激光加工的最新应用领域

激光加工的最新应用领域

王又良

(上海市激光技术研究所　上海市激光束精细加工重点实验室　上海200233)

　　提要　介绍近年来国际激光加工作为先进制造技术在各个行业、产业应用中的发展趋势。同时,对各种新颖的全固态激光器,包括半导体泵浦固体激光及其倍频技术、高重复频率超短脉冲UV固体激光精细微加工技术、高功率工业级光纤激光器的最新应用

　　关键词　微通道PCB打孔激光加工塑料焊接光纤激光器船舶制造

　　基于激光束具有单色性好、能量密度高、空间控制性和时间控制性良好等一系列优点,目前它已广泛应用于材料加工等领域。激光加工的行业包括汽车制造、航天航空、电子、化工、包装医疗设备等,我国激光加工市场前景广阔,预计平均每年以20-30%的速率递增。与计算机数控技术相结合,激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术,拥有普通加工技术所不能比拟的优势。例如激光加工为非接触式加工,因此速度快、无噪声,可实现各种复杂形状的高精度加工目的,且无通常意义上的\"刀具\"磨损,无需更换\"刀头\"。　　激光加工技术的传统应用主要有金属材料的激光焊接、激光切割、激光打孔、激光标记、激光表面热处理、激光快速成型、激光雕刻等。随着新型激光器件的诞生、激光技术的不断发展以及新材料、新工艺的涌现,激光加工技术在不同行业得到了进一步的应用。

多层PCB激光微通道打孔技术

已经安装了1400多套激光打孔系统,这一数字将近是几年前的两倍(1999年大约为350套)。最新的世界微通道打孔信息显示,每年有超过300,000平方米的高密度多层印刷线路板是用激光来打孔的。1999年6月的生产量为200,000平方米/月,而到2000年8月达到了300,000平方米/月,相比之下,有50%的增长。到2000年底,每月微通道打孔的产量增加到超过450,000平方米。　　2.用于多层PCB微通道打孔的主要激光设备　　用于PCB微通道打孔的早期激光打孔设备是单头的UVYAG激光器或单头的CO2激光器,随着微通道打孔产量的要求不断提高,许多生产厂家开始研制双头激光打孔设备。在市场上有许多不同种类的双头激光打孔设备,以下是目前市场上主要的三种双头激光打孔设备:　　3双头UV激光系统

　　3双头CO2激光系统

　　3混合激光系统(UV和CO2)　　这三种系统都有各自的优点和缺点,对于那些激光可容易穿透的两种材料,可以使用双头单波长系统和双头双波长系统。

图1　PCB微通道打孔中激光加工所占的比例

　　1.PCB激光微通道打孔的现状

　　近几年,激光技术已经广泛应用于高密度印刷线路板微通道打孔及芯片封装设备中,目前全世界

图2　两种不同激光器适合的打孔尺寸

T轴为孔径尺寸,Y轴为产能率

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　　有两种比较经济实用的激光技术用于PCB板的微通道打孔,如图2所示:CO2激光波长在远红外区域。UV激光波长在紫外区域。CO2激光器广泛地应用于PCB工业中的打孔,孔径设计比较大,直径>100微米。在这种大尺寸的激光打孔中,CO2激光器的生产力较高,这主要是因为CO2激光器可以在短时间内打穿较大的孔。UV激光器广泛用于打孔的直径<100微米,甚至孔径缩小到<50微米的情况。当孔径<80微米时,UV激光器的打孔生产力非常高。从两种波长激光器的比较图来看,打孔的孔径为10微米时,用UV激光器打孔也是可能的,而实际上当孔径<50微米时,CO2激光技术已经不可能用于打孔了。

　　激光器UV1中,在5kHz时采用50个脉冲打一个100微米的孔,转换为一较高功率的激光器UV2时,可以使用相同的脉冲能量及相同的脉冲数,但在一较高的脉冲频率7kHz的情况下。用较高功率的激光器工作在较高脉冲频率下,打孔时间大约可以降低30%。　　多层PCB微通孔的双波长激光加工设备:

激光焊接塑料

　　1.激光焊接塑料的优点　　随着塑料在汽车、医疗设备及电子等行业的零部件设计、制造上日趋广泛的使用,如汽车的仪表板和仪表盘、刹车显示灯、方向指示器等,而且原先许多传统使用金属的零部件(汽车进气管、油箱、过滤器、医学上使用的流体输送系统等)也开始逐渐被塑料所代替,因此,在塑料制品的加工过程中人们渴望一种更加快速、有效、干净的塑料焊接方式。本项目研制的大功率光纤激光塑料焊接系统可完全满足这方面的市场需求,为用户提供先进、高效的焊接技术。

