激光精密加工技术

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激光精密加工技术
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：   
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1 j. P1 K; r/ e　　 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；   
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　　 ②精密激光加工技术，以薄板（0．1～1．0 mm）为主要加工对象，其加工精度一般在十微米级；   
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     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。   
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- K# K& I3 O0 l　　 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）。   
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     1　激光精密加工与传统加工方法的比较   

. X. |( z/ }7 Z7 u. }　　 随着技术的进步，精密加工技术的种类也越来越丰富。   
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1 m7 a/ Y9 M5 H; Y- q/ Z　　 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。   
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　　 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。   
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     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。   

& Y- V& X2 `9 g, o$ o" Z　　 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。　　   

  g. \' V: G8 h7 h  ^8 C$ f. q　　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。   

& G3 w4 r, S4 }. B     2　常用的激光精密加工设备简介   
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　　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。

( t) K7 ^' n' |* l* k9 l     3　激光精密加工的应用及国内外发展概况   
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     3．1　国外现状   
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     3．1．1　激光精密打孔   
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8 Z8 I5 y9 O; r　　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。   
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/ [" g1 \7 ]8 {- g/ s     3．1．2　激光精密切割   
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) u# |4 E5 r& b4 F, e0 k　　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。   
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  o9 M; k( P+ B9 P" b  b　　激光精密切割的一个典型应用就是切割印刷电路板PCB（Printed circuits 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。   
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     3．1．3　激光精密焊接   
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　　 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。
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     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。
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     4　激光精密加工技术的发展趋势及前景　　

　 　优质、高效、稳定、可用、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。
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+ q/ j' l8 H# S+ K# v7 E; I7 V　　 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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也算跟机械有点关联