激光精密加工技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

激光精密加工

 激光由于其優(yōu)良的光束特性，自誕生以來，就在工業(yè)加工領(lǐng)域起著非常重要的作用，并且不斷地深入到工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，以其獨特的優(yōu)越性，成為未來制造業(yè)的重要加工手段，被譽為21世紀！的加工技術(shù)。

    激光精密加工是利用高強度的激光束，經(jīng)光學系統(tǒng)聚焦后，激光束的功率密度達到104~1011W/cm2，加工工件置于激光束焦點附近，通過激光束與加工工件的相對運動來實現(xiàn)對加工工件的熱加工，加工精度一般在幾微米到數(shù)十微米。

    激光束可以聚焦到很小的尺寸，所以特別適合于精密加工。激光精密加工所用激光器為各種脈沖或調(diào)Q固體激光器，半導(dǎo)體激光器，脈沖Nd？YAG激光器以及最近幾年開始不斷推廣的光纖激光器和紫外激光器等。各種脈沖激光器的聚焦光斑很小，功率密度很大，工件加熱范圍小，加工精度和定位精度高而且熱影響區(qū)小。與一般的機械加工相比較，激光精密加工具有許多優(yōu)點：

    (1)加工的對象范圍廣，幾乎所有的金屬材料和非金屬材料如鋼材、耐熱合金、陶瓷、寶石、玻璃、硬質(zhì)合金及復(fù)合材料都可以加工。

    (2)加工精度高，在一般情況下均優(yōu)于其他傳統(tǒng)的加工方法，如電火花加工、電子束加工等。

    (3)屬于非接觸加工，無工具磨損，熱影響區(qū)和變形很小，因而能加工十分微小的零部件。而且激光束能量可控制，移動速度可調(diào)。

    (4)自動化程度高，可以用計算機進行控制，加工速度快，工效高，可很方便地進行任何復(fù)雜形狀的加工。

    (5)大部分激光器可與光導(dǎo)纖維系統(tǒng)組合使用，具有革新性的纖維傳送系統(tǒng)與激光器結(jié)合大大增加了激光加工系統(tǒng)的方便性與靈活性，這種組合系統(tǒng)對于工業(yè)上的多工作臺同時加工及機器人或機械手操縱非常理想。

    綜上所述，激光精密加工技術(shù)具有許多傳統(tǒng)加工方法不可比擬的優(yōu)越性，其應(yīng)用前景非常廣闊。

    2激光精密加工設(shè)備簡介

    目前，用于激光精密加工的激光器主要有中、小功率的Nd？YAG激光器、準分子激光器、光纖激光器、固體紫外激光器等。最近幾年，光纖激光器、紫外激光器得到了非常迅速的發(fā)展。在國內(nèi)，中國科學院上海光學精密機械研究所研制的摻鐿雙包層光纖激光器輸出功率連續(xù)獲得突破；各種波段的紫外激光器也已突破毫瓦量級，正在向?qū)嵱没~進。在國外，百瓦級、千瓦級光纖激光器已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并在工業(yè)領(lǐng)域獲得了較廣泛的應(yīng)用，各種波段的小功率紫外激光器也獲得了應(yīng)用。據(jù)文獻報道，目前國外已經(jīng)研制成功了實用化、緊湊型266nm深紫外光源，例如：美國AppliedMaterialCO.采用LD陣列泵浦Nd？YAG晶體產(chǎn)生1064nm基頻光，然后，通過四倍頻方法獲得了輸出功率為3W，波長為266nm的連續(xù)激光，可實現(xiàn)對透明工件或光澤金屬的激光精密加工和標識。

    3激光精密加工的應(yīng)用現(xiàn)狀

    激光精密加工技術(shù)已成功地應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中，如激光微調(diào)、激光精密打標、激光精密切割、激光精密打孔及激光精密焊接等，是目前加工方法中最先進的加工手段。

  激光微調(diào)

    激光微調(diào)是利用激光可聚焦成很小的光斑，能量集中，有選擇地汽化部分材料來制造微電子元件的一種方法，目前制造電阻、電容的方法往往達不到所要求的誤差范圍，如厚、薄電阻和片狀電容。用激光對電阻、電容進行精密微調(diào)，加工時對鄰近的元件熱影響極小，不產(chǎn)生污染，易于計算機控制，具有速度快、效率高、可連續(xù)監(jiān)控等優(yōu)點，與常規(guī)微調(diào)方法相比，還具有精度高、再現(xiàn)性好和阻值不隨時間變化的特點。