图3　

　　在紫外激光技术中,半导体泵浦UV激光器已经成为工业用标准激光器,它可提高传输到工件表面的单脉冲能量。较高的脉冲频率需要增加平均功率,才能得到好的效果。典型的应用就是在较高的脉冲频率时,增加单脉冲的能量,这样就可以快速地将激光能量传输到工件表面,缩短打孔的时间。图3是一个典型的应用例子,使用UV激光器,采用较高的功率,较高的重复率的工作方式。　　3.使用UV激光器,重复频率增加时,增加输出功率才能达到同样的打孔效果。

　　目前国内市场上普遍使用的塑料焊接技术主要有振动摩擦焊接、热板式塑料焊接及超声波焊接等焊接技术。由于材料和设备方面的进步,使激光焊接技术作为一种连接塑料制品的专门方法得到了生产厂家的认可,主要用于连接敏感性塑料制品(含有线路板)、具有复杂几何形状的塑料件以及有严格洁净要求的塑料制品(医药设备)等等。与传统的塑料焊接技术相比,光纤激光焊接塑料技术主要有以下几方面的优点:　　(1)、能生成精密、牢固和密封(不透气和不漏水)的焊接,而且树脂降解少、产生的碎屑少,制品的表面能够在焊缝周围严密地连接在一起。激光焊接没有残渣的优点使它比较适合于国家食品药品监督管理局管制的医药制品及电子传感器等。　　(2)、易于控制,具有良好的适应性,可焊接尺寸小或外形结构复杂的工件。这主要是因为激光便于计算机软件控制,而且光纤激光器输出可灵活地达到零件各个微小部位,能够焊接其它焊接方法不易达到的区域。　　(3)、极大地减小了制品的振动应力和热应力,比采用其它连接方式所产生的振动应力和热应力小得多,这意味着制品或者装置内部组件的老化速度更慢,可应用于极易损坏的制品。　　(4)、能够将许多种类不同的材料焊接在一起,

图4　

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例如,将透过近红外激光的聚碳酸脂(PC)和30%玻纤增强的黑色聚对苯二甲酸丁二脂(PBT)连接在一起,而其它的焊接方法根本不可能将两种在结构、软化点和增强材料等方面如此不同的聚合物连接起来。　　2.塑料激光焊接的现状及发展趋势　　近年来,从事连接精密的高价值塑料制品的许多欧洲公司对激光焊接这种非接触式焊接技术的需求有明显增长的趋势,而美国和加拿大的塑料加工商们也在不断拓展激光焊接技术的应用领域。在2001年十月德国举行的K2001展览会上展出了一些全新的激光设备,Bielomatik、Leister和Branson等几家欧洲公司展示了更加节省成本、更加高效的专门用于塑料的焊接系统。

　　Leister公司的新型NovolasC型焊接机使用高功率的半导体激光器,既是一台特型焊机、也是一台点焊机,它产生圆形的激光点。激光束固定不动,而塑料制品置于X、Y方向受程序控制的工作台上,激光点沿着整个焊接路线进行移动,焊接的最大区域面积为250×250mm。NovolasS型焊接机则将激光点整形为一条直线或者曲线,可同时照射整个结合处。而该公司生产的另一机型NovolasM系统采用掩膜覆盖技术,能生成更细、更精确的焊缝,特别μm的精度。适用于医药设备的微连接,可达到2

　　Bielomatik公司的Laser-Tec系统采用70到

250W的Nd:YAG激光器,使用高速的扫描镜,可以使激光束快速扫描全部焊缝。该系统在欧洲已被订购了20套,另外全世界还有30个项目正在计划采用这套系统,它正在应用于制造Benz汽车的电子

开门器。由两台激光器组成的系统能够焊接最大560×280mm的区域。　　激光塑料焊接技术在欧美等发达国家已经得到

图5　激光焊接塑料的原理

了一定的应用,我国在这方面尚是空白。

　　3.塑料激光焊接的基本原理及几种常用的焊接方法　　激光焊接塑料的基本原理是,两种塑料在低压力下被夹紧在一起,激光穿过一个制品,然后被另外一个制品吸收,吸收激光能量的制品将光能转化为热能,在塑料的接触面熔化,形成一个焊接区,如图4所示。　　常用的焊接方法主要有:　　a.激光束沿着焊缝处快速扫描,达到焊接的目的,如图5所示;　　b.通过光学元件将激光束整形,同时在焊缝处产生热量,如图6所示;　　c.照射掩膜焊接,激光束仅加热制品上没有被掩膜遮住的部分,可以快速焊接复杂的焊缝,如图7所示;　　d.激光束固定,塑料工件置于受程序控制的多维可移动的工作台上。

