激光精密加工講解

1、1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(gè)領(lǐng)域,以其獨(dú)特的優(yōu)越性，成為未來制造業(yè)的 重要加工手段，被譽(yù)為21世紀(jì)的加工技術(shù)。1激光精密加工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1041011 W/cm2,加工工件置于激光束焦點(diǎn)附近,通過激光束與加工工件的相對 運(yùn)動(dòng)來實(shí)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

2、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(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

3、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(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。在國內(nèi)，中國科學(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,正在向?qū)嵱?/p>

4、化邁進(jìn)。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(xiàn)報(bào)道，目前國外已經(jīng)研制成功了實(shí)用化、緊湊型 266 nm深紫外光源,例如:美國App liedMateria l CO.采用LD陣列泵浦Nd:YAG晶體產(chǎn)生1064 nm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(shí)現(xiàn)對透明工件或 光澤金屬的激光精密加工和標(biāo)識。由于光纖激光器、紫外激光器相比其他用于精密加工的激光器，具有更好的光 束特征（表1為幾種激光器的主要性能對比，在我國,最近幾年這兩種激光器逐步得 到了比較廣泛的應(yīng)用。其

5、中深圳市大族激光科技股份有限公司推出了M 355型紫外激光打標(biāo)機(jī)，經(jīng)聚焦后,激光光斑直徑達(dá)到了 5阿,華南師范大學(xué)激光加工技術(shù)實(shí) 驗(yàn)室自行設(shè)2計(jì)研制了 50W光纖激光精密切割系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了美國IPG公司 生產(chǎn)的50W摻鐿雙包層光纖激光器，經(jīng)聚焦后，激光光斑直徑達(dá)到了 15阿。這兩 類激光精密加工設(shè)備都得到了市場的青睞。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。3. 1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

6、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。用激光對電阻、電容進(jìn)行精密微調(diào)，加工時(shí)對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. 010. 6 m厚與厚膜電阻（2050 m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5000臺激光調(diào)阻機(jī)在各生產(chǎn)線上工作。3. 2激光精密打標(biāo)

7、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，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

8、板劃片樣 品和鍍金件打標(biāo)樣品照相圖，加工精度比傳統(tǒng)的標(biāo)記方法大大提高。3. 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 細(xì)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

9、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18pm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激光器的波長太長，使得切縫縫面粗 糙，達(dá)不到精度要求；而Nd:YAG激光器的波長對玻璃是透明的，根本無法切割；采 用266 nm超短波長的深紫外激光作為光源,實(shí)現(xiàn)了精度小于0. 1 m的激光精密切 割要求。3. 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

10、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)械加工方法無法實(shí)現(xiàn)。而激光束的瞬時(shí)功率密度 高達(dá)108 3W/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。在國外,有報(bào)道,美國ART公司研制了一種三坐標(biāo)激光微細(xì)加工中心,對氧化 鋁、碳化硅等硬脆材料進(jìn)行激光打孔，獲得直徑小于70阿,深75 ym的小孔,對壓電 陶瓷打孔，甚至獲得了直徑僅20、高15m的小孔;在國內(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 40阿的小孔群，完全滿足產(chǎn)品的要求；俞君等利用

11、 紫外鉆孔機(jī)在厚度為0. 05mm的銅片上鉆小孔，通過實(shí)驗(yàn)獲得了圓度和邊緣質(zhì)量高， 孔徑為10m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

12、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

13、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(jī)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(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)。未來激光精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢將呈 現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：4. 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，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(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)。4. 2功能多樣化一臺精密激光加工設(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。4. 3應(yīng)用普及化隨著激光精