激光精密加工技術

激光加工的優點

在國外，自1960年美國貝爾實驗室發明紅寶石激光器以來後，激光就逐步地被應用到音像設備、測距、醫療儀器、加工等各個領域。在激光加工領域，雖然激光發射器價格非常昂貴(幾十萬到上百萬)，但由於激光加工具有傳統加工無法比擬的優勢，在美、意、德等國家激光加工已佔到加工行業50%以上的份額。

激光束可以聚焦到很小的尺寸，因而特別適合於精密加工。按照加工材料的尺寸大小和加工的精度要求，將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（0．1～1．0 mm）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。

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）範圍小。這裏所説的“精密”，是指被加工區域的縫隙小，就是説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；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。

激光精密加工有如下顯著特點：

（1）範圍廣泛：激光精密加工的對象範圍很寬，包括幾乎所有的金屬材料和非金屬材料；適於材料的燒結、打孔、打標、切割、焊接、表面改性和化學氣相沉積等。而電解加工只能加工導電材料，光化學加工只適用於易腐蝕材料，等離子加工難以加工某些高熔點的材料。

（2）精確細緻：激光束可以聚焦到很小的尺寸，因而特別適合於精密加工。激光精密加工質量的影響因素少，加工精度高，在一般情況下均優於其它傳統的加工方法。

（3）高速快捷：從加工週期來看，電火花加工的工具電極精度要求高、損耗大，加工週期較長；電解加工的加工型腔、型面的陰極模設計工作量大，製造週期亦很長；光化學加工工序複雜；而激光精密加工操作簡單，切縫寬度方便調控，可立即根據電腦輸出的圖樣進行高速雕刻和切割、加工速度快，加工週期比其它方法均要短。

（4）安全可靠：激光精密加工屬於非接觸加工，不會對材料造成機械擠壓或機械應力；相對於電火花加工、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。

（5）成本低廉：不受加工數量的限制，對於小批量加工服務，激光加工更加便宜。對於大件產品的加工，大件產品的模具製造費用很高，激光加工不需任何模具製造，而且激光加工完全避免材料衝剪時形成的塌邊，可以大幅度地降低企業的生產成本提高產品的檔次。

（6）切割縫細小：激光切割的割縫一般在0.1-0.2mm。

（7）切割面光滑：激光切割的切割面無毛刺。

（8）熱變形小：激光加工的激光割縫細、速度快、能量集中，因此傳到被切割材料上的熱量小，引起材料的變形也非常小。

（9）節省材料：激光加工採用電腦編程，可以把不同形狀的產品進行材料的套裁，最大限度地提高材料的利用率，大大降低了企業材料成本。

（10）非常適合新產品的開發：一旦產品圖紙形成後，馬上可以進行激光加工，你可以在最短的時間內得到新產品的實物。

總的來説，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。

一般用於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激光器一般用於精密加工。

隨着技術的進步，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、重複精度高、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，並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。

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，並可以節省材料 15%～30%。由於激光對被切割材料幾乎不產生機械衝力和壓力，故適宜於切割玻璃、陶瓷和半導體等既硬又脆的材料，加上激光光斑小、切縫窄，所以特別適宜於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（SMT stencil）。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於板厚，並且化學刻蝕法工序繁雜、加工週期長、腐蝕介質污染環境。採用激光加工，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於前者，製作費也由早期的遠高於化學刻蝕到略低於前者。但由於用於激光加工的整套設備技術含量高，售價亦很高，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，並且不需要添加材料。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，並可減少熱衝擊，對電路管芯無影響，從而保證了集成電路管芯的質量。　經過二十多年的努力，在激光精密加工工藝與成套設備方面，我國雖然已在陶瓷激光劃片與微小型金屬零件的激光點焊、縫焊與氣密性焊接以及打標等領域得到應用，但在激光精密加工技術中技術含量很高、應用市場廣闊的微電子線路模板精密切割與刻蝕工藝、陶瓷片與印刷電路板上各種規格尺寸的通孔、盲孔與異型孔、槽的激光精密加工等方面，尚處於研究與開發階段，未見有相應的工業化樣機問世。國內的廣大用户一般採用進口模板或到香港等地委託加工，其價格高、週期長，嚴重影響了產品開發週期；近年來，國外少數大公司看到我國在激光精密加工業中巨大的潛在市場，已開始在我國設立分公司。但高昂的加工費用增加了產品成本，仍使許多企業望而卻步。

優質、高效、穩定、可靠、廉價的激光器是精密加工推廣應用的前提，激光精密加工的發展趨勢之一就是加工系統小型化。近年來，二極管泵浦激光器發展十分迅速，它具有轉換效率高、工作穩定性好、光束質量好、體積小等一系列優點，很有可能成為下一代激光精密加工的主要激光器。加工系統集成化是激光精密加工發展的又一重要趨勢。將各種材料的激光精密加工工藝系統化、完善化；開發用户界面友好、適合激光精密加工的專用控制軟件，並且輔之以相應的工藝數據庫；將控制、工藝和激光器相結合，實現光、機、電、材料加工一體化，是激光精密加工發展的必然趨勢。

國內在激光加工的工藝與設備方面雖然與國外存在較大的差距，但是如果我們在原有基礎上不斷提高激光器的光束質量和加工精度，結合材料的加工工藝研究，儘可能地佔領激光精密加工市場，並逐步向激光微細加工領域中滲透，就可以推動激光加工技術的迅速發展，並最終會使激光精密加工形成較大的規模產業 。