激光加工原理及特點

激光加工原理：

　　激光加工是利用光的能量經過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度，靠光熱效應來加工的。 激光加工不需要工具、加工速度快、表面變形小，可加工各種材料。用激光束對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。 某些具有亞穩態能級的物質，在外來光子的激發下會吸收光能，使處于高能級原子的數目大于低能級原子的數目——粒子數反轉，若有一束光照射，光子的能量等于這兩個能相對應的差，這時就會產生受激輻射，輸出大量的光能。

　　特點

　　從全球激光產品的應用領域來看，材料加工行業仍是其主要的應用市場，占比為35.2%;通信行業排名第二，其所占比重為30.6%;另外，數據存儲行業占據第三位，其所占比重為12.6%。

　　與傳統加工技術相比，激光加工技術具有材料浪費少、在規?；a中成本效應明顯、對加工對象具有很強的適應性等優勢特點。在歐洲，對高檔汽車車殼與底座、飛機機翼以及航天器機身等特種材料的焊接，基本采用的是激光技術。

　　1、激光功率密度大，工件吸收激光后溫度迅速升高而熔化或汽化，即使熔點高、硬度大和質脆的材料(如陶瓷、金剛石等)也可用激光加工；

　　2、激光頭與工件不接觸，不存在加工工具磨損問題；

　　3、工件不受應力，不易污染；

　　4、可以對運動的工件或密封在玻璃殼內的材料加工；

　　5、激光束的發散角可小于1毫弧，光斑直徑可小到微米量級,作用時間可以短到納秒和皮秒,同時,大功率激光器的連續輸出功率又可達千瓦至十千瓦量級，因而激光既適于精密微細加工,又適于大型材料加工；

　　6、激光束容易控制,易于與精密機械、精密測量技術和電子計算機相結合，實現加工的高度自動化和達到很高的加工精度；

　　7、在惡劣環境或其他人難以接近的地方，可用機器人進行激光加工。

　　激光切割

　　激光切割技術廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工中，可大大減少加工時間，降低加工成本，提高工件質量。激光切割是應用激光聚焦后產生的高功率密度能量來實現的。與傳統的板材加工方法相比 , 激光切割其具有高的切割質量、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應性等優點。

　?。?）激光熔化切割

　　在激光熔化切割中，工件被局部熔化后借助氣流把熔化的材料噴射出去。因為材料的轉移只發生在其液態情況下，所以該過程被稱作激光熔化切割。

　　激光光束配上高純惰性切割氣體促使熔化的材料離開割縫，而氣體本身不參與切割。

　　——激光熔化切割可以得到比氣化切割更高的切割速度。氣化所需的能量通常高于把材料熔化所需的能量。在激光熔化切割中，激光光束只被部分吸收。

　　——最大切割速度隨著激光功率的增加而增加，隨著板材厚度的增加和材料熔化溫度的增加而幾乎反比例地減小。在激光功率一定的情況下，限制因數就是割縫處的氣壓和材料的熱傳導率。

　　——激光熔化切割對于鐵制材料和鈦金屬可以得到無氧化切口。

　　——產生熔化但不到氣化的激光功率密度，對于鋼材料來說，在104W/cm²～105 W/cm²之間。

　?。?） 激光火焰切割

　　激光火焰切割與激光熔化切割的不同之處在于使用氧氣作為切割氣體。借助于氧氣和加熱后的金屬之間的相互作用，產生化學反應使材料進一步加熱。對于相同厚度的結構鋼，采用該方法可得到的切割速率比熔化切割要高。

