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(shù)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(yè)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(qū)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(jīng)日趨成熟，產(chǎn)業(yè)化的程度已經(jīng)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(diào)、激光精密刻蝕、激光直寫技術等也已在工業(yè)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(tǒng)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(zhì)量的影響因素少，加工精度高，在一般情況下均優(yōu)于其它傳統(tǒng)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(diào)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(qū)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(tǒng)加工方法有許多優(yōu)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(tǒng)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(guī)的機械加工方法無法實現(xiàn)。而激光束的瞬時功率密度高達108 W／cm2，可在短時間內(nèi)將材料加熱到熔點或沸點，在上述材料上實現(xiàn)打孔。與電子束、電解、電火花、和機械打孔相比，激光打孔質(zhì)量好、重復精度高、通用性強、效率高、成本低及綜合技術經(jīng)濟效益顯著。國外在激光精密打孔已經(jīng)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(tǒng)切割法相比，激光精密切割有很多優(yōu)點。例如，它能開出狹窄的切口、幾乎沒有切割殘渣、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(jīng)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(tǒng)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(zhì)污染環(huán)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(yōu)于前者，制作費也由早期的遠高于化學刻蝕到現(xiàn)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(shù)國家的幾家公司能夠生產(chǎn)整機。

激光精密焊接

   激光焊接熱影響區(qū)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(zhì)量。