图5　　　　　　　　　　　　　　图6　　　　　　　　　　　　　　图7

　　杜邦公司和Ticona公司认为在大多数热塑性

材料中加入适量碳黑,可以大大提高材料对近红外激光的吸收率。绝大多数本色的塑料和许多有色的半透明塑料都能被激光焊接,例如聚苯乙烯(PS)、

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聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)等材料。通过对各种塑料材料对光纤激光反射率和透过率的研究,解决激光焊接塑料的材料等问题。

大功率光纤激光器在船舶制造业中的应用　　1.激光加工技术在造船工业中的优势　　中国造船工业经历了改革开放20多年的发展,在造船产量、技术水平、建造周期等方面都取得了很大进步。但是在材料的切割、焊接、平板成型等加工中仍采用传统的方式,加工的机械化、自动化率与国外大型造船厂相比差距还非常大。与造船工业中常用的传统加工方式相比,新型的激光加工技术主要具有以下优点:　　对于船体货物载重量日益增长的需求,特别是在军舰上,装有大量的武器弹药,因此要求使用非常薄的平板,传统的焊接加工对薄平板的热影响较大,采用激光加工技术就可避免这一问题。　　受加工平台尺寸的限制,传统的材料加工尺寸不能太大,而由于激光可以采用光纤等灵活的输出方式,因此甲板、船体等大表面尺寸的工件加工可以不受工作台尺寸的影响。　　加工非接触式,且速度快,加工边缘光滑,加工过程高度自动化,大大降低造船成本及造船时间,减少加工过程的返工率。　　2.国内外的发展现状　　欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术。采用先进的LEGO原理,船体分段制造、拼接总装而成。另外,I-core技术,例如美国最新建造的航空母舰(CVN-79)上广泛使用高强度、低合金钢的T型构件。

　　采用激光焊接技术,使该航母的重量降低大约200吨。船体平板为了适应海洋流体力学的需要,都被设计成具有复杂的三维曲率形状,激光辅助平板成型技术可以代替费力、费时、具有一定危险性的机械加热成型工艺,应用前景良好。日本的Ka2wasaki重工等造船企业已经安装了高功率激光平

开发。我国已开发出了中小功率系列工业光纤激光设备,但大功率光纤激光器工业加工应用尚是空白,而在我国造船工业中甚至还没有使用激光加工技术。　　3.大功率光纤激光器在船舶制造业中的优势及展望　　光纤激光器是近几年激光领域里极其关注的热点,在加工领域光纤激光器有迅速替代传统的YAG、CO2激光器的趋势,人们普遍认为,大功率光纤激光器将是第三代最先进的工业加工激光器。集成大功率光纤激光器技术、精密控制技术及电子技术开发的新颖激光加工设备,可广泛应用于汽车、船舶等制造业,将先进制造技术改造传统支柱产业。目前商用化的光纤激光器输出连续功率已上升到数千瓦的量级,以至万瓦的量级。与一般的激光器相比,光纤激光器具有许多独特的优点,例如光束质量好;体积小,重量轻,免维护;风冷却简单易操作;运行成本低,可在工业环境下使用;寿命长加工精度高、速度快;电能转化效率高,可以实现智能化、自动化、柔性化操作等。基于上述的优点,其应用领域已经扩展到汽车制造、船舶制造和航空制造业等的金属和非金属材料的激光切割、激光焊接等方面。　　造船工业是上海未来五年新一轮经济建设的重点,是上海工业支柱产业之一,各种先进的造船技术和工艺必然得到推广应用。上海作为国际化大城市,几家主要的大型船舶制造企业正在迁移和升级改造。城市旅游资源的开发,黄浦江两岸美丽的景色使国内外游客留恋忘返。采用高强度轻质合金材料(使用光纤激光加工技术具有明显优势)建成的新型观光旅游船,满足旅游市场进一步发展的需要,现已列为中船集团(MARIC)等设计院所的重点发展方向。　　从船舶设计单位和制造工艺标准制定的源头着手,切人上海的船舶制造业,并通过与光纤激光器制造商IPG公司的密切合作,引进大功率(700W-2000W)光纤激光器,跨越式地走出一条现代先进制造业装备集成的新模式,开发具有自主知识产权、采用国际最新激光技术的船舶制造业新颖装备,对填补国内空白、推动上海造船支柱工业和促进上海激光产业的跨越式发展具有重要意义。

板切割系统,德国的MeyerWerft也安装了四台

12KW的CO2激光器,用来焊接不同长度的船体加强杆。目前美国、欧洲等地区正在进行大功率光纤激光工业加工设备的开发,正在开发的有2kW、6kW输出的工业级光纤激光器的加工设备的二次

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