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激光精密加工技術介紹

激光材料加工涉及范圍很廣,材料的燒結、打孔、打標、切割、焊接、表面改性和化學氣相沉積等都已把激光作為一種必不可少的能源。


   激光束可以聚焦到很小的尺寸,因而特別適合于精密加工。我們按照加工材料的尺寸大小和加工的精度要求,將目前的激光加工技術分為三個層次:


   ①大型件材料激光加工技術,以厚板(數毫米至幾十毫米)為主要對象,其加工精度一般在毫米或者亞毫米級;


   ②精密激光加工技術,以薄板(0.1~1.0mm)為主要加工對象,其加工精度一般在十微米級;


   ③激光微細加工技術,針對厚度在100μm以下的各種薄膜為主要加工對象,其加工精度一般在十微米以下甚至亞微米級。


   必須說明的是,在機械行業中,精密通常是指表面粗糙度小、各種公差(包括位置、形狀、尺寸等)范圍小。但本文所說的“精密”一詞,是指被加工區域的縫隙小,意即加工所能達到的極限尺寸小。在上述三類激光加工中,大型件的激光加工技術已經日趨成熟,產業化的程度已經非常高,已有不少的文獻進行了綜述;激光微細加工技術如激光微調、激光精密刻蝕、激光直寫技術等也已在工業上得到了較為廣泛的應用,有關的綜述報道亦較多;本文將重點對激光精密加工技術進行討論。為了比較方便,下文所說的精密加工所針對的加工對象僅限于薄板(0.1-0.1mm)。


   1 激光精密加工與傳統加工方法的比較


   隨著技術的進步,精密加工技術的種類也越來越豐富。


    激光精密加工有如下顯著特點:


   ①激光精密加工的對象范圍很寬,包括幾乎所有的金屬材料和非金屬材料。而電解加工只能加工導電材料,光化學加工只適用于易腐蝕材料,等離子加工難以加工某些高熔點的材料。

   ②激光精密加工質量的影響因素少,加工精度高,在一般情況下均優于其它傳統的加工方法。


   ③從加工周期來看,電火花加工的工具電極精度要求高、損耗大,加工周期較長;電解加工的加工型腔、型面的陰極模設計工作量大,制造周期亦很長;光化學加工工序復雜;而激光精密加工操作簡單,切縫寬度方便調控,加工速度快,加工周期比其它方法均要短。


   ④激光精密加工屬于非接觸加工,沒有機械力,相對于電火花加工、等離子弧加工,其熱影響區和變形很小,因而能加工十分微小的零部件。


   綜上所述,激光精密加工技術比傳統加工方法有許多優越性,其應用前景十分廣闊。


   2常用的激光精密加工設備簡介  


    一般用于精密加工的激光器有:CO2激光器,YAG激光器,銅蒸汽激光器,準分子激光器和CO激光器等,其激光器特性詳見文獻〔6,8,12-16〕。其中大功率CO2激光器和大功率YAG激光器在大型件激光加工技術中應用較廣;而銅蒸汽激光器和準分子激光器在激光微細加工技術中應用較多;中、小功率YAG激光器一般用于精密加工。


激光精密打孔


   隨著技術的進步,傳統的打孔方法在許多場合已不能滿足需求。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等,用常規的機械加工方法無法實現。而激光束的瞬時功率密度高達108 W/cm2,可在短時間內將材料加熱到熔點或沸點,在上述材料上實現打孔。與電子束、電解、電火花、和機械打孔相比,激光打孔質量好、重復精度高、通用性強、效率高、成本低及綜合技術經濟效益顯著。國外在激光精密打孔已經達到很高的水平。瑞士某公司利用固體激光器給飛機渦輪葉片進行打孔,可以加工直徑從20μm到80μm的微孔,并且其直徑與深度之比可達1∶80。激光束還可以在脆性材料如陶瓷上加工各種微小的異型孔如盲孔、方孔等,這是普通機械加工無法做到的。


激光精密切割


   與傳統切割法相比,激光精密切割有很多優點。例如,它能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘渣、熱影響區小、切割噪聲小,并可以節省材料15%~30%。由于激光對被切割材料幾乎不產生機械沖力和壓力,故適宜于切割玻璃、陶瓷和半導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。瑞士某公司利用固體激光器進行精密切割,其尺寸精度已經達到很高的水平。

     激光精密切割的一個典型應用就是切割印刷電路板PCB(Printed circuits Boards)中表面安裝用模板(SMTstencil)。傳統的SMT模板加工方法是化學刻蝕法,其致命的缺點就是加工的極限尺寸不得小于板厚,并且化學刻蝕法工序繁雜、加工周期長、腐蝕介質污染環境。采用激光加工,不僅可以克服這些缺點,而且能夠對成品模板進行再加工,特別是加工精度及縫隙密度明顯優于前者,制作費也由早期的遠高于化學刻蝕到現在的略低于前者。但由于用于激光加工的整套設備技術含量高,售價亦很高,目前僅美國、日本、德國等少數國家的幾家公司能夠生產整機。


激光精密焊接


   激光焊接熱影響區很窄,焊縫小,尤其可焊高熔點的材料和異種金屬,并且不需要添加材料。國外利用固體YAG激光器進行縫焊和點焊,已有很高的水平。另外,用激光焊接印刷電路的引出線,不需要使用焊劑,并可減少熱沖擊,對電路管芯無影響,從而保證了集成電路管芯的質量。


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