　　另一方面，該方法和熔化切割相比可能切口質量更差。實際上它會生成更寬的割縫、明顯的粗糙度、增加的熱影響區和更差的邊緣質量。

　　——激光火焰切割在加工精密模型和尖角時是不好的（有燒掉尖角的危險）?？梢允褂妹}沖模式的激光來限制熱影響。

　　——所用的激光功率決定切割速度。在激光功率一定的情況下，限制因數就是氧氣的供應和材料的熱傳導率。

　?。?）激光氣化切割

　　在激光氣化切割過程中，材料在割縫處發生氣化，此情況下需要非常高的激光功率。

　　為了防止材料蒸氣冷凝到割縫壁上，材料的厚度一定不要大大超過激光光束的直徑。該加工因而只適合于應用在必須避免有熔化材料排除的情況下。該加工實際上只用于鐵基合金很小的使用領域。

　　該加工不能用于，象木材和某些陶瓷等，那些沒有熔化狀態因而不太可能讓材料蒸氣再凝結的材料。另外，這些材料通常要達到更厚的切口。

　　——在激光氣化切割中，最優光束聚焦取決于材料厚度和光束質量。

　　——激光功率和氣化熱對最優焦點位置只有一定的影響。

　　——所需的激光功率密度要大于108W/cm2，并且取決于材料、切割深度和光束焦點位置。

　　——在板材厚度一定的情況下，假設有足夠的激光功率，最大切割速度受到氣體射流速度的限制。

　　激光焊接

　　激光焊接是激光材料加工技術應用的重要方面之一，焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰功率和重復頻率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其獨特的優點，已成功地應用于微、小型零件焊接中。與其它焊接技術比較，激光焊接的主要優點是：激光焊接速度快、深度大、變形小。能在室溫或特殊的條件下進行焊接，焊接設備裝置簡單。

　　激光鉆孔

　　隨著電子產品朝著便攜式、小型化的方向發展，對電路板小型化提出了越來越高的需求，提高電路板小型化水平的關鍵就是越來越窄的線寬和不同層面線路之間越來越小的微型過孔和盲孔。傳統的機械鉆孔最小的尺寸僅為100μm ，這顯然已不能滿足要求，代而取之的是一種新型的激光微型過孔加工方式。用CO2激光器加工在工業上可獲得過孔直徑達到在30-40μm的小孔或用UV 激光加工10μm左右的小孔。在世界范圍內激光在電路板微孔制作和電路板直接成型方面的研究成為激光加工應用的熱點，利用激光制作微孔及電路板直接成型與其它加工方法相比其優越性更為突出，具有極大的商業價值。

　　激光打孔

　　激光加工設備

　　采用脈沖激光器可進行打孔,脈沖寬度為0.1～1毫秒,特別適于打微孔和異形孔,孔徑約為0.005～1毫米。激光打孔已廣泛用于鐘表和儀表的寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等工件的加工。在造船、汽車制造等工業中,常使用百瓦至萬瓦級的連續CO2激光器對大工件進行切割,既能保證精確的空間曲線形狀,又有較高的加工效率。對小工件的切割常用中、小功率固體激光器或CO2激光器。在微電子學中，常用激光切劃硅片或切窄縫，速度快、熱影響區小。用激光可對流水線上的工件刻字或打標記，并不影響流水線的速度，刻劃出的字符可永久保持。

　　激光微調

　　采用中、小功率激光器除去電子元器件上的部分材料，以達到改變電參數（如電阻值、電容量和諧振頻率等）的目的。激光微調精度高、速度快，適于大規模生產。利用類似原理可以修復有缺陷的集成電路的掩模，修補集成電路存儲器以提高成品率，還可以對陀螺進行精確的動平衡調節。

　　激光熱處理

　　用激光照射材料，選擇適當的波長和控制照射時間、功率密度，可使材料表面熔化和再結晶，達到淬火或退火的目的。激光熱處理的優點是可以控制熱處理的深度，可以選擇和控制熱處理部位，工件變形小,可處理形狀復雜的零件和部件,可對盲孔和深孔的內壁進行處理。例如，氣缸活塞經激光熱處理后可延長壽命；用激光熱處理可恢復離子轟擊所引起損傷的硅材料。

