激光精密加工

1、1激光精密加工激光由于其优良的光束特性, 自诞生以来, 就在工业加工领域起着非常重要的作用, 并且不断地深入到工业生产的各个领域, 以其独特的优越性, 成为未来制造业的重要加工手段, 被誉为 21世纪的加工技术 。1 激光精密加工激光精密加工是利用高强度的激光束, 经光学系统聚焦后, 激光束的功率密度达到104 1011 W/cm2, 加工工件置于激光束焦点附近, 通过激光束与加工工件的相对运动来实现对加工工件的热加工, 加工精度一般在几微米到数十微米。激光束可以聚焦到很小的尺寸, 所以特别适合于精密加工。激光精密加工所用激光器为各种脉冲或调Q 固体激光器, 半导体激光器, 脉冲Nd:YAG激

2、光器以及最近几年开始不断推广的光纤激光器和紫外激光器等。各种脉冲激光器的聚焦光斑很小, 功率密度很大, 工件加热范围小, 加工精度和定位精度高而且热影响区小。与一般的机械加工相比较, 激光精密加工具有许多优点(1加工的对象范围广, 几乎所有的金属材料和非金属材料如钢材、耐热合金、陶瓷、宝石、玻璃、硬质合金及复合材料都可以加工。(2加工精度高, 在一般情况下均优于其他传统的加工方法, 如电火花加工、电子束加工等。(3属于非接触加工, 无工具磨损, 热影响区和变形很小, 因而能加工十分微小的零部件。而且激光束能量可控制, 移动速度可调。(4自动化程度高, 可以用计算机进行控制, 加工速度快, 工效

3、高, 可很方便地进行任何复杂形状的加工。(5大部分激光器可与光导纤维系统组合使用, 具有革新性的纤维传送系统与激光器结合大大增加了激光加工系统的方便性与灵活性, 这种组合系统对于工业上的多工作台同时加工及机器人或机械手操纵非常理想。综上所述, 激光精密加工技术具有许多传统加工方法不可比拟的优越性, 其应用前景非常广阔。2 激光精密加工设备简介目前, 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、准分子激光器、光纤激光器、固体紫外激光器等。最近几年, 光纤激光器、紫外激光器得到了非常迅速的发展。在国内, 中国科学院上海光学精密机械研究所研制的掺镱双包层光纤激光器输出功率连续获得

4、突破; 各种波段的紫外激光器也已突破毫瓦量级, 正在向实用化迈进。在国外, 百瓦级、千瓦级光纤激光器已经产业化并在工业领域获得了较广泛的应用, 各种波段的小功率紫外激光器也获得了应用。据文献报道, 目前国外已经研制成功了实用化、紧凑型266 nm深紫外光源, 例如: 美国App liedMateria l CO. 采用LD 阵列泵浦Nd:YAG 晶体产生1064 nm 基频光, 然后, 通过四倍频方法获得了输出功率为3W, 波长为266nm 的连续激光, 可实现对透明工件或光泽金属的激光精密加工和标识。由于光纤激光器、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 为几种激

5、光器的主要性能对比, 在我国, 最近几年这两种激光器逐步得到了比较广泛的应用。其中深圳市大族激光科技股份有限公司推出了M 355型紫外激光打标机, 经聚焦后, 激光光斑直径达到了5µm , 华南师范大学激光加工技术实验室自行设2计研制了50W 光纤激光精密切割系统, 该系统采用了美国IPG 公司生产的50W 掺镱双包层光纤激光器, 经聚焦后, 激光光斑直径达到了15µm。这两类激光精密加工设备都得到了市场的青睐。3 激光精密加工的应用现状激光精密加工技术已成功地应用于各种工业生产中, 如激光微调、激光精密打标、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

6、先进的加工手段。3. 1 激光微调激光微调是利用激光可聚焦成很小的光斑, 能量集中, 有选择地汽化部分材料来制造微电子元件的一种方法, 目前制造电阻、电容的方法往往达不到所要求的误差范围, 如厚、薄电阻和片状电容。用激光对电阻、电容进行精密微调, 加工时对邻近的元件热影响极小, 不产生污染, 易于计算机控制, 具有速度快、效率高、可连续监控等优点, 与常规微调方法相比, 还具有精度高、再现性好和阻值不随时间变化的特点。激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调, 精度可达0. 01%0. 02% , 比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻( 0. 010. 6µm厚

7、 与厚膜电阻( 2050µm 厚 的微调、电容的微调和混合集成电路的微调; 据估计全世界有超过5000台激光调阻机在各生产线上工作。3. 2 激光精密打标激光精密打标技术是采用计算机控制高能量的激光束, 按设定的轨迹作用于金属器件等需要进行标记的工件表面, 使表层材料达到瞬间汽化, 刻蚀出具有一定深度的文字、图案等, 从而在物件表面留下永久性标记的一种热加工技术。激光精密打标作为新一代雕刻方法, 它的到来, 将是完全取代传统标记方式(如喷码、腐蚀、电火花、冲压、丝印等 的最好方法, 它不但拥有高速的效率, 而且加工出来的效果是以前那些老方法完全做不到的。目前, 激光精密打标主要应用在

