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激光加工之十大里程碑
作者:David A. Belforte    来源:Industrial Laser Solutions
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这是一项艰巨的任务——评选出在50年激光发展史暨40年工业激光材料加工史中的十大里程碑事件——因为可选的项目很多,且每一项都有被认可、受赞誉之处。但是对于这项工作,如果你抱着这样的信念,即这些里程碑事件曾经并将继续在激光市场的众多应用中发挥重要作用,那么评选工作就能变得简单一点。

评选的准则如下:新应用是否为工业激光加工带来新的突破;在其介入时期,该应用是否创造出主要的商业市场;以及相关激光设备的发展是否衍生了新产品制造技术。

前两种选择及最早期的商业化产品几乎同时在20世纪70年代初被发展成为商业化流程,都受到美国航天局太空计划的推动。其背后的需求是:微型的电子零件将被发射进入太空。

密封

电子继电器的密封由电子电路行业小型化的需求驱动,是在1973-1975年期间由多家美国激光公司使其商业化;Raytheon,GTE Sylvania,Holobeam和Korad公司当时都互相竞争(现在这些公司都已退出了激光业),试图从国防部和美国航天局的承包商手中获得早期的设备定单。

这些公司将科研的脉冲Nd:YAG激光器商业化,使用精密聚焦光束在薄壁继电器封装的边缘进行重叠的点焊(见图1),在可控的空气系统下进行密封,这是一项激光焊接低热输入的完美应用。

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图1、早期的微型电气继电器外壳
(Raytheon公司)

该激光系统首次于1973年在市场上销售,激光密封包装封口成为一个主要的业务,并衍生出今天的固体激光器用于可植入医疗设备密封的技术。此应用带来了更可靠的Nd:YAG激光器、精密的运动系统以及计算机过程控制。而且,更重要的是,促使设备供应商开始考虑制造能够在工业环境中生存下来的激光设备。

激光密封在工业激光行业发展中所扮演的角色,即使说它更重要也不过分。在这个应用建立之前,激光器一直被认为是种实验室设备,正在寻求商业市场;设备供应商简单地把这些实验室设备安置在工业环境中。而它们迅速成为了供应商的高级工业化单元,可以承担多班生产作业的严格要求。工业激光密封及下一个应用一起奠定了今天数十亿美元工业激光器市场的基础。

陶瓷基板划线

微型电子产品也有减少重量的需求,这创造了对更小的微电子基板材料的需求,以便在基板上组成复杂的混合半导体电路。被选择的材料是一种薄的、高纯度烧制氧化铝,易于在生产环境中进行加工。当电路沉积后,利用CO2脉冲激光器在芯片边缘划出一系列的小孔,将陶瓷板分割开来。操作工在划线后分割部件,以用于进一步的组装。

1968年,美国西电公司改进了该工艺使用的技术,1970年相干公司开始售卖低功率CO2激光器。1970年代末,一家名为Lasermation的费城加工车间第一次把经激光划片的陶瓷混合电路卖给贝尔电话公司。一年之内,Lasermation向100多家美国顶尖的电子公司销售了陶瓷混合电路。截至1974年,每天激光钻孔数量估计达20亿个。库尔斯(美国)公司等陶瓷制造商成了激光划片工艺的主力用户,到了这十年的最后阶段,许多合同加工车间都收到大量生产刻划基板的定单。1970年代末和1980年代初期,美国有超过12家加工车间每年生产出成千上万数量的基板。

从那时开始到现在,合同加工车间生产了数百万个基板。其中一家顶尖的车间——美国Laserage技术有限公司,开发出了一种激光打孔技术,允许大批量加工电气应用的通孔(见图2)。设备供应商如Photon Sources公司研发出了更好的控制硬件和软件,以便像Laserage公司这样的用户能利用多重光束处理技术,将光束分成4个加工光束,大大提高生产效率。从这项应用当中,激光设计得以进步,分光束技术提高了生产力,污水也得到控制,并发展出精密的高速运动系统。