　　激光加工的應用范圍還在不斷擴大，如用激光制造大規模集成電路，不用抗蝕劑，工序簡單,并能進行0.5微米以下圖案的高精度蝕刻加工，從而大大增加集成度。此外，激光蒸發、激光區域熔化和激光沉積等新工藝也在發展中。2.2 加工質量

　　應用

　　激光技術與原子能、半導體及計算機一起，是二十世紀最負盛名的四項重大發明。

　　激光作為上世紀發明的新光源，它具有方向性好、亮度高、單色性好及高能量密度等特點，已廣泛應用于工業生產、通訊、信息處理、醫療衛生、軍事、文化教育以及科研等方面。據統計，從高端的光纖到常見的條形碼掃描儀，每年與激光相關產品和服務的市場價值高達上萬億美元。中國激光產品主要應用于工業加工，占據了40%以上的市場空間。

　　激光加工作為激光系統最常用的應用，主要技術包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標、激光鉆孔、微加工及光化學沉積、立體光刻、激光刻蝕等。

　　激光加工設備就是利用激光加工技術改造傳統制造業的關鍵技術設備之一，主要產品則包括各類激光打標機、焊接機、切割機、劃片機、雕刻機、熱處理機、三維成型機以及毛化機等。這類產品已經或正在進入各工業領域。

　　具體應用

　　一、在服裝行業的應用

　　因為激光加工工藝具有自動化程度高、加工精確高、速度快、效率高、操作簡單方便等特點，適應了國際服裝生產技術潮流所以激光加工技術以及設備正在以驚人的速度在服裝行業內得到推廣和普及。

　　1、激光切割應用

　　激光切割過程中，不會使布料變形或起皺，激光切割尺寸精度高，激光切割形狀可隨著圖稿進行任意更改，增加了設計的實用性和創造性。另外，激光切割技術是用“激光刀”代替金屬刀，激光切割任何面料，能瞬間將切口熔化并凝固，縫隙小、精確度高達到自動“鎖邊”的功能。傳統工藝用刀模切割或熱加工，切口易脫絲、發黃、發硬。

　　2、激光雕刻應用

　　激光雕刻是利用軟件技術，按設計圖稿輸入數據進行自動雕刻。激光雕刻是激光加工技術在服裝行業中運用最成熟、最廣泛的技 術，能雕刻任何復雜圖形標志，還可以進行射穿的鏤空雕刻和表面雕刻，從而雕刻出深淺不一、質感不同、具有層次感和過渡顏色效果的各種圖案。

　　3、激光打標應用

　　激光打標具有打標精度高、速度快、標記清晰等特點。激光打標兼容了激光切割、雕刻技術的各種優點，可以在各種材料上進行精密加工，還可以加工尺寸小且復雜的圖案，激光標記具有永不磨損的防偽性能。

　　激光加工在電子行業應用

　　二、在電子工業中的應用

　　激光加工技術屬于非接觸性加工方式，所以不產生機械擠壓或機械應力，特別符合電子行業的加工要求。另外，還由于激光加工技術的高效率、無污染、高精度、熱影響區小，因此在電子工業中得到廣泛應用。

　　1、激光劃片

　　激光劃技術是生產集成電路的關鍵技術，其劃線細、精度高(線寬為15-25μm，槽深5-200μm)、加工速度快(可達200mm/s)，成品率達 99.5%以上。集成電路生產過程中，在一塊基片上要制備上千個電路，在封裝前要把它們分割成單個管芯。傳統的方法是用金剛石砂輪切割，硅片表面因受機械力而產生輻射狀裂紋。用激光劃線技術進行劃片，把激光束聚焦在硅片表面，產生高溫使材料汽化而形成溝槽。通過調節脈沖重疊量可精確控制刻槽深度，使硅片很容易沿溝槽整齊斷開，也可進行多次割劃而直接切開。由于激光被聚焦成極小的光斑，熱影響區極小，切劃50μm深的溝槽時，在溝槽邊25μm的地方溫升不會影響有源器件的性能。激光劃片是非接觸加工，硅片不會受機械力而產生裂紋。因此可以達到提高硅片利用率、成品率高和切割質量好的目的。還可用于單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池的劃片以及硅、鍺、砷化稼和其他半導體襯底材料的劃片與切割。