8、食品、PVC 管材、医药包装材料( HDPE, PO, PP 等 打标、柔性PCB 板打标、划片, 金属或非金属镀层去除。图1和图2为利用大族激光M355型紫外激光打标机加工的PCB 板划片样品和镀金件打标样品照相图, 加工精度比传统的标记方法大大提高。3. 3 激光精密切割激光精密切割是利用经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、烧蚀或达到燃点, 同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质, 从而实现将工件割开的一种方法。与传统切割法相比, 激光精密切割有很多优点。例如, 它能开出狭窄的切口、几乎没有切割残渣、热影响区小、切割噪声小,并可以节省材料15% 30%。由于激

9、光对被切割材料几乎不产生机械冲力和压力, 故适宜于切割玻璃、陶瓷和半导体等既硬又脆的材料, 加上激光光斑小、切缝窄, 所以特别适宜于对细小部件作各种精密切割。目前, 国内在激光精密切割方面的研究已经达到了比较高的水平, 作者用光纤激光器切割不锈钢薄板, 获得了缝面光滑、热影响区小、缝宽小于18µm 的切缝 。激光精密切割的另一个典型应用就是玻璃的切割, 对于玻璃的切割如果采用CO2 激光器进行切割, 由于CO2 激光器的波长太长, 使得切缝缝面粗糙, 达不到精度要求; 而Nd:YAG 激光器的波长对玻璃是透明的, 根本无法切割; 采用266 nm 超短波长的深紫外激光作为光源, 实现

10、了精度小于0. 1µm的激光精密切割要求。3. 4 激光精密打孔随着技术的进步, 在很多工业应用场合传统的打孔方法已不能满足要求。例如在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔; 在硬而脆的红、蓝宝石上加工几百微米直径的深孔, 在塑料薄膜上加工出整齐划一、孔径均匀且孔径为几十微米的规则排列的小孔等, 用常规的机械加工方法无法实现。而激光束的瞬时功率密度高达108 3W/cm2, 可在短时间内将材料加热到熔点或沸点, 在上述材料上实现打孔。在国外, 有报道, 美国ART 公司研制了一种三坐标激光微细加工中心, 对氧化铝、碳化硅等硬脆材料进行激光打孔, 获得直径小于70µm,

11、 深75µm 的小孔, 对压电陶瓷打孔, 甚至获得了直径仅20µm、高15µm 的小孔; 在国内, 华南师范大学激光加工技术实验室利用50W 光纤激光精密加工系统制造化学泵, 在0. 05mm 厚的塑料薄膜上加工出了孔径均匀且孔径为40µm的小孔群, 完全满足产品的要求; 俞君等利用紫外钻孔机在厚度为0. 05mm 的铜片上钻小孔, 通过实验获得了圆度和边缘质量高, 孔径为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属表面上产生瞬时熔化而连接金属的一种焊接工艺, 许多电子元器件在生产制造过程中需要多种焊接, 由于元器件不断向小型化发展

12、, 要 求焊点小、焊接强度高、焊接时对周围热影响区小。传统的焊接工艺难以满足要求, 而激光焊接则可以实现。 显像管电子枪组装采用激光点焊工艺后, 质量和成品率大大提 高,目前彩色显像管生产线几乎都装备有脉冲激光点焊机。激光焊接也成功地应用于微 电子仪器壳体的密封缝焊, 不必担心加热对仪器造成破坏。 工件按工艺要求经激光焊接 后可以获得没有气泡的焊缝, 从而实现微型器件外壳完全密封的焊接, 如小型航空继 电器采用激光密封焊工艺后, 其泄漏率降低。 脉冲YAG激光加工系统是进行精密焊接的 理想设备。 在微电子技术装配操作中, 广泛应用激光加工的领域是微型电路元件的焊接, 包括引线与印刷电路板的连接

13、, 引线与硅板触点的连接, 细导线与薄膜的钎焊, 集成电 路和共面引线与印刷电路板的连接。例如日本电子工业界应用激光点焊进行双层电容 器内锂电池的接线端与引线的连接, 测得的激光焊接部件的平均连接强度比传统的电 阻焊接的强度高两倍。 由于激光可以产生真正的熔焊, 使接触点各方面的材料熔化混合。 无线电电子设备 的工作可靠性取决于线路连接的可靠性, 激光焊接对某些形式的线路连接最为实用,有 时甚至是唯一可行的。激光焊接能在其作用区域内以不同的脉宽和重复频率进行连续 式、 脉冲式加工, 并且很容易控制激光参数,不产生过热, 这在半导体器件和集成电路的 生产中有重要意义, 激光焊接过程中由于无机械接

14、触, 不会产生压缩变形, 并且排除了 异物落入被焊零件的可能, 这正是电阻焊、氩弧焊和等离子焊中经常出现的现象。 4 激光精密加工技术的发展趋势 稳定、可靠、安全、高效、廉价是激光精密加工技术在工业加工领域得到广泛应 用的基础。未来激光精密加工技术的发展趋势将呈现以下几个特点: 4. 1设备更加小型化 设备小型化是激光精密加工技术的一个发展趋势, 近年来, 一系列新型激光器(如 光纤激光器、紫外激光器等得到了迅速的发展, 它们具有转换效率高、工作稳定性好、 光束质量好、体积小等一系列优点, 很有可能成为下一代激光精密加工的主要激光器, 这些新型激光器的大力发展为激光精密加工设备的小型化提供了基础。 4. 2功能多样化 一台精密激光加工设备将同时具有激光微调、激光精密打标、激光精密切割、激 光精密打孔及激光精密焊接中的两个或更多功能。 4. 3应用普及化 随着激光精