    激光微調(diào)技術(shù)可對指定電阻進行自動精密微調(diào)，精度可達0.01%~0.02%，比傳統(tǒng)加工方法的精度和效率高、成本低。激光微調(diào)包括薄膜電阻(0.01~0.6μm厚)與厚膜電阻(20~50μm厚)的微調(diào)、電容的微調(diào)和混合集成電路的微調(diào)；據(jù)估計全世界有超過5000臺激光調(diào)阻機在各生產(chǎn)線上工作。

    2激光精密打標激光精密打標技術(shù)是采用計算機控制高能量的激光束，按設(shè)定的軌跡作用于金屬器件等需要進行標記的工件表面，使表層材料達到瞬間汽化，刻蝕出具有一定深度的文字、圖案等，從而在物件表面留下永久性標記的一種熱加工技術(shù)。

    激光精密打標作為新一代雕刻方法，它的到來，將是完全取代傳統(tǒng)標記方式(如噴碼、腐蝕、電火花、沖壓、絲印等)的最好方法，它不但擁有高速的效率，而且加工出來的效果是以前那些老方法完全做不到的。目前，激光精密打標主要應(yīng)用在食品、PVC管材、醫(yī)藥包裝材料(HDPE，PO，PP等)打標、柔性PCB板打標、劃片，金屬或非金屬鍍層去除。圖1和圖2為利用大族激光M355型紫外激光打標機加工的PCB板劃片樣品和鍍金件打標樣品照相圖，加工精密比傳統(tǒng)的標記方法大大提高。

    3激光精密切割

    激光精密切割是利用經(jīng)聚焦后的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)將工件割開的一種方法。與傳統(tǒng)切割法相比，激光精密切割有很多優(yōu)點。例如，它能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘渣、熱影響區(qū)小、切割噪聲小，并可以節(jié)省材料15%~30%。由于激光對被切割材料幾乎不產(chǎn)生機械沖力和壓力，故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切縫窄，所以特別適宜于對細小部件作各種精密切割。目前，國內(nèi)在激光精密切割方面的研究已經(jīng)達到了比較高的水平，作者用光纖激光器切割不銹鋼薄板，獲得了縫面光滑、熱影響區(qū)小、縫寬小于18μm的切縫。

    激光精密切割的另一個典型應(yīng)用就是玻璃的切割，對于玻璃的切割如果采用CO2激光器進行切割，由于CO2激光器的波長太長，使得切縫縫面粗糙，達不到精度要求；而Nd？YAG激光器的波長對玻璃是透明的，根本無法切割；采用266nm超短波長的深紫外激光作為光源，實現(xiàn)了精度小于0.1μm的激光精密切割要求。

    4激光精密打孔

    隨著技術(shù)的進步，在很多工業(yè)應(yīng)用場合傳統(tǒng)的打孔方法已不能滿足要求。例如在堅硬的碳化鎢合金上加工直徑為幾十微米的小孔；在硬而脆的紅、藍寶石上加工幾百微米直徑的深孔，在塑料薄膜上加工出整齊劃一、孔徑均勻且孔徑為幾十微米的規(guī)則排列的小孔等，用常規(guī)的機械加工方法無法實現(xiàn)。而激光束的瞬時功率密度高達108W/cm2，可在短時間內(nèi)將材料加熱到熔點或沸點，在上述材料上實現(xiàn)打孔。

    在國外，有報道，美國ART公司研制了一種三坐標激光微細加工中心，對氧化鋁、碳化硅等硬脆材料進行激光打孔，獲得直徑小于70μm，深75μm的小孔，對壓電陶瓷打孔，甚至獲得了直徑僅20μm、高15μm的小孔；在國內(nèi)，華南師范大學激光加工技術(shù)實驗室利用50W光纖激光精密加工系統(tǒng)制造化學泵，在0.05mm厚的塑料薄膜上加工出了孔徑均勻且孔徑為40μm的小孔群，完全滿足產(chǎn)品的要求；俞君等利用紫外鉆孔機在厚度為0.05mm的銅片上鉆小孔，通過實驗獲得了圓度和邊緣質(zhì)量高，孔徑為10μm的小孔。