　　2、激光微調

　　激光微調技術可對指定電阻進行自動精密微調，精度可達0.01%一0.002%，比傳統方法的精度和效率高，成本低。集成電路、傳感器中的電阻是一層電阻薄膜，制造誤差達上15一20%，只有對之進行修正，才能提高那些高精度器件的成品率。激光可聚焦成很小的光斑，能量集中，加工時對鄰近的元件熱影響極小，不產生污染，又易于用計算機控制，因此可以滿足快速微調電阻使之達到精確的預定值的目的。加工時將激光束聚焦在電阻薄膜上，將物質汽化。微調時首先對電阻進行測量，把數據傳送給計算機，計算機根據預先設計好的修調方法指令光束定位器使激光按一定路徑切割電阻，直至阻值達到設定值，同樣可以用激光技術進行片狀電容的電容量修正及混合集成電路的微調。優越的定位精度，使激光微調系統在小型化精密線形組合信號器件方面提高了產量和電路功能。

　　3、激光打標

　　激光打標是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料汽化或發生顏色變化的化學反應，從而留下永久性標記的一種打標方法。激光打標有雕刻和掩模成像兩種方式:掩模式打標用激光把模版圖案成像到工件表面而燒蝕出標記。雕刻式打標是一種高速全功能打標系統。激光束經二維光學掃描振鏡反射后經平場光學鏡頭聚焦到工件表面，在計算機控制下按設定的軌跡使材料汽化，可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，激光標記是永久性的，不易磨損，這對產品的防偽有特殊的意義。已大量用在給電子元器件、集成電路打商標型號、給印刷電路板打編號等。紫外波段激光技術發展很快，由于材料在紫外波激光作用下發生電子能帶躍遷，打破或削弱分子間的結合鍵，從而實現剝蝕加工，加工邊緣十分齊整，因此在激光標記技術中異軍突起，尤其受到微電子行業的重視。

　　注意事項

　　加工精度

　　激光切割的加工精度是由加工機性能、光束品質、加工現象而決定的整體精度。

　　一、 關于尺寸變化

　　即使按照程序進行切割，也有加工產品無法滿足精度要求的情況。所以需要根據不同的情況采取對策。

　　1.加工產品的全體尺寸有變化

　　這是由于切口上激光焦點直徑和其周圍燃燒區域形成的切口寬度所影響的。

　　雖然在相同條件下，對相同的加工物，使用同一偏置補償值可以確保其精度，但是焦點位置的設定要憑借加工機操作人員的感覺來確定，而且熱透鏡作用也會造成焦點位置的變化，所以需要定期檢查最佳的偏置補償值。

　　2．加工方向(部分)上的尺寸誤差有差別

　　板材上部的尺寸精度與尺寸精度有不同的情況。這個現象要考慮兩方面的原因。首先，光束圓度和強度分布不均一，造成切口寬度沿加工方向有所不同。解決的方法是進行光軸調整或清洗光學部件。其次，被加工物受熱膨脹會引起加工形狀長方向尺寸變短的情況。

　　3．翹曲引起的變化

　　尺寸精度雖然在要求范圍內，但由于熱變形等原因會造成發生翹曲。加工鋁、銅、不銹鋼等時非常顯著，它受到線膨脹系數、熱容量等物性的影響。就加工形狀來說，縱橫比越大，翹曲量就越大。采用低熱量加工條件以及加工線路等在加工程序上下工夫，但還沒有完全解決問題。

