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

激光精密加工

 激光由于其優(yōu)良的光束特性，自誕生以來(lái)，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(gè)領(lǐng)域，以其獨(dú)特的優(yōu)越性，成為未來(lái)制造業(yè)的重要加工手段，被譽(yù)為21世紀(jì)！的加工技術(shù)。

    激光精密加工是利用高強(qiáng)度的激光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，激光束的功率密度達(dá)到104~1011W/cm2，加工工件置于激光束焦點(diǎn)附近，通過(guò)激光束與加工工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)械加工相比較，激光精密加工具有許多優(yōu)點(diǎn)：

    (1)加工的對(duì)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(wú)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(dòng)速度可調(diào)。

    (4)自動(dòng)化程度高，可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，加工速度快，工效高，可很方便地進(jìn)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(duì)于工業(yè)上的多工作臺(tái)同時(shí)加工及機(jī)器人或機(jī)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(jiǎn)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(zhǔn)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(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)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(jí)，正在向?qū)嵱没~進(jìn)。在國(guó)外，百瓦級(jí)、千瓦級(jí)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(xiàn)報(bào)道，目前國(guó)外已經(jīng)研制成功了實(shí)用化、緊湊型266nm深紫外光源，例如：美國(guó)AppliedMaterialCO.采用LD陣列泵浦Nd？YAG晶體產(chǎn)生1064nm基頻光，然后，通過(guò)四倍頻方法獲得了輸出功率為3W，波長(zhǎng)為266nm的連續(xù)激光，可實(shí)現(xiàn)對(duì)透明工件或光澤金屬的激光精密加工和標(biāo)識(shí)。

    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(biāo)、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(jìn)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(lái)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(dá)不到所要求的誤差范圍，如厚、薄電阻和片狀電容。用激光對(duì)電阻、電容進(jìn)行精密微調(diào)，加工時(shí)對(duì)鄰近的元件熱影響極小，不產(chǎn)生污染，易于計(jì)算機(jī)控制，具有速度快、效率高、可連續(xù)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)間變化的特點(diǎn)。

    激光微調(diào)技術(shù)可對(duì)指定電阻進(jìn)行自動(dòng)精密微調(diào)，精度可達(dá)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(jì)全世界有超過(guò)5000臺(tái)激光調(diào)阻機(jī)在各生產(chǎn)線上工作。

    2激光精密打標(biāo)激光精密打標(biāo)技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)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(jìn)行標(biāo)記的工件表面，使表層材料達(dá)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(biāo)記的一種熱加工技術(shù)。

    激光精密打標(biāo)作為新一代雕刻方法，它的到來(lái)，將是完全取代傳統(tǒng)標(biāo)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(lái)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(biāo)主要應(yīng)用在食品、PVC管材、醫(yī)藥包裝材料(HDPE，PO，PP等)打標(biāo)、柔性PCB板打標(biāo)、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(biāo)機(jī)加工的PCB板劃片樣品和鍍金件打標(biāo)樣品照相圖，加工精密比傳統(tǒng)的標(biāo)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(dá)到燃點(diǎn)，同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實(shí)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(diǎn)。例如，它能開出狹窄的切口、幾乎沒(méi)有切割殘?jiān)?、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(duì)被切割材料幾乎不產(chǎn)生機(jī)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(duì)細(xì)小部件作各種精密切割。目前，國(guó)內(nèi)在激光精密切割方面的研究已經(jīng)達(dá)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(gè)典型應(yīng)用就是玻璃的切割，對(duì)于玻璃的切割如果采用CO2激光器進(jìn)行切割，由于CO2激光器的波長(zhǎng)太長(zhǎng)，使得切縫縫面粗糙，達(dá)不到精度要求；而Nd？YAG激光器的波長(zhǎng)對(duì)玻璃是透明的，根本無(wú)法切割；采用266nm超短波長(zhǎng)的深紫外激光作為光源，實(shí)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(jìn)步，在很多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合傳統(tǒng)的打孔方法已不能滿足要求。例如在堅(jiān)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(lán)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(jī)械加工方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而激光束的瞬時(shí)功率密度高達(dá)108W/cm2，可在短時(shí)間內(nèi)將材料加熱到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，在上述材料上實(shí)現(xiàn)打孔。

    在國(guó)外，有報(bào)道，美國(guó)ART公司研制了一種三坐標(biāo)激光微細(xì)加工中心，對(duì)氧化鋁、碳化硅等硬脆材料進(jìn)行激光打孔，獲得直徑小于70μm，深75μm的小孔，對(duì)壓電陶瓷打孔，甚至獲得了直徑僅20μm、高15μm的小孔；在國(guó)內(nèi)，華南師范大學(xué)激光加工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室利用50W光纖激光精密加工系統(tǒng)制造化學(xué)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(jī)在厚度為0.05mm的銅片上鉆小孔，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(guò)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(diǎn)小、焊接強(qiáng)度高、焊接時(shí)對(duì)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(shí)現(xiàn)。顯像管電子槍組裝采用激光點(diǎn)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(diǎn)焊機(jī)。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?fù)?dān)心加熱對(duì)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(méi)有氣泡的焊縫，從而實(shí)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(jìn)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(diǎn)的連接，細(xì)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(diǎn)焊進(jìn)行雙層電容器內(nèi)鋰電池的接線端與引線的連接，測(cè)得的激光焊接部件的平均連接強(qiáng)度比傳統(tǒng)的電阻焊接的強(qiáng)度高兩倍。

    由于激光可以產(chǎn)生真正的熔焊，使接觸點(diǎn)各方面的材料熔化混合。無(wú)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(duì)某些形式的線路連接最為實(shí)用，有時(shí)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(jìn)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(guò)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(guò)程中由于無(wú)機(jī)械接觸，不會(huì)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(shì)

    穩(wěn)定、可靠、安全、高效、廉價(jià)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(lái)激光精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：

  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(gè)發(fā)展趨勢(shì)，近年來(lái)，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(diǎn)，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(tái)精密激光加工設(shè)備將同時(shí)具有激光微調(diào)、激光精密打標(biāo)、激光精密切割、激光精密打孔及激光精密焊接中的兩個(gè)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(shí)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(jìn)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(shì)。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(kù)；將控制、工藝和激光器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)光、機(jī)、電、材料加工一體化，是激光精密加工發(fā)展的必然趨勢(shì)