精密激光加工機及其應用實例作介紹

　　JIC35導讀：近年來，由于IT產業的飛速發展，以及企業對新材料、特殊材料加工需求的增加，將激光加工應用于超精密加工的市場需求正不斷擴大。激光加工機正由過去主要加工普通薄金屬板向精密加工、非金屬加工領域發展。由于激光加工機本身的改進，以及控制性能、加工技術和激光發生器的進步,光加工正日益拓展到更廣闊的領域。
　　
　　日本澀谷工業公司已有約30年生產、銷售激光加工機的歷史，不僅能生產通用機型，還能根據客戶需求定制加工系統及流水線上的工位加工系統等。本文結合該公司的幾款典型產品，對精密激光加工機及其應用實例作一介紹。
　　
　　用于超精密加工的產品
　　
　　（1）LAMICS激光-水刀復合加工系統
　　
　　澀谷工業公司是日本*同時生產激光加工機和水刀加工機兩種產品的廠商。LAMICS（LaserAqua-JetMicro-CuttingSystem）系統是日本zui早將這兩種技術結合應用的復合加工系統。該系統通過噴嘴噴出細絲般的高壓水流（噴射水本身沒有切割能力），并將激光導入水中，利用水中的激光進行切割加工。
　　
　　該系統具有以下特點：
　　
　　①由于在激光切割的同時進行噴水冷卻，因此在整個加工過程中，零件不會受到熱影響和產生氧化反應。
　　
　　②能防止切割時產生熔融粉末而引起的環境污染以及產生毛刺。
　　
　　③可以無裂紋地切割各種脆性材料。
　　
　　④由于激光可在水中形成全反射，因此不一定需要與焦點重合。
　　
　　⑤切縫寬度很窄，斷面幾乎不會產生傾斜。
　　
　　加工時，可根據加工對象選擇不同波長的激光，如光纖激光（波長1080nm）、綠激光（波長532nm）、UV激光（波長355nm）等。該系統主要適用于切割加工硅晶片、薄膜、藍寶石底板槽、銅板槽等，以及去除銹斑、電鍍層等多種類型的加工。對于干式激光加工不可避免會產生高熱而會受到影響的一些工件材料，這種加工方式非常有效。
　　
　　下面介紹用LAMICS系統加工硅晶圓的實例。
　　
　　硅晶圓是電子元件的主要基材。近年來，隨著手機及大規模集成電路多層化的要求（彎曲性、層疊性），硅晶圓也在變輕變薄（由原來的700μm減薄到50μm以下）。但是，由于硅晶圓是脆性材料，用傳統的切片機切割加工厚度50μm以下的基板時，很容易產生破碎及微小裂紋。當熱應力和彎曲應力等機械外力施加于基板上時，會出現微裂縫擴大、內部電路斷線等重大質量問題。
　　
　　用LAMICS系統切割50μm厚硅晶圓時，切割加工條件為：激光波長：532nm;激光輸出功率：8.5W;高壓水壓力：13MPa;噴嘴直徑：50μm;加工速度：50mm/s;硅晶圓裝夾方式：LAMICS膠帶。加工時，切割寬度約為40μm，極少產生碎屑及微小裂紋。由于高壓水噴射而產生的噴嘴縮流效應，噴水口圓柱直徑縮小為噴嘴直徑的70%-80%。因此，切割寬度小于噴嘴直徑。由切割斷面的SEM照片可以看到激光加工留下的硅溶解痕跡，而在比噴水口小數微米的受熱影響周邊部位，都能見到冷卻效果。此外，可以確認，因溶解物附著較少，也具有潔凈加工的效果。
　　
　　（2）SILAS-SAM超精密CO2激光加工機
　　
　　SILAS-SAM超精密激光加工機在機器上方配備有RF反射折疊式CO2激光振蕩發生器。SPL3905型采用了工作臺在X軸方向移動、加工頭在Y軸方向移動的布局方式，并使用了直線驅動電機。而SPL2305型則采用了滾珠絲桿帶動工作臺在XY軸移動、加工頭固定的布局方式。
　　
　　由于RF反射折疊式CO2激光器放電范圍較窄，封閉在發生器內部的氣體冷卻效果很好，因此不需要熱交換器和送風機。與其他的CO2激光器相比，其體積更小巧，有穩定的高輸出功率，能獲得*的單波形（M2<1.3）。此外，反射折疊式CO2激光器還具有以下特點：①可利用高質量光束模式進行能抑制熱影響的微加工及其他范圍廣泛的加工;②zui小加工孔徑可達φ0.1mm（因材料、板厚而有所不同）;③無需激光氣體交換;④激光器壽命期望值>2000小時;⑤內部鏡頭組無需調整、更換和保養。
　　
