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制造业中的“科技之光” 10/21/2016 2:09:00 PM
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光学仪器展厅
显微镜, 金相显微镜, CCD摄像机, 水准仪, 光谱仪, ...
制造业作为人类的主要生产活动之一,不仅创造了巨量的物质财富,而且也是科技创新的主战场。光学技术作为人类的重要科技成就,同样也为制造业的进步做出了巨大贡献。

激光加工——工业制造的“多面手”

在工业制造领域,激光加工技术备受青睐。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性,对金属或非金属材料进行切割、焊接、打孔、表面处理以及微加工。计算机数控技术与激光加工系统的融合,更使得激光加工技术如虎添翼。

目前比较成熟的激光加工技术包括激光快速成型技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光热处理和表面处理技术等。激光加工技术在汽车、电子、电器、航空、冶金等工业领域应用广泛,极大地提高了产品质量和劳动生产率,并推动了这些工业领域的技术进步。

早期的激光加工大多局限于微型焊接或打孔。从20世纪70年代开始,随着大功率激光器的问世,激光加工技术获得了蓬勃发展。利用激光束进行工业加工,主要是利用了激光光能的热效应。从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上,其焦点处温度可达10000℃以上。在这样的温度下,任何材料都会在瞬间发生熔化或气化作用。这就是利用激光进行焊接、打孔和切割等加工的基本原理。

激光焊接适用于相同和不同金属材料间的焊接,尤其对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差大的金属焊接表现出很好的适应性。激光打孔具有精度高、通用性强、效率高、成本低等优点,已成为现代制造领域的关键技术之一。激光切割具有切口宽度窄、热影响区小、切口光洁度高、切割速度快等特点,并可切割成任意形状,因此具有很强的适应性。

激光快速成型技术是将激光加工技术与CAD/CAM(计算机辅助设计/制造技术的缩写)技术等相结合而形成的一项新技术,主要用于模具和模型行业。该技术可根据零件的CAD模型,用激光束将光敏聚合材料逐层进行固化,从而精确堆积成样件。因此,利用该技术不需要模具和刀具也能快速精确地制造出形状复杂的零件,这可使许多工业领域的新产品开发变得比较容易。

激光打标的应用领域也十分广泛。所谓激光打标是指利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使局部表层材料发生变化,从而留下永久性标记。激光打出的字符可大可小,这对产品的防伪具有特殊的意义。近年来发展起来的准分子激光打标,现在已广泛应用于微电子工业和生物工程。

激光表面处理是应用潜力很大的表面改性技术之一,特别适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。激光表面处理的内容很多,主要包括激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术、激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术等,这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等都具有重要的作用。如激光退火可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2~1/3, 还可大幅度提高集成电路的集成度。

光刻技术——智能制造业的“巅峰”

1958年,美国科学家基尔比成功地把电子器件集成在一块半导体材料上,从而制造出集成电路——20世纪最伟大的科技发明之一。现在,人类已能够把数十亿个器件装在一块芯片上,制成超大规模集成电路,使得电子设备体积小、重量轻、功耗低、可靠性好。在微芯片集成度飞速发展的背后,光刻技术起到了至关重要的作用,集成电路的断代史更是以光刻技术所能获得的线宽作为主要标志。

每一个微芯片的诞生,都需要经过光的“精雕细琢”。要把复杂的电路设计复制到硅片上,离不开光刻机的投影成像。光刻机就像是一台精密复杂的特殊照相机,是芯片制造中“定义图形”中最为重要的一种机器。光刻是利用光源发出的光来完成图形的复制和转移的。光源的波长越短,光刻的“刀锋”就越锋利,所得到的图形分辨率就越高。同时,光刻机还要求光源系统应具有足够的能量,因为能量越大,其曝光时间就越短。光刻机还要求曝光能量必须均匀地分布在曝光区。

光刻机是诸多现代技术高度集成的产物,在过去的20多年里经历了许多次革命,每一次的变革都加速了微芯片的不断缩小,从而推动着半导体技术遵从摩尔定律而前进。随着微芯片集成度的提高,开发新型短波长光源光刻机一直是国际上的研究热点。

光学之眼——为工业产品做“体检”

对工业生产过程以及产品质量的检测是一个专业性很强的工作,需要借助各种有效的技术手段。就拿工业无损探伤来说吧,这可是光学技术大显身手的“舞台”。

工业管道内窥镜可完成对人眼无法直接观察到的场所以及高温、有毒、有害场所的检测,并把检测情况实时地传递和记录下来。管道内窥镜一般由控制器、升降台、摄像头、电缆、爬行器、照明等部分组成。

工业X射线探伤机是一种应用极其广泛的射线检测机械。X射线探伤机利用了X射线能穿透物质并在物质中有衰减的特性,以此来发现金属与非金属材料及其制品的内部缺陷。焊缝中的气孔、夹渣以及未焊透等缺陷,都逃不过X射线探伤机的“眼睛”。利用X射线透照摄影的方法,从X射线胶片上可看出零件和焊点的内部缺陷,以此来评定产品的质量。

20世纪初期,光学金相显微术日趋完善,并广泛应用于金属和合金的微观分析,成为金属学领域的一项基本检测技术。金相显微镜最初主要作为金属学研究的必备仪器,用于鉴定和分析金属内部结构组织,这对于了解冶金过程,分析合金性能,以及进行冶金产品质量控制等都具有重要的作用。现在,金相显微镜已成为金属学、矿物学、精密工程学、电子学等研究的理想仪器。金相显微镜主要适用于电子、冶金、化工、仪器、仪表等行业,用于观察透明、半透明或不透明物体的组织形貌以及晶粒度的变化。

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