激光精密加工技術的現狀與展望

激光束可以聚焦到非常小的尺寸，使其特別適用於 精密加工. 我們根據被加工材料的尺寸和加工精度要求，將當前的激光加工技術分為三個等級：

• ①大尺寸材料的激光加工技術，以厚板（幾毫米至幾十毫米）為主要對象，其加工精度一般在毫米或亞毫米級；
• 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​​米量級；
• ③激光微細加工技術，以厚度小於100μm的各種薄膜為主要加工對象，其加工精度一般在10微米以下甚至亞微米級。

必須指出，在機械行業中，精度通常意味著表面粗糙度小，公差範圍小（包括位置、形狀、尺寸等）。 但是，本文中的“精度”一詞是指正在加工的區域中的小間隙，這意味著可以加工的極限尺寸很小。 在上述三類激光加工中，大型零件的激光加工技術日趨成熟，產業化程度很高。 激光微調、激光精密蝕刻、激光直寫技術等激光微加工技術在工業上也得到了廣泛應用，相關報導也不少。 本文將重點介紹激光精密加工技術。 為方便起見，下述精密加工的加工對象僅限於薄板（0.1-1.0mm）。

1.激光精密加工與傳統加工方式的比較

隨著科技的進步，精密加工技術的種類越來越豐富。

激光精密加工具有以下顯著特點：

• ①激光精密加工範圍廣，幾乎包括所有金屬和非金屬材料。 而電解加工只能加工導電材料，光化學加工只適用於易腐蝕材料，等離子加工難以加工某些高熔點材料。
• ② 影響激光精密加工質量的因素少，加工精度高，總體上優於其他傳統加工方法。
• ③ 從加工週期來看，電火花加工的刀具電極精度要求高，損耗大，加工週期長； 電解加工的加工型腔和型材的陰極模具設計大，製造週期也長； 手續複雜； 激光精密加工簡單，切縫寬度易於調節和控制，加工速度快，加工週期比其他方法短。
• ④激光精密加工屬於非接觸加工，無機械力。 與電火花加工和等離子弧加工相比，其熱影響區和變形很小，因此可以加工非常小的零件。

綜上所述，激光精密加工技術相對於傳統加工方法具有諸多優勢，應用前景十分廣闊。

二、常用激光精密加工設備介紹

精密加工常用的激光器有：CO2激光器、YAG激光器、銅蒸氣激光器、準分子激光器、CO激光器等，其激光器特性詳見文獻。 

其中，大功率CO2激光器和大功率YAG激光器廣泛應用於大尺寸激光加工技術； 銅蒸汽激光器和準分子激光器在激光微加工技術中應用更為廣泛； 中低功率YAG激光器一般用於精密加工。

3、激光精密加工在國內外的應用與發展

3.1 國際地位

3.1.1 激光精密鑽孔

隨著科技的進步，傳統的沖孔方式在很多場合已經不能滿足需要。 例如，在硬質碳化鎢合金上加工直徑幾十微米的小孔； 在硬脆的紅色和藍寶石等上加工直徑數百微米的深孔，這是常規加工方法無法實現的。 激光束的瞬時功率密度高達108 W/cm2，可在短時間內將材料加熱至熔點或沸點，實現對上述材料的穿孔。 與電子束、電解、電火花、機械鑽孔相比，激光鑽孔質量好、重複精度高、通用性強、效率高、成本低，綜合技術經濟效益顯著。 國際精密激光鑽孔已達到很高的水平。 瑞士某公司採用固態激光器在飛機渦輪葉片上打孔，可加工直徑從20μm到80μm的微孔，徑深比可達1：80（見圖1（a）） . 激光束還可以在陶瓷等脆性材料上加工盲孔（見圖1（b））和方孔等各種異形孔，這是普通機械加工無法實現的。

3.1.2 激光精密切割

與傳統切割方式相比，精度高 激光切割 有很多優點。 例如，它可以製作狹窄的切口，幾乎沒有切割殘留物，熱影響區小，切割噪音低，並且可以節省15%到30%的材料。 由於激光對被切割材料幾乎不產生機械脈沖和壓力，適用於玻璃、陶瓷、半導體等硬脆材料的切割。另外，激光光斑小，狹縫窄，因此特別適用適用於小零件。 一種精密切割。 一家瑞士公司使用固態激光器進行精密切割，其尺寸精度達到了非常高的水平。

激光精密切割的典型應用是在印刷電路板中切割 SMT 模板（見圖 2）。 傳統的SMT模板加工方法是化學蝕刻法。 其致命缺點是加工的極限尺寸不得小於板材厚度，而化學蝕刻法工藝複雜，加工週期長，腐蝕性介質污染環境。 

使用激光加工不僅可以克服這些缺點，還可以對成品模板進行再加工，特別是加工精度和間隙密度明顯優於前者（見圖3）。 略低於前者。 但是，由於激光加工所用的整套設備技術含量高，價格高，只有美國、日本、德國等少數國家的少數幾家公司能夠生產整機。

3.1.3 激光精密焊接

激光焊接具有非常窄的熱影響區和小焊縫。 特別是，它可以焊接高熔點材料和異種金屬，而不需要額外的材料。 國際上用於縫焊和點焊的固體YAG激光器已達到較高水平。 另外，印刷電路的引線採用激光焊接，不需要使用助焊劑，可以在不影響電路管芯的情況下減少熱衝擊，從而保證集成電路管芯的質量（見圖4） .

3.2 中國現狀

經過20多年的努力，在激光精密加工技術和成套設備方面，我國雖然已經在微小型金屬零件的陶瓷激光劃線和激光點焊、縫焊和氣密焊、打標等方面有所應用，等等。 

但在激光精密加工技術中，技術含量高、應用市場廣闊的微電子電路模板精密切割蝕刻工藝，陶瓷片上的通孔、盲孔和異型孔、各種規格尺寸的槽、印刷線路板激光精密加工等方面還處於研發階段，還沒有出現相應的工業樣機。 

國內廣大用戶普遍採用進口模板或香港等地委託加工，價格高、週期長，嚴重影響了產品開發週期。 近年來，一些國際大公司看到了中國在激光精密加工行業的巨大潛力市場。 ，已開始在中國設立分公司。 然而，高昂的加工成本增加了產品成本，仍然讓很多企業望而卻步。

四、激光精密加工技術發展趨勢與展望

優質、高效、穩定、可靠、廉價的激光器是精密加工推廣應用的前提。 激光精密加工的發展趨勢之一是加工系統的小型化。 近年來，二極管泵浦激光器發展迅速。 它具有轉換效率高、工作穩定性好、光束質量好、體積小等一系列優點。 很有可能成為下一代激光精密加工的主要激光器。

加工系統的集成化是激光精密加工發展的另一個重要趨勢。 對各種材料的激光精密加工技術進行系統化和完善； 開發適合激光精密加工的用戶友好型專用控制軟件，並輔以相應的工藝數據庫； 將控制、過程和激光相結合，實現光、機、電、材加工一體化是激光精密加工發展的必然趨勢。

雖然我國在激光加工技術和裝備方面與國際有較大差距，但如果我們在原有基礎上繼續提高激光光束質量和加工精度，結合材料加工技術的研究，將佔據激光加工精度機械加工市場。 並逐步滲透到激光微加工領域，可促進激光微加工的快速發展 激光切割 技術，最終使激光精密加工成為一個大產業。

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