激光精密加工技术的现状和展望

发布时间:2010-12-07

激光材料加工涉及范围很广,材料的烧结、打孔、打标、切割、焊接、表面改性和化学气相沉积等都已把激光作为一种必不可少的能源。

激光束可以聚焦到很小的尺寸,因而特别适合于精密加工。我们按照加工材料的尺寸大小和加工的精度要求,将目前的激光加工技术分为三个层次:

①大型件材料激光加工技术,以厚板(数毫米至几十毫米)为主要对象,其加工精度一般在毫米或者亚毫米级;

②精密激光加工技术,以薄板(0.1~1.0mm)为主要加工对象,其加工精度一般在十微米级;

③激光微细加工技术,针对厚度在100μm以下的各种薄膜为主要加工对象,其加工精度一般在十微米以下甚至亚微米级。

必须说明的是,在机械行业中,精密通常是指表面粗糙度小、各种公差(包括位置、形状、尺寸等)范围小。但本文所说的“精密”一词,是指被加工区域的缝隙小,意即加工所能达到的极限尺寸小。在上述三类激光加工中,大型件的激光加工技术已经日趋成熟,产业化的程度已经非常高,已有不少的文献进行了综述;激光微细加工技术如激光微调、激光精密刻蚀、激光直写技术等也已在工业上得到了较为广泛的应用,有关的综述报道亦较多;本文将重点对激光精密加工技术进行讨论。为了比较方便,下文所说的精密加工所针对的加工对象仅限于薄板(0.1-0.1mm)。

1 激光精密加工与传统加工方法的比较

随着技术的进步,精密加工技术的种类也越来越丰富。

激光精密加工有如下显著特点:

①激光精密加工的对象范围很宽,包括几乎所有的金属材料和非金属材料。而电解加工只能加工导电材料,光化学加工只适用于易腐蚀材料,等离子加工难以加工某些高熔点的材料。

②激光精密加工质量的影响因素少,加工精度高,在一般情况下均优于其它传统的加工方法。

③从加工周期来看,电火花加工的工具电极精度要求高、损耗大,加工周期较长;电解加工的加工型腔、型面的阴极模设计工作量大,制造周期亦很长;光化学加工工序复杂;而激光精密加工操作简单,切缝宽度方便调控,加工速度快,加工周期比其它方法均要短。

④激光精密加工属于非接触加工,没有机械力,相对于电火花加工、等离子弧加工,其热影响区和变形很小,因而能加工十分微小的零部件。

综上所述,激光精密加工技术比传统加工方法有许多优越性,其应用前景十分广阔。

2 常用的激光精密加工设备简介

一般用于精密加工的激光器有:CO2激光器,YAG激光器,铜蒸汽激光器,准分子激光器和CO激光器等,其激光器特性详见文献〔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术中应用较广;而铜蒸汽激光器和准分子激光器在激光微细加工技术中应用较多;中、小功率YAG激光器一般用于精密加工。

3 激光精密加工的应用及国内外发展概况

3.1 国外现状

3.1.1 激光精密打孔

随着技术的进步,传统的打孔方法在许多场合已不能满足需求。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 W/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。与电子束、电解、电火花、和机械打孔相比,激光打孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著。国外在激光精密打孔已经达到很高的水平。瑞士某公司利用固体激光器给飞机涡轮叶片进行打孔,可以加工直径从20μm到 80μm的微孔,并且其直径与深度之比可达1∶80。激光束还可以在脆性材料如陶瓷上加工各种微小的异型孔如盲孔、方孔等,这是普通机械加工无法做到的。

3.1.2 激光精密切割

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。瑞士某公司利用固体激光器进行精密切割,其尺寸精度已经达到很高的水平。

激光精密切割的一个典型应用就是切割印刷电路板 PCB(Printedcircuits Boards)中表面安装用模板(SMT stencil)。传统的SMT模板加工方法是化学刻蚀法,其致命的缺点就是加工的极限尺寸不得小于板厚,并且化学刻蚀法工序繁杂、加工周期长、腐蚀介质污染环境。采用激光加工,不仅可以克服这些缺点,而且能够对成品模板进行再加工,特别是加工精度及缝隙密度明显优于前者,制作费也由早期的远高于化学刻蚀到现在的略低于前者。但由于用于激光加工的整套设备技术含量高,售价亦很高,目前仅美国、日本、德国等少数国家的几家公司能够生产整机。

3.1.3 激光精密焊接

激光焊接热影响区很窄,焊缝小,尤其可焊高熔点的材料和异种金属,并且不需要添加材料。国外利用固体YAG激光器进行缝焊和点焊,已有很高的水平。另外,用激光焊接印刷电路的引出线,不需要使用焊剂,并可减少热冲击,对电路管芯无影响,从而保证了集成电路管芯的质量。

3.2 国内现状

经过二十多年的努力,在激光精密加工工艺与成套设备方面,我国虽然已在陶瓷激光划片与微小型金属零件的激光点焊、缝焊与气密性焊接以及打标等领域得到应用,但在激光精密加工技术中技术含量很高、应用市场广阔的微电子线路模板精密切割与刻蚀工艺、陶瓷片与印刷电路板上各种规格尺寸的通孔、盲孔与异型孔、槽的激光精密加工等方面,尚处于研究与开发阶段,未见有相应的工业化样机问世。国内的广大用户一般采用进口模板或到香港等地委托加工,其价格高、周期长,严重影响了产品开发周期;近年来,国外少数大公司看到我国在激光精密加工业中巨大的潜在市场,已开始在我国设立分公司。但高昂的加工费用增加了产品成本,仍使许多企业望而却步。

4 激光精密加工技术的发展趋势及前景

优质、高效、稳定、可靠、廉价的激光器是精密加工推广应用的前提,激光精密加工的发展趋势之一就是加工系统小型化。近年来,二极管泵浦激光器发展十分迅速,它具有转换效率高、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。加工系统集成化是激光精密加工发展的又一重要趋势。将各种材料的激光精密加工工艺系统化、完善化;开发用户界面友好、适合激光精密加工的专用控制软件,并且辅之以相应的工艺数据库;将控制、工艺和激光器相结合,实现光、机、电、材料加工一体化,是激光精密加工发展的必然趋势。

国内在激光加工的工艺与设备方面虽然与国外存在较大的差距,但是如果我们在原有基础上不断提高激光器的光束质量和加工精度,结合材料的加工工艺研究,尽可能地占领激光精密加工市场,并逐步向激光微细加工领域中渗透,就可以推动激光加工技术的迅速发展,并最终会使激光精密加工形成较大的规模产业。

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