激光精密加工技术的现状与展望

激光束可以聚焦到非常小的尺寸，使其特别适用于 精密加工. 我们根据被加工材料的尺寸和加工精度要求，将目前的激光加工技术分为三个等级：

• ①大尺寸材料的激光加工技术，以厚板（几毫米至几十毫米）为主要对象，其加工精度一般在毫米或亚毫米级；
• ②精密激光加工技术，以薄板（0.1～1.0mm）为主要加工对象，其加工精度一般在十微​​米量级；
• ③激光微细加工技术，以厚度小于100μm的各种薄膜为主要加工对象，其加工精度一般在10微米以下甚至亚微米级。

必须注意的是，在机械行业中，精度通常是指表面粗糙度小，公差范围小（包括位置、形状、尺寸等）。 但是，本文中的“精度”一词是指正在加工的区域中的小间隙，这意味着可以加工的极限尺寸很小。 在上述三类激光加工中，大型零件的激光加工技术日趋成熟，产业化程度很高。 激光微调、激光精密蚀刻、激光直写技术等激光微加工技术在工业上也得到了广泛应用，相关报道也不少。 本文将重点介绍激光精密加工技术。 为方便起见，下述精密加工的加工对象仅限于薄板（0.1-1.0mm）。

1.激光精密加工与传统加工方式的比较

随着科技的进步，精密加工技术的种类越来越丰富。

激光精密加工具有以下显着特点：

• ①激光精密加工范围广，几乎包括所有金属和非金属材料。 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材料。
• ② 影响激光精密加工质量的因素少，加工精度高，总体上优于其他传统加工方法。
• ③ 从加工周期来看，电火花加工的刀具电极精度要求高，损耗大，加工周期长； 电解加工型腔和型材的阴极模具设计量大，制造周期也长； 手续复杂； 激光精密加工简单，切缝宽度易于调节和控制，加工速度快，加工周期比其他方法短。
• ④激光精密加工属于非接触加工，无机械力。 与电火花加工和等离子弧加工相比，其热影响区和变形很小，因此可以加工非常小的零件。

综上所述，激光精密加工技术相对于传统加工方法具有诸多优势，应用前景十分广阔。

二、常用激光精密加工设备介绍

精密加工常用的激光器有：CO2激光器、YAG激光器、铜蒸气激光器、准分子激光器、CO激光器等，其激光器特性详见文献。 

其中，大功率CO2激光器和大功率YAG激光器广泛应用于大尺寸激光加工技术； 铜蒸汽激光器和准分子激光器在激光微加工技术中应用更为广泛； 中低功率YAG激光器一般用于精密加工。

3、激光精密加工在国内外的应用与发展

3.1 国际地位

3.1.1 激光精密钻孔

随着科技的进步，传统的冲孔方式在很多场合已经不能满足需要。 例如，在硬质碳化钨合金上加工直径几十微米的小孔； 在硬脆的红色和蓝宝石等上加工直径数百微米的深孔，这是常规加工方法无法实现的。 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至熔点或沸点，实现对上述材料的穿孔。 与电子束、电解、电火花、机械钻孔相比，激光钻孔质量好、重复精度高、通用性强、效率高、成本低，综合技术经济效益显着。 国际精密激光钻孔已达到很高的水平。 瑞士某公司采用固态激光器在飞机涡轮叶片上打孔，可加工直径从20μm到80μm的微孔，径深比可达1：80（见图1（a）） . 激光束还可以在陶瓷等脆性材料上加工各种异形孔，如盲孔（见图1（b））和方孔，这是普通机械加工无法实现的。

3.1.2 激光精密切割

与传统切割方式相比，精度高 激光切割 有很多优点。 例如，它可以制作狭窄的切口，几乎没有切割残留物，热影响区小，切割噪音低，并且可以节省15%到30%的材料。 由于激光对被切割材料几乎不产生机械脉冲和压力，适用于玻璃、陶瓷、半导体等硬脆材料的切割。另外，激光光斑小，狭缝窄，因此特别适用适用于小零件。 一种精密切割。 一家瑞士公司使用固态激光器进行精密切割，其尺寸精度达到了非常高的水平。

激光精密切割的典型应用是在印刷电路板中切割 SMT 模板（见图 2）。 传统的SMT模板加工方法是化学蚀刻法。 其致命缺点是加工的极限尺寸不得小于板材厚度，而化学蚀刻法工艺复杂，加工周期长，腐蚀性介质污染环境。 

使用激光加工不仅可以克服这些缺点，还可以对成品模板进行再加工，特别是加工精度和间隙密度明显优于前者（见图3）。 略低于前者。 但是，由于激光加工所用的整套设备技术含量高，价格高，只有美国、日本、德国等少数国家的少数几家公司能够生产整机。

3.1.3 激光精密焊接

激光焊接具有非常窄的热影响区和小焊缝。 特别是，它可以焊接高熔点材料和异种金属，而不需要额外的材料。 国际上用于缝焊和点焊的固体YAG激光器已达到较高水平。 另外，印刷电路的引线采用激光焊接，不需要使用助焊剂，可以在不影响电路管芯的情况下减少热冲击，从而保证集成电路管芯的质量（见图4） .

3.2 中国现状

经过20多年的努力，在激光精密加工技术和成套设备方面，我国虽然已经在微小型金属零件的陶瓷激光划线和激光点焊、缝焊和气密焊、打标等方面有所应用，等等。 

但在激光精密加工技术中，技术含量高、应用市场广阔的微电子电路模板精密切割蚀刻工艺，陶瓷片上的通孔、盲孔和异型孔、各种规格尺寸的槽、印刷线路板激光精密加工等方面还处于研发阶段，还没有出现相应的工业样机。 

国内广大用户普遍采用进口模板或香港等地委托加工，价格高、周期长，严重影响了产品开发周期。 近年来，一些国际大公司看到了中国在激光精密加工行业的巨大潜力市场。 ，已开始在中国设立分公司。 然而，高昂的加工成本增加了产品成本，仍然让很多企业望而却步。

四、激光精密加工技术发展趋势与展望

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是加工系统的小型化。 近年来，二极管泵浦激光器发展迅速。 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。

加工系统的集成化是激光精密加工发展的另一个重要趋势。 对各种材料的激光精密加工技术进行系统化和完善； 开发适合激光精密加工的用户友好型专用控制软件，并辅以相应的工艺数据库； 将控制、过程和激光相结合，实现光、机、电、材加工一体化是激光精密加工发展的必然趋势。

虽然我国在激光加工技术和装备方面与国际有较大差距，但如果在原有基础上继续提高激光光束质量和加工精度，结合材料加工技术的研究，将占据激光加工精度机械加工市场。 并逐步渗透到激光微加工领域，可促进激光微加工的快速发展 激光切割 技术，最终使激光精密加工成为一个规模化的产业。

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