　　加工板件所擁有的殘余應力對翹曲和尺寸誤差也有影響，所以我們需要對加工程序始終保持一定的配置方向。

　　4．間距精度變化

　　加工很多孔時，孔與孔之間的間距精度會出現偏差。由于在熱膨脹情況下開孔，冷卻收縮后，間距變小。我們可以在程序中補正收縮部分的精度或者靈活運用形狀縮放功能。無論什么情況，都要在初期加工后，測定其加工尺寸，補誤差。當間隔精度不隨加工位置而變化，而是在整個加工區里都惡化時，其原因是機械精度的惡化而造成的。

　　5．圓度變化

　　在激光加工中加工孔切割面產生坡度是無法避免的，下面直徑比背面直徑大，一般都評估背面稍小一側的圓度。

　　激光穿孔

　　1、穿孔的難度

　　在切割的開始部位加工開始加工所需要的孔稱做穿孔。板越厚，穿孔就越不穩定?？梢哉f，板厚大于12.Omm的厚板切割中，發生加工不良現象的70%起因于穿孔不好。為了實施穩定的穿孔，在這里對穿孔的加工特性進行說明。

　　2、穿孔的原理

　　在穿孔過程中，貫通之前加工中產生的熔融金屬堆積在被加工物表面上孔的周圍。從發光后對被加工物表面加熱過程，到緩慢加熱進行穿孔作用，直至最后的貫通是連續進行的。這個方法，如果板件厚度大于9.Omm，則穿孔時間就會急劇增加，但是孔徑約為0.5mm，比切口窄，熱影響也小。因此，如果增加加工能力，加大輸出能量，熔融金屬就很難全部從孔徑上部排出，出現過度燃燒現象。CW條件是在被加工物表面的略微上方設定焦點位置，增大加工孔徑，迅速加熱的方法。雖然出現大量熔融金屬，飛散到被加工物表面上，但卻大幅度縮短了加工時間。

　　在穿孔的孔壁上也會出現吸收激光能量的現象。在穿孔加工過程中，照射的激光在穿孔中多重反射，邊被吸收邊向下傳播。為了縮短穿孔時間，就要補充被孔壁吸收而

　　激光加工在電子行業應用

　　被減弱的能量，即在穿孔過程中有必要增加輸出功率。而且，為了減少對孔壁周圍的熱影響，要在增加輸出功率的同時，盡可能的縮短穿孔時間，減少激光對孔壁周圍的照射。

　　3、 對付穿孔中出現缺陷的四個原則

　　穿孔過程中出現缺陷時，有必要對各種現象進行原因分析和找出處理方法。

　?。?）缺陷發生的瞬間

　　要確認是在穿孔的過程中，還是在穿孔結束后開始切割時發生的缺陷。如果是穿孔過程中發生的，則根據穿孔開始或者穿孔過程中條件切換時的具體情況，來修正發生問題的輸出功率和氣壓條件。如果缺陷發生在穿孔結束之前，那是因為貫通之前切換到切割條件，有必要延長穿孔時間。

　　如果切割開始時發生加工缺陷的現象，那是因為在孔的表面周圍堆積的熔融金屬部位難以通過，所以有必要在開始位置設定脈沖條件或低速條件。

　?。?）缺陷產生的位置

　　如果在加工平臺的特定位置，集中出現穿孔缺陷，那是因為激光光軸和噴嘴中心偏離。這需要調整光路偏離。

　　如果穿孔位置過于集中或者是在切割線路的附近進行穿孔，由于加工位置溫度過高，也會造成穿孔缺陷。將厚12.Omm的SS400板件作為被加工物，材料溫度從常溫變化到200℃，調查與加工缺陷之間關系的結果。數據是表示在各溫度條件下進行50次穿孔，穿孔缺陷和切割缺陷的發生比例。溫度越高，缺陷的發生率就越大。因此有必要研究加工順序，改善程序盡量沿著尚未過熱的線路進行穿孔和切割。