　　SILAS-SAM超精密激光加工機的主要用途包括：切割（金屬、樹脂、木材、紙、紡織品、玻璃、塑料等）焊接（合金、樹脂等）、雕刻（橡膠、樹脂等）、打孔（印刷線路板、陶瓷、合金、紙等）、刻畫（陶瓷等）。
　　
　　以下為SILAS-SAM激光加工機的一些加工實例：
　　
　　①馬達鐵芯：原來采用線切割方式進行重疊（20-30片）加工，加工時間長、效率低（加工前需要進行重疊工件操作），而且受到所用電極絲形狀精度的限制。改用SILAS-SAM加工后，加工速度加快，生產率大幅度提高，并能實現自動化加工。
　　
　　②眼鏡框：原來使用立銑刀等進行眼鏡框的裝飾加工，由于受到刀具zui小直徑等問題的限制，存在一些刀具無法加工的部位和形狀。改用SILAS-SAM加工后，既能實現微細裝飾加工，又可以縮短工序。
　　
　　③陶瓷：氧化鋁陶瓷、氮化鋁等材料受到熱影響時易產生裂縫。刻畫加工是SILAS-SAMzui擅長的加工方式之一。如照片所示，可用于高速加工細小間距的深孔。
　　
　　④高質量表面的加工：激光的光斑直徑可聚焦到φ0.1mm以下，因此能進行高質量表面的加工，其切割斷面質量相當于用線切割加工3次的質量，同時還能提高生產效率。
　　
　　滿足客戶要求的定制產品
　　
　　（1）武藏HP-E系列高性能CO2激光加工機
　　
　　武藏HP-E系列是高質量、低成本的混合型激光加工機，裝備了高性能的中速螺旋軸流型激光發生器。武藏HP-E系列機型具有以下特點：
　　
　　①在反射從振蕩器發出激光的外部光學系統中，鏡片采用了開放式結構，易于保養。
　　
　　②加工頭配備了能吸收外部沖擊的損傷感應器，能將因沖擊受損的加工頭維修成本控制到zui小。
　　
　　③在加工頭前后和加工桌面內安裝了送風和吸塵裝置，可提高吸塵效果。
　　
　　該機型配備的中速螺旋形軸流型振蕩器具有以下特點：
　　
　　①采用額定輸出功率為2kW的SOL20V激光振蕩器，在使用SUS304無氧化切割6mm厚板材時，所需的輔助氣體不足1MPa。
　　
　　②激光氣體在振蕩管內作螺旋運動，改進的光學系統可使激光振幅增大，振蕩功率提高，可實現低成本加工。
　　
　　③內部鏡片使用壽命可達8000小時。
　　
　　④作為加工一般金屬板材的激光加工機，既能進行從薄板到厚板的高質量加工，又因為具有高輸出功率、高質量的激光束加工模式，因此也能用于鈑金加工以外的各種加工。
　　
　　以下是幾個加工實例。
　　
　　鋸齒的加工：鋸片采用沖壓和切削組合加工方式，利用激光，可以一次切割加工成形鋸齒的外圓到齒槽。另外，由于激光束經過優化，鋸齒尖銳邊緣和切割斷面的加工質量均很好，實現了變形很小的加工。
　　
　　石英玻璃的加工：石英玻璃加工對熱影響比較敏感，由于采用了高品質激光模態和加工孔的鏡頭，可在石英玻璃上連續加工通孔而不會產生裂紋，與機械加工相比，提高了生產率。
　　
　　沖模板的加工：加工用于插入湯姆森刀的模板狹縫時，采用加工沖模板的激光模態進行切割，加工出的沖模板能壓出錐形刀刃，還能產生碳化作用，提高刀模的耐用性。
　　
　　此外，作為液晶電視玻璃激光切割裝置用的激光振蕩器，采用中速螺旋軸流型振蕩器后，與以往的單體切割相比，加工破損減少。
　　
　　（2）L6型超高速CO2激光加工機
　　
　　L6型超高速、高精度激光加工機配備了1kW的CO2激光振蕩器，加工頭在X、Y方向的移動采用直線伺服電機驅動。L6型激光加工機具有以下特點：
　　
　　①可對SS（19mm）、SUS（12mm）和鋁（8mm）等材料進行超高速、高精度加工。
　　
　　②用直線伺服電機驅動加工頭在X、Y方向移動，可實現300m/min的快進速度和2G以上d1加速度。
　　
　　③可在厚度1mm的SS材料上，每分鐘加工1000個φ0.8mm的孔。
　　
　　④機器重量為29噸，采用O型框結構，機械剛性好。
　　
　　⑤具有3軸同時在加工位置間移動的功能，可實現加工。
　　
　　⑥可實時監控加工頭位置，據此調整激光束，因此在工作臺任何位置均可進行高質量加工。
　　
　　用于切割加工的激光，在這數年內完成了飛躍性的技術改革。不斷敏銳地抓住市場需求，靈活應對用戶的要求，是我們制造商的使命。今后，作為綜合機械廠商，不只是在激光加工領域，希望可以開拓各種市場領域，達到飛躍性發展。