的内容，一是制造激光光源的技术，二是利用激光作为工具的制造技术。前者为制造业提供性能优良、稳定可靠的激光器以及加工系统，后者利用前者进行各种加工和制造，为激光系统的不断发展提供广阔的应用空间。两者是激光制造技术中不可或缺的环节，不可偏废。激光制造技术具有许多传统制造技术所没有的优势，是一种符合可持续发展战略的绿色制造技术。例如，材料浪费少，在大规模生产中制造成本低；根据生产流程进行编程控制（自动化），在大规模制造中生产效率高；可接近或达到“冷”加工状态，实现常规技术不能执行的高精密制造；对加工对象的适应性强，且不受电磁干扰，对制造工具和生产环境的要求低；噪声低，不产生任何有害的射线与残剩，生产过程对环境的污染小等等。因此，为适应21世纪高新技术的产业化、满足宏观与微观制造的需要，研究和开发高性能光源势在必行。目前正在积极研制超紫外、超短脉冲、超大功率、高光束质量等特征的激光，尤其是能适应微制造技术要求的激光光源更是倍受关注，并已形成国际性竞争。可以预言，激光制造技术必将以其无可替代的优势成为21世纪迅速普及的高新技术。
1 激光制造系统发展
用于制造业中的激光系统即激光制造系统，一般由激光器、激光传输系统、激光聚焦系统、控制系统、运动系统、传感与检测系统组成，其核心为激光器。
激光作为热源或光源（能量）是激光制造中的“刀具”或“工具”。该“刀具”或“工具”的质量直接影响着加工制造的结果。激光光束质量的好坏可以采用光束远场发散角、光束聚焦特征参数值Kf和衍射极限倍因子M2(M)或光束传输因子K值来表示。对小功率激光器，工作物质均匀稳定，一般可以实现基模输出，其光束横截面能量分布为高斯分布，且在传输过程中保持不变，光束质量较好；对于大功率激光器，一般不易得到基模输出，输出的往往为多模激光束，激光光束质量变差（如图1）。目前工业上常用的大功率激光器有CO2激光器和YAG激光器两种。大功率激光器的工业应用领域很广，激光切割、激光焊接都需要优良的光束质量，而追求高光束质量的大功率激光是工业用激光器不断发展的目标。
从1964年第一台CO2激光器出现到现在，经过近四十年的发展，从封离式CO2激光器、慢速轴流CO2激光器、横流CO2激光器，到高频罗兹泵型快速轴流、射频turbo型快速轴流以至目前出现的扩散型Slab CO2激光器的发展中可以看到,一方面激光输出功率不断提高，体积不断缩小，另一方面激光器的效率不断提高，光束质量越来越好。扩散型Slab CO2激光器光束横截面上光强分布接近高斯分布（如图2），具有极好的光束质量，在加大的激光加工工作区焦点的漂移很小，非常有利于大范围激光传输与聚集，这对大尺寸工件的切割应用非常重要。
工业用固体YAG激光器也经历了从小功率灯泵浦（棒状）、灯泵浦（板条）、双灯泵浦（多棒）到光纤泵浦（棒状）、半导体泵浦（棒状）和片状固体激光器的过程。由于受工作物质热物理性质的制约，YAG激光光束质量模式相对较差。如何提高光束质量和激光功率，仍是YAG激光器面临的主要问题。
值得注意的是近年来发展起来的半导体激光器。半导体激光器具有小型化、频率极高、与光纤良好耦合、易于调制等优良特性，因而具有广阔的应用前景。
要在不同产业中广泛应用激光制造技术，很大程度上要依赖于激光加工系统的性能与工艺。欧、美、日一些国家在新光源、加工系统及工艺等方面的研究与开发就从未降温过。随着激光工作物质的研究与开发、器件与单元技术的改进和创新，以高性能、宽波段、大功率为特征的激光取得了蓬勃的发展，如紫外光输出的KrF、ArF准分子激光器、倍频激光器等。尤其是高功率光纤激光的出现，使激光制造的移动式定位加工变得更加便利。
2 激光制造技术应用
激光制造技术与传统的制造技术相比，其突出的优势主要体现在以下几个方面：
（1）特种材料特殊要求的加工
激光焊接与大多数传统的焊接方法相比具有突出的优点。激光能量的高度集中和加热、冷却过程的极其迅速，可破坏一些难熔金属表面的应力阈值，或使高导热系数和高熔点金属快速熔化，完成某些特种金属或合金材料的焊接，而且在激光焊接过程中无机械接触，容易保证焊接部位不因热压缩而变形，还排除了无关物质落入焊接部位的可能；如果采用大焦深的激光系统，还可实现特殊场合下的焊接，比如，由软件控制的需隔离的远距离在线焊接、高精密防污染的真空环境焊接等；在不发生材料表面蒸发的情况下可熔化最大数量的物质，达到高质量的焊接。以上特点是传统的焊接工具与方法很难或完全不能做到的。目前，在汽车、国防、航空航天等一些特殊行业，已普遍采用激光焊接技术2。例如欧洲一些国家，对高档汽车车壳与底座、飞机机翼、航天器机身等一些特种材料的焊接，激光的应用已基本取代了传统的焊接工具和方法。
（2）特殊精度的加工制造
这里指的高精度除通常意义下的精确定位外，主要还体现在材料内部热传导效应量级上的控制。激光的显著特点之一，就是可采取连续和脉冲方式输出。以固体的钻孔与切割为例，激光能量高度集中，以及加热、冷却速度快的特点可实现传统技术达到的普遍要求，加工属热化学过程。这里要突出的是，通过脉冲式激光辐射可达到接近“冷”加工的光化学动力过程。一方面选择脉冲的时间宽度，使得材料内的热传导过程和热化学反应来不及发生；另一方面通过控制激光的功率密度和脉冲计数，按要求达到确定的去除深度，从而实现高精度的“线”切割和“点”钻孔加工。欧美一些国家在许多特殊要求的领域和产业中已普遍采用这种脉冲光制造技术。