　?。?）發生穿孔不良的時間

　　隨著加工時間的推移，加工不良的發生次數只見增加不見減少時，其原因可能是發振器故障引起的輸出功率變動。如果增加冷卻時間就能恢復的話，其原因可能是光學部件熱透鏡的作用引起的。這種情況下就需要維修光學部件，并與供應商聯系。

　?。?）發生穿孔不良的材料

　　對于發生穿孔不良的材料，要確認過去是否進行過良好加工，確認記錄很重要。如果有過去加工的記錄，就不需要調整加工條件，可以認定是加工機和光學部件的缺陷，進行檢查找出原因。

　　4、適當的穿孔條件

　　被加工物的厚度越厚，穿孔時間在整體加工時間中所占的比例就會增加，對縮短穿孔時間的要求就會提高。對穿孔時間縮短有效的加工條件參數是脈沖峰值輸出功率和脈沖波形及平均輸出功率。

　　5、 防止在對不銹鋼進行穿孔時出現須狀物

　　在切割不銹鋼時，孔表面周圍會留下飛散須狀的金屬熔渣，在鏡面及條紋表面材料上會出現劃傷。而且，須狀金屬熔渣與靜電感應式加工頭的噴嘴發生接觸時，會出現對焦異常的報警。根據板件的薄厚程度，其相應的處理方法也不同，圖3-6表示了其處理措施。圖3-6a是板厚1.Omm的不銹鋼穿孔結果，脈沖頻率越大，金屬熔渣就越少。圖3-6b是板厚6.Omm的穿孔結果，設定的輔助氣體壓力高，就可減少金屬熔渣。

　　6、 高反射材料穿孔時的注意事項

　　在切割銅、純鋁等高反射材料時，需要在被加工物表面涂抹光束吸收劑。光束吸收劑不僅有提高加工能力的效果，而且從安全的角度上也有抵制反射的作用。加工條件需要降低脈沖頻率，提高脈沖峰值的每1個脈沖能量。而且通過增大氣體壓力，使熔融金屬擠入板件內部，提高加工能力的效果。

　　防護措施

　　1、為避免發生各種傷害，首先對激光加工設備采取必要的防護措施。這些措施主要包括以下方面。

　?。?）激光加工設備要可靠接地，電器系統外罩的所有維修門應安裝有連鎖裝置，電器外罩應設置相應措施一邊在進入維修門之前使內部的電容器組放電。

　?。?）激光加工設備應有各種安全措施，在激光加工設備上映舍友明顯的危險警告標志和信號，如“激光危險”“高壓危險”等字樣。

　?。?）激光加工的光路系統應盡可能全部封閉，如使激光在金屬管中傳遞，以防止對人體的直接照射造成傷害。

　?。?）如果激光加工的光路系統不可能全封閉，則光路應設在較高的位置，使光束在傳遞過程中避開人的頭部，讓激光從人的高度以上通過。

　?。?）激光加工設備的工作臺應采用 玻璃等防護裝置屏蔽，以防止激光的反射。

　?。?）進行激光加工的場地也應設有明顯的安全標志，并設置柵欄、隔墻、屏風等，防止與工作無關人員誤入危險區。

　　2、對人身的保護

　?。?）對于激光切割機的防護設備典型的就是激光防護鏡，因為防止激光對人眼損傷的防護鏡，按其防護原理可分為反射式、吸收式、衍射式和復合式等幾種，當然，他們都會根據激光切割機的激光輻射波長進行過濾防護，達到對人體的激光切割機激光的保護，這也是市場上較為安全方便的激光切割機的防護設備。

　?。?）人體如果有了足夠的健康程度，對于激光切割機的稍微輻射是可以抵御的。所以激光切割機操作人員要注意酌情多吃一些胡蘿卜、豆芽、西紅柿、瘦肉、動物肝等富含維生素A、C和蛋白質的食物，經常喝些綠茶等等。因為這些食物都能幫助人類較好的保護眼睛，讓人體能夠在激光切割機輻射的條件下，較好的保護人體。