激光直写技术，工业激光领域的发展方向

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激光杂志
LASER JOURNAL
2000年 第1卷 第5期



激光精密加工技术的现状和展望

　
　　李祥友1　曾晓雁1　黄维玲2


（华中理工大学材料学院、国家模具技术重点实验室1，激光加工工程中心2，武汉　430074）


提要：根据加工对象尺寸与加工精度的不同，将激光加工分为大型件激光加工、精密激光加工与激光微细加工技术三大类。重点介绍了激光精密加工技术，并与传统精密加工方法进行了比较。综述了激光精密加工的国内外发展现状及该技术的发展前景，并对我国激光精密加工技术的发展提出了建议。
关键词：激光精密加工，切割，打孔，焊接
　　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〔1〕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〔8〕；
　　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；
　　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〔3，4〕；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〔5－7〕；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。其典型特点见表1。
　　由表1可见，激光精密加工有如下显著特点〔5，8－11〕：
　　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〔3〕。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（见图1（a））。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（见图1（b））、方孔等〔16〕，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％〔90〕。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（Printed  circuits  Boards）中表面安装用模板（SMT stencil）（见图2）。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（见图3），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（见图4）。
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。

　　参考文献


〔1〕　K．H．Gerlach，J．Jersch，K．Dick mann et al．Design and per－formance of an excimer－laser based optical systemfor highprecision microstructuring．Optics＆Laser Technology，1997，29（8）：439
〔2〕　Franke Tet al．120 mm dicke stahlplatten geschnitten ein－neuer rekord imlaserstrahlschneiden．Laser Magazin，1995，（1）：13－14
〔3〕　徐庆仁．国外激光加工技术的发展和应用（中）．国际航空，1998，4：69
〔4〕　徐庆仁．国外激光切割的现状．国外激光，1990，（3）：26－29
〔5〕　〔日〕微细加工技术编委会．微细加工技术，北就：科学出版社，1985，8：20
〔6〕　耿淑杰．激光微加工的进展，激光与红外，1997，27（6）：330
〔7〕　楼祺洪，高鸿奕．激光微加工应用潜力的调查．激光与光电子学进展，1999，（1）：29
〔8〕　刘振辉，杨嘉楷．特种加工．重庆：重庆大学出版社，1991，7
〔9〕　James R．Koelsch．Use the Beamfor Better Cutting．Manu－facturing Engineering，1991，106（1）：51
〔10〕　朱企业．激光精密加工．北京：机械工业出版社，1990．7
〔11〕　Michael Pellecchia．Select the Best Process：Laser or Preci－sion Plasma．Welding Design＆Fabrication，1995，68（6）：19
〔12〕　李力钧．现代激光加工及其装备．北京：北京理工大学出版社，1993．2
〔13〕　杨逸民．脉冲Nd：YAG激光在精密加工中的应用．激光与红外，1997，27（6）：333
〔14〕　Sarah Miles，Precision Material Processing．Electronic Pro－duction，1989，18（4）：12
〔15〕　Laser Job shop Aims to Cut Ahead of the Pack．Welding　Journal，1998，77（3）：49
〔16〕　Ferdinand von Alvensleben Martin Gonschior Heiner Kap－pel et al．Laser Micro－machining．Optics and Photonics　News，1995，6（8）：25




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