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图2、激光钻孔和陶瓷基板划线
(Lumonics公司)

此项应用的一个分支——在1970年兴起利用Nd:YAG激光器切割硅晶片,源于Quantronix 公司推出的一种系统,采用1968年在贝尔实验室开发的一个概念。两个工艺的不同之处在于晶片切割采用连续的细线,而在氧化铝上利用间距很小的一系列钻孔。这两个工艺在后续都需要依赖手工来分离划线后的产品。

钣金切割

1967年,英国人Sullivan和Houldcroft发明了气体射流辅助喷嘴,加上从1970年开始激光成为一种金属切割的工具,钣金切割应用逐渐成为今日工业激光系统制造业中最大的收入来源。英国焊接研究所研发的喷嘴走向商业化,被介绍给潜在激光系统的工业用户,那一激光系统由德国Messer Greisheim公司和英国氧气公司开发,配有英国Ferranti公司出品的400W半封离式CO2激光器。之后激光功率增加到1千瓦,并被首次安装在英国伯明翰外的一家加工车间,开启了加工车间采用激光钣金切割的先河(见图3)。初次安装之后,全球范围内安装了超过75000台钣金切割系统,预计总价值超过450亿美元。激光钣金切割是目前为止应用最广的高功率工业激光加工技术。

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图3、英国一家加工车间用激光切割不锈钢

日本的主要贡献之一就是1985年天田公司研发的“净切削”,在此基础上,1986年又推出一款系统,能在3毫米的不锈钢上完成无氧化切割。后来在80年代末,德国通快公司采用射频激励CO2激光器开发出了惰性气体(熔合)切割。这些加工技术为高质量的金属切割打开大门,免去了二次加工,是一次重大的工业进步。

激光金属切割系统的供应商对许多广泛应用在不同行业的技术革新贡献了力量。其中包括:同轴气体射流喷嘴,自动高度感应和聚焦头分离装置,电脑控制的激光切割工艺,非活性气体辅助非铁金属切割,高速直线运动系统,高功率、更可靠的二氧化碳激光器,特别是射频激励和封离单元,远程视频现场支持,高速移动工作台和原料储存塔,自动喷嘴清洗,快速更换切割头,以及大量的其它系统和技术进步。

激光钣金切割在所有工业激光系统中创造的利润最大,有一半的年度收入来自该领域的激光设备销售。

涡轮叶片上的钻孔

第一个实用且增值的红宝石激光工业应用由Ted Maiman公司发明——在飞机发动机涡轮上的冷却叶片钻孔。由于这些引擎工作时温度上升,必须找到一种方法冷却刀片,以防止热损伤。通用电气公司在1970年完成了一项发明,他们使用了美国SpaceRays公司生产的脉冲红宝石激光系统,钻出一系列的小孔,让薄膜状的冷却气体流经叶片表面。1974年美国Raytheon公司生产出了多红宝石激光系统(见图4)。红宝石激光具有尖峰能量输出,是一种完美的钻小孔的方法,它唯一的缺点是缓慢的脉冲重复频率。此种激光系统后来被Raytheon公司生产的Nd:YAG 激光器取代,其具有较高的峰值功率和更快的重复率,从而成为该应用的首选激光器。

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图4、红宝石激光为涡轮叶片打孔
(通用电气公司)

因为激光打孔过程为脉冲固体激光器的发展带来挑战,设备供应商们研发出新的、更高效的固态激光器和多轴计算机控制处理系统。对易碎裂材料进行钻孔的时候,要求脉冲整形以控制好热量输入,冲孔技术能产生狭长平滑的深孔,而这需要用能量密度分布良好的圆形光束来实现。

从1970年代初期得到首次商业化安装以来,共有600多台自动化激光系统被安装在OEM制造厂,主要是分包商工厂当中。

该应用推动了许多激光技术分支的发展,包括:更高亮度的激光器,更可靠的激光器,精密多轴定位系统,快速且精确更换的夹具,计算机控制的光束聚焦,激光冲孔工艺,防止后壁冲击的穿透检测,成型钻孔程序以及飞行钻孔技术等。