    3.5激光精密焊接激光焊接是利用激光作用在金屬表面上產(chǎn)生瞬時熔化而連接金屬的一種焊接工藝，許多電子元器件在生產(chǎn)制造過程中需要多種焊接，由于元器件不斷向小型化發(fā)展，要求焊點小、焊接強度高、焊接時對周圍熱影響區(qū)小。傳統(tǒng)的焊接工藝難以滿足要求，而激光焊接則可以實現(xiàn)。顯像管電子槍組裝采用激光點焊工藝后，質(zhì)量和成品率大大提高，目前彩色顯像管生產(chǎn)線幾乎都裝備有脈沖激光點焊機。激光焊接也成功地應(yīng)用于微電子儀器殼體的密封縫焊，不必擔心加熱對儀器造成破壞。工件按工藝要求經(jīng)激光焊接后可以獲得沒有氣泡的焊縫，從而實現(xiàn)微型器件外殼完全密封的焊接，如小型航空繼電器采用激光密封焊工藝后，其泄漏率降低。脈沖YAG激光加工系統(tǒng)是進行精密焊接的理想設(shè)備。在微電子技術(shù)裝配操作中，廣泛應(yīng)用激光加工的領(lǐng)域是微型電路元件的焊接，包括引線與印刷電路板的連接，引線與硅板觸點的連接，細導(dǎo)線與薄膜的釬焊，集成電路和共面引線與印刷電路板的連接。例如日本電子工業(yè)界應(yīng)用激光點焊進行雙層電容器內(nèi)鋰電池的接線端與引線的連接，測得的激光焊接部件的平均連接強度比傳統(tǒng)的電阻焊接的強度高兩倍。

    由于激光可以產(chǎn)生真正的熔焊，使接觸點各方面的材料熔化混合。無線電電子設(shè)備的工作可靠性取決于線路連接的可靠性，激光焊接對某些形式的線路連接最為實用，有時甚至是唯一可行的。激光焊接能在其作用區(qū)域內(nèi)以不同的脈寬和重復(fù)頻率進行連續(xù)式、脈沖式加工，并且很容易控制激光參數(shù)，不產(chǎn)生過熱，這在半導(dǎo)體器件和集成電路的生產(chǎn)中有重要意義，激光焊接過程中由于無機械接觸，不會產(chǎn)生壓縮變形，并且排除了異物落入被焊零件的可能，這正是電阻焊、氬弧焊和等離子焊中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象。

    4激光精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

    穩(wěn)定、可靠、安全、高效、廉價是激光精密加工技術(shù)在工業(yè)加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。未來激光精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)以下幾個特點：

  1設(shè)備更加小型化

    設(shè)備小型化是激光精密加工技術(shù)的一個發(fā)展趨勢，近年來，一系列新型激光器(如光纖激光器、紫外激光器等)得到了迅速的發(fā)展，它們具有轉(zhuǎn)換效率高、工作穩(wěn)定性好、光束質(zhì)量好、體積小等一系列優(yōu)點，很有可能成為下一代激光精密加工的主要激光器，這些新型激光器的大力發(fā)展為激光精密加工設(shè)備的小型化提供了基礎(chǔ)。

  2功能多樣化

   一臺精密激光加工設(shè)備將同時具有激光微調(diào)、激光精密打標、激光精密切割、激光精密打孔及激光精密焊接中的兩個或更多功能。

  3應(yīng)用普及化

    隨著激光精密加工設(shè)備成本的降低，激光精密加工技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)激光產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的緊密結(jié)合，用先進的激光制造技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。

  4系統(tǒng)集成化

    系統(tǒng)集成化是激光精密加工發(fā)展的又一重要趨勢。將各種材料的激光精密加工工藝系統(tǒng)化、完善化；開發(fā)用戶界面友好、適合激光精密加工的專用控制軟件，并且輔之以相應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)庫；將控制、工藝和激光器相結(jié)合，實現(xiàn)光、機、電、材料加工一體化，是激光精密加工發(fā)展的必然趨勢