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激光精密加工技术优势及应用


 激光加工是将激光束作用于物体表面而引起物体形状或性能改变的加工过程,其实质是激光将能量传递给被加工材料,被加工材料发生物理或化学变化,使其达到加工的目的。加工技术可以分为4个层次:一般加工、微细加工(加工精度O.1mm_lμm)、精密加工(加工精度1μm-O.1μm)和超精密加工(加工精度高于O.1pm)。

激光精密加工技术优点
(1)范围广泛: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;适于材料的烧结、打孔、打标、切割、焊接、表面改性和化学气相沉积等。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)精确细致:激光束可以聚焦到很小的尺寸,因而特别适合于精密加工。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)高速快捷: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,可立即根据电脑输出的图样进行高速雕刻和切割、加工速度快,加工周期比其它方法均要短。
(4)可靠:激光精密加工属于非接触加工,不会对材料造成机械挤压或机械应力;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。
(5)成本低廉:不受加工数量的限制,对于小批量加工服务,激光加工更加便宜。对于大件产品的加工,大件产品的模具制造费用很高,激光加工不需任何模具制造,而且激光加工完全避免材料冲剪时形成的塌边,可以大幅度地降低企业的生产成本提高产品的档次。
(6)切割缝细小:激光切割的割缝一般在0.1-0.2mm。
(7)切割面光滑:激光切割的切割面无毛刺。
(8)热变形小:激光加工的激光割缝细、速度快、能量集中,因此传到被切割材料上的热量小,引起材料的变形也非常小。
(9)节省材料:激光加工采用电脑编程,可以把不同形状的产品进行材料的套裁,大限度地提高材料的利用率,大大降低了企业材料成本。
(10)非常适合新产品的开发:一旦产品图纸形成后,马上可以进行激光加工,你可以在短的时间内获得新产品的实物。
 
总的来说,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。
 
激光精密加工技术应用
(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108W/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。
 
(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(PrintedcircuitsBoards)中表面安装用模板(SMTstencil)。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)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。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以应用,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。
 
激光精密加工技术发展趋势及前景
优良、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、材料加工于一体,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,并终会使激光精密加工形成较大的规模产业。
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