拼焊板的激光焊接

具有良好的光束质量和可靠输出功率的高功率CO2激光器是用在汽车车身制造中钢板焊接的首选。第一次激光拼焊试验是在1981年的英国莱兰,而真正的使用是在1983年——德国汽车制造商奥迪需要足够大的金属板材冲压进轿车底盘,这次才是公认的首次关于激光拼焊板的生产。由于德国钢厂没有合适尺寸的钢板,Thyssen Steel公司采用Rofin Sinar 1.5千瓦CO2激光器将两块现有的钢板焊接在一起,以满足冲压所需要的尺寸(见图5)。因此诞生了激光拼焊的业务,现在全球各大汽车生产商广泛采用此技术加工的零部件。

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图5、激光焊接镀锌汽车底盘

1984年丰田公司震惊了全球的汽车业,该公司在凯美瑞车上推出了激光焊接五片式车轮挡圈,允许选择金属的厚度,以减少重量,从而能节省更多的燃料。由于汽车业对拼焊部件的需求逐年上升,兴起了一批生产拼焊板的分包商,他们需要购买更高功率(高达8kW)的CO2激光器。

激光拼焊用来设计和生产更轻、更节能的交通工具,贡献巨大。其将不同种类、厚度的钢材接合起来的能力使得设计师能够极大地提升车身设计;在最大限度减少标准组件数量的情况下,仍能满足严格的碰撞标准。

随着高功率(> 4千瓦)二极管泵浦Nd:YAG激光器和光纤激光器的推出,新一代的焊接系统正被安装在发展中国家市场中。迄今超过400台价值20亿美元的设备已被安装在世界各地的汽车装配厂中。激光拼焊的应用推动了在线焊接监控器和光束质量设备的发展,改善了激光器光束质量和机器人/激光系统。

从1984年以来,激光拼焊的应用呈逐年增长的趋势。例如,从2000年以来,约有价值18亿美元的激光拼焊板在世界各地生产出来。到2008年,一家美国供应商在17年期间,已为50 家车辆生产平台制造出多达9000万块的激光拼焊板。

心血管支架切割

具有良好聚焦能力的激光束在微处理应用方面极具吸引力。在此列举一个不同凡响的例子——该项技术给整个行业带来巨大的变革,随着全球市场需求的增加,从1992年开始它成为了首要的选择——它就是激光支架切割技术(见图6)。1993-1994年间,Lumonics公司生产的低分散度Nd:YAG激光器能成功进行支架切割的次数很有限,随后被Lasag单元所取代,后者成为该项应用中运用最普遍的激光器。

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图6、激光切割不锈钢管状支架的放大图
(Synova公司)

心血管支架是一种机加工结构,在球囊血管成形术治疗阻塞的静脉或动脉之后,心血管支架被放置到人体的血管中。通过激光切割薄壁管材而形成了支架,因此尽管通过激光移除了一部分多余的金属,仍然能够承受外力。为了减少残余热效应的影响,以及切割出无毛刺边缘的复杂设计图案,通常会选择一台脉冲固态装置,使用最多的是脉冲Nd:YAG激光器。

现在主要应用在医疗器械行业的支架切割,一直是推动高质量、可靠的工业激光器和运动控制系统发展的动力。闪光灯泵浦Nd:YAG激光器被二极管泵浦激光器所替代,接着碟形激光和光纤激光器抢占市场,后者现已经成为该项技术应用的首选。以先进的激光技术呈现的皮秒和飞秒激光器,正被考虑用来加工新的生物兼容性支架。今天已有成千上万的支架在全球生产。

此应用带来了一系列的进步,如:更高的可靠性,稳定的脉冲间隔,具备更高光束质量的固体激光器,对辅助气体更为成熟的控制,更简单和更强大的处理和控制软件,以及自动化上下料装置。