（3）微细加工制造
激光微细加工技术最成功的应用是在20世纪后半叶发展起来的微电子学领域。激光微细加工作为微电子集成工艺中的单元微加工技术之一，现已形成固定模式并投入规模化生产中。除此之外，能突显其优势的领域还有精密光学仪器的制造、高密度信息的写入存储、生物细胞组织的医疗等。选择适当波长的激光，通过各种优化工艺和逼近衍射极限的聚焦系统，获得高质量光束、高稳定性、微小尺寸焦斑的输出。利用其锋芒尖利的“光刀”特性，进行高密微痕的刻制、高密信息的直写；也可利用其光阱的“力”效应，进行微小透明球状物的夹持操作。例如，高精密光栅的刻制（精密光刻）；通过CAD/CAM软件进行仿真图案（或文字）和控制，实现高保真打标；利用光阱的“束缚力”，对生物细胞执行移动操作（生物光镊）。值得一提的是，高密度信息的激光记录和微细机械零部件的光制造。无论是数字记录或是扫描记录，还是图像与文字的模拟记录，激光记录方法(光刻)都具有特别的优势并取得了重要突破，以数字记录为例：①信息记录密度高（107～108bit/cm2以上），刻录槽宽0.7μm、深0.1μm，比磁记录密度提高两个数量级以上；②记录、检索、读出速度快，单波道达50Mbit/s，多波道可达320Mbit/s；信息的检索和读出速度远远小于1秒；③成本低、使用寿命长。在微细机械零部件的光制造方面，最近几年国外已将其列为攻关项目，成为未来高新技术前期研究的热点。日本采用激光技术，制造出微米量级的三维“纳米牛”，这说明日本在微纳量级的三维激光微成型机制上已经取得了巨大的进展。北京工业大学激光工程研究院应用准分子激光，通过掩模方法，已经加工出10齿/50μm和108齿/500μm的微型齿轮。
（4）高效的自动流程加工制造
由于激光输出的可控制性，使激光制造过程能够通过软件实行自动化流程的智能控制。根据生产性质的需要，既可实行加工台的定位控制亦可通过激光的光纤传输实行加工头的机器手定位控制，从而实现高效的自动化、智能化激光制造。比如，汽车车身覆盖件的三维定位切割、车身骨构架的焊接、齿轮盘及其他零部件的焊接加工等，已形成激光加工、组装一条龙的生产线。
图1 激光加工汽车组装生产线示意图
3 激光微制造将成为新世纪高新技术产业的主流技术
诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman早在50年代末就曾预言，制造技术将沿着从大到小的途径发展，即用大机器制造出小机器，用这种小机器又能制造出更小的机器，并由此在微小尺度领域制造出一代代的批量加工工具。科学技术的革命证实了Feynman的预言。微电子技术的出现就是最有说服力的例子，从集成到大规模集成到超大规模集成技术的迅猛发展中，已经显示出未来的制造技术必将沿着“越来越小”的方向进军。20世纪把电子技术的主要功能高度集成在一起，形成了世纪标志的高技术产业，并渗透到人类活动的各个领域。21世纪则是多门学科的集成技术，即把微电子、微光学、微机械以及传感器、执行器的信号处理单元集成在一起的微纳制造和微系统技术。微纳制造技术与功能微系统将成为21世纪高新技术与产业的里程碑，其发展将使人类在认识和改造自然的能力上达到一个新的高度，导致人类生活和社会物质文明及科学技术的巨大变革。
美国在80年代末就意识到微纳制造技术与微系统研究的紧迫性，强调美国“应该在这样一个新的重要技术领域与其他国家的竞争中走在前面”，并启动了第一个研究计划。进入90年代后，日本也开始实施为期10年、总投资为250亿日元的“微型机械技术”大型研究开发计划。为寻求适应微系统制造的三维结构精细微加工的技术途径，欧共体组织了德国汉诺威激光中心和法国、瑞士、意大利等国的相关科研机构，进行合作开发研究。目前在微纳制造技术上已经形成国际性竞争，已经开始新世纪高技术产业全球市场的争夺战。
目前的研究进展也已经显示，激光微技术是有发展潜力的三维微制造技术，将可能成为微系统制造的主流技术之一。德国国家教研部从2002年开始，出台了为期五年的光学资助计划，其中重要的一项内容就是激光微制造技术的研究。该计划仅2002年的资金投入就是0.478亿欧元，后续几年的投入按一定比例递增。德国采取分解式的单元技术研究，在光的微制造与微纳技术的硬件方面，五年研究规划的目标定位在新的激光光源和超精细聚焦系统上，达到150～0.1nm光谱范围的超紫外输出和能越过衍射极限、分辨率小于100nm的高重复性近场透镜。
微纳光制造及其相关技术，是当前国际竞争的主要领域，微电子产业的规模和技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志之一，激光微技术将在这个领域发挥更大作用。我国在现代光制造发展方面，机遇与挑战并存，我们要抓住机遇，迎接新世纪光制造时代的到来。 (end)
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(10/12/2006) |
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