快速成型制造

快速成型或快速制造技术现在被称为添加制造(AM)。追溯到1987年,第一台商用的立体光固化成形装置SLA由美国加州的3D Systems公司推出并申请了专利。在加工过程中,从红外激光发出的光束通过电脑控制扫描,穿过光固化树脂粉末,使粉末熔化并硬化为一整块,这好比在三维零件上进行二维的切割。随着后续的新层建立,最终构成了一个三维的部件(见图7)。

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图7、通过快速成型制造的各种部件
(DTM公司)

到1990年,市场出现了若干竞争技术:选择性激光烧结,分层实体制造等,在发展中的工业服务市场相互竞争。最终,原始设备制造商接受了这项技术,特别是在SLS和SLM中应用材料的进步使制造原型零件成为可能。因此,此项技术推动了快速制造的发展,并在业内获得了高度认可。现在技术的进步使用户能够生产塑料零件、金属、陶瓷和复合材料。现在有20多个国际供应商提供激光烧结系统,另外还有一些亚洲公司提供立体光刻系统。据估计,世界各地共安装了数千台快速成型制造设备。

该项技术的业内专家Terry Wohlers曾估计2008年激光添加制造的产品和服务收入总计超过了7亿美元。

而服务供应商是添加制造技术最早的使用者,如今这项工作多是在大型企业的内部工厂生产完成。

Wohlers还估计一些国家每年将会安装至少100台或更多的添加制造设备,这些国家的GDP增长速度达两位数,比如中国(现在已经安装了2400台)、法国、德国和英国。刚开始接受这项新技术的国家,比如巴西、墨西哥和泰国,在2008年安装设备的增长率达到75%-100%。

该应用生产出了稳定、可靠、低成本的固态和低功率CO2激光器,强大的CAD系统与光束和零件移动系统兼容,并催生了新一代的激光可加工聚合物和用于生产此类零件的金属粉末。

微孔加工

通孔加工就是在覆盖于多层基板上的厚膜上钻孔,这样可以在层面之间实现电接触。在1971年美国西电公司工程师们发表的论文中,描述了用相干公司CO2激光器在陶瓷上钻小洞、产生传导通路的应用,这便是早期的通孔钻切应用。1974年西电公司在它的一个工厂中安装了Photon Sources生产的CO2小孔钻切系统,主要用于在薄膜双层电路上钻孔。

从这个开创性的加工开始,一个新的微孔钻切行业应运而生,数百台CO2、固态和准分子激光钻孔系统被安装于世界各地微电子工厂,每年都要钻上百万个通孔。图8显示了在多芯片组件钻出的25盲孔。

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图8、在多芯片组件上钻出25通孔
(Lumonics公司)

这项成功的应用为以下的技术进步做出了贡献,如:二氧化碳激光分束(从一个激光器中最多可以发射出四道光束),并行处理系统,更稳定可靠的脉冲二氧化碳激光器,用来防止镜片污染的气体辅助喷嘴,提高了生产力的自动上下料设备。这是最早出现的要求每天3班制加工且只需要低级别的技工操作的应用。

激光打标

就安装的数量而言,激光打标/雕刻是工业激光应用最大的领域,在全球安装了数以万计的设备。1960年代中期,激光制造商及其客户试着在一个固定的激光束下移动轴x和y轴方向的工件来完成块状字符的雕刻。激光打标通过利用振镜扫描Nd:YAG激光束的应用可追溯到1973,当时Korad公司开发了一个系统,采用的是5瓦的连续波钨卤素激光器,General Scanning公司的振镜扫描技术,采用的是卡尔蔡司平域镜头和一台PDP8小型电脑。1974年,Control Laser公司推出了一款晶圆打标机,配有30W 调Q型Nd:YAG激光器和西门子S319计算机。

其他几个激光供应商先驱曾成功开发了多例防盗标记的应用。其中最著名的一个例子就是运用Nd:YAG激光打标机在电动打字机底盘内部标刻上一系列数字,以保证不会被磨去产品身份编号。这样,用户改进了标记的质量和持久性,提高了生产效率,并减少了手工操作冲压模具。激光打标的这些特点沿用到了后来的激光打标应用中,比如,金属髋关节的打标(见图9)是为了标记保修书和追踪产品的情况,即使到今天也在使用这项技术。第一次的市场反应是在1978年,Control Laser公司收到了150台激光打标机的定单,用来对硬质合金嵌入式刀片和锯片进行打标。1982年Baasel Lasertech公司在德国汉诺威工业博览会上首次展出50W的Nd:YAG激光打标机。

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图9、人造髋关节上的激光雕刻模式标刻
(Quantrad公司)

与激光打标并行发展的是激光雕刻市场的兴起,1973年位于美国加州的光学工程学会的工程师们发明了网状掩膜,可以通过CO2激光束扫描将掩膜图案复制到一块木头上。

从这项工作中诞生了一个新的市场——木雕奖牌/礼品,带来了一个新的提供低成本雕刻系统的行业。今天有成千上万的雕刻机被广泛运用于世界雕刻产业。

激光打标/雕刻随着无数的激光技术的发展而成为两个不同的分支,随着技术进步,出现了低维护率的激光器,低功率光纤激光器,用户友好的编程软件,高速振镜扫描打标机,用于彩色打标的化学添加剂。二维矩阵码标技术对追踪应用产生了革命性的影响,特别是在身份证卡片制造领域。

标记/雕刻技术的应用推动了最可靠的激光系统在过去20年的发展;为长时间的生产应用所设置的标准创造了第一台商业化的激光标刻产品。今天,每年7亿美元的激光打标系统市场仍继续以每年20%速度增长,因为激光技术现在已经成为满足安全规定而进行序列号标记和实现追踪性的选择。

电路调制

1960年代末,美国贝尔实验室首次利用激光调制微电路,以满足电气性能的要求。1971年,Motorola公司应用Korad公司 Nd:YAG激光器和相干公司的CO2激光器,完成了一些利用激光进行电路微调的早期开发工作。1972年Teledyne公司和1973年Quantronix公司各自推广了激光微调系统。 ESI公司早期的自动化激光微调系统如图10所示。

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图10、Nd:YAG激光修整电阻材料(ESI公司)

该工艺使用了一束聚焦的激光束,通过蒸发去除沉积电路中的一段,这样一个冗余电路将取代之前从电路中切除的部分,使其符合与严格设计要求一致的电路特性。

这项早期的工作催生了一个产业, 推动了各项新技术和工艺的诞生,包括探测测量技术、晶圆和芯片加工、激光和加工的CNC控制等。从此,数以千计的复杂的电路调阻设备在许多公司被安装,至今仍有很多公司向世界各地提供该种设备。

从早期到现在,全球市场已经安装了约5000台激光调阻机,市场价值接近6亿美元。

其它应用

在所有重要的材料加工应用方面,较为突出的有:焊接铝窗口垫片,切割木模板,男装定制裁切,焊接吉列剃须刀片,汽车白车身的激光焊接和钎焊。以上的每一种应用都为自动激光加工系统的设计带来了新的突破,也为使用这些技术的行业本身带来革命性的影响。这些产品并不因为售出的数量较少而降低技术本身的重要性,也并不会减少它们对整个工业激光材料加工所做的贡献;如前所述,由于我们对标准进行了严格的规定,所以可以将选择的数量缩小到十个。

估计目前在全球制造业安装超过42万台工业激光系统,价值超过180亿美元。这是一个令人惊叹的数字,其根源可追溯至本文中提到的早期激光应用。而且,我们有这个责任去认可那些工艺和设备开发商为这一成就做出的贡献,以及那些“冒险家们”,正是他们购买了最早的激光加工系统。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (6/23/2010)
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