精密激光加工机及其应用实例
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日本涩谷工业公司已有约30年生产、销售激光加工机的历史,不仅能生产通用机型,还能根据客户需求定制加工系统及流水线上的工位加工系统等。本文结合该公司的几款典型产品,对精密激光加工机及其应用实例作一介绍。
激光加工机正由过去主要加工普通薄金属板向精密加工、非金属加工领域发展。由于激光加工机本身的改进,以及控制性能、加工技术和激光发生器的进步(短波激光输出功率、输出功率大型化等),激光加工正日益拓展到更广阔的领域。近年来,由于IT产业的飞速发展,以及企业对新材料、特殊材料加工需求的增加,将激光加工应用于超精密加工的市场需求正不断扩大。
日本涩谷工业公司已有约30年生产、销售激光加工机的历史,不仅能生产通用机型,还能根据客户需求定制加工系统及流水线上的工位加工系统等。本文结合该公司的几款典型产品,对精密激光加工机及其应用实例作一介绍。

图1 LAMICS系统的构造原理
表1 三种加工方式对比
加工方式精度速度热影响污染
干式激光加工××
水刀加工××
LAMICS加工
注:○表示好,×表示差

用于超精密加工的产品

(1)LAMICS激光-水刀复合加工系统

涩谷工业公司是日本唯一同时生产激光加工机和水刀加工机两种产品的厂商。LAMICS(Laser Aqua-Jet Micro-Cutting System)系统是日本最早将这两种技术结合应用的复合加工系统。该系统的构造原理如图1所示。它通过喷嘴喷出细丝般的高压水流(喷射水本身没有切割能力),并将激光导入水中,利用水中的激光进行切割加工。
该系统具有以下特点:
  1. 由于在激光切割的同时进行喷水冷却,因此在整个加工过程中,零件不会受到热影响和产生氧化反应。
  2. 能防止切割时产生熔融粉末而引起的环境污染以及产生毛刺。
  3. 可以无裂纹地切割各种脆性材料。
  4. 由于激光可在水中形成全反射,因此不一定需要与焦点重合。
  5. 切缝宽度很窄,断面几乎不会产生倾斜。
表1所示为三种加工方式的性能对比。
加工时,可根据加工对象选择不同波长的激光,如光纤激光(波长1080nm)、绿激光(波长532nm)、UV激光(波长355nm)等。该系统主要适用于切割加工硅晶片、薄膜、蓝宝石底板槽、铜板槽等,以及去除锈斑、电镀层等多种类型的加工。对于干式激光加工不可避免会产生高热而会受到影响的一些工件材料,这种加工方式非常有效。
下面介绍用LAMICS系统加工硅晶圆的实例。
硅晶圆是电子元件的主要基材。近年来,随着手机及大规模集成电路多层化的要求(弯曲性、层叠性),硅晶圆也在变轻变薄(由原来的700µm减薄到50µm以下)。但是,由于硅晶圆是脆性材料,用传统的切片机切割加工厚度50µm以下的基板时,很容易产生破碎及微小裂纹。当热应力和弯曲应力等机械外力施加于基板上时,会出现微裂缝扩大、内部电路断线等重大质量问题。

图2 切割部位放大照片

图3 切割断面的SEM照片
图2为用LAMICS系统切割50µm厚硅晶圆时切割部位的放大照片。切割加工条件为:激光波长:532nm;激光输出功率:8.5W;高压水压力:13MPa;喷嘴直径:50µm;加工速度:50mm/s;硅晶圆装夹方式:LAMICS专用胶带。加工时,切割宽度约为40µm,极少产生碎屑及微小裂纹。由于高压水喷射而产生的喷嘴缩流效应,喷水口圆柱直径缩小为喷嘴直径的70%-80%。因此,切割宽度小于喷嘴直径。图3为切割断面的SEM照片。可在断面上看到激光加工留下的硅溶解痕迹,而在比喷水口小数微米的受热影响周边部位,都能见到冷却效果。此外,可以确认,因溶解物附着较少,也具有洁净加工的效果。

图4 SPL3905 型超精密CO2激光加工机

(2)SILAS-SAM超精密CO2激光加工机

SILAS-SAM超精密激光加工机在机器上方配备有RF反射折叠式CO2激光振荡发生器。SPL3905型(图4)采用了工作台在X轴方向移动、加工头在Y轴方向移动的布局方式,并使用了直线驱动电机。而SPL2305型则采用了滚珠丝杆带动工作台在XY轴移动、加工头固定的布局方式。
由于RF反射折叠式CO2激光器放电范围较窄,封闭在发生器内部的气体冷却效果很好,因此不需要热交换器和送风机。与其他的CO2激光器相比,其体积更小巧,有稳定的高输出功率,能获得极好的单波形(M2<1.3)(见图5)。此外,反射折叠式CO2激光器还具有以下特点:①可利用高质量光束模式进行能抑制热影响的微加工及其他范围广泛的加工;②最小加工孔径可达φ0.1mm(因材料、板厚而有所不同);③无需激光气体交换;④激光器寿命期望值>2000小时;⑤内部镜头组无需调整、更换和保养。
SILAS-SAM超精密激光加工机的主要用途包括:切割(金属、树脂、木材、纸、纺织品、玻璃、塑料等)焊接(合金、树脂等)、雕刻(橡胶、树脂等)、打孔(印刷线路板、陶瓷、合金、纸等)、刻画(陶瓷等)。
(a)500W规格振荡器的3D波束外形
(b)普通CO2激光(左)与反射折叠式激光(右)的波束比较
图5 激光波束
以下为SILAS-SAM激光加工机的一些加工实例:
①马达铁芯(图6a):原来采用线切割方式进行重叠(20-30片)加工,加工时间长、效率低(加工前需要进行重叠工件操作),而且受到所用电极丝形状精度的限制。改用SILAS-SAM加工后,加工速度加快,生产率大幅度提高,并能实现自动化加工。
②眼镜框(图6b):原来使用立铣刀等进行眼镜框的装饰加工,由于受到刀具最小直径等问题的限制,存在一些刀具无法加工的部位和形状。改用SILAS-SAM加工后,既能实现微细装饰加工,又可以缩短工序。


图6 加工实例
③陶瓷(图6c):氧化铝陶瓷、氮化铝等材料受到热影响时易产生裂缝。刻画加工是SILAS-SAM最擅长的加工方式之一。如照片所示,可用于高速加工细小间距的深孔。
④高质量表面的加工(图6d):激光的光斑直径可聚焦到φ0.1mm以下,因此能进行高质量表面的加工,其切割断面质量相当于用线切割加工3次的质量,同时还能提高生产效率。

图7 SPL373OE型高性能CO2激光加工机

图8 锯齿加工

图9 石英玻璃加工

图10 冲模板加工

满足客户要求的定制产品

(1)武藏HP-E系列高性能CO2激光加工机

武藏HP-E系列是高质量、低成本的混合型激光加工机,装备了高性能的中速螺旋轴流型激光发生器。图7所示为加工桌面规格为1550mm×3080mm的武藏HP-E系列SPL3730E型激光加工机。
武藏HP-E系列机型具有以下特点:
①在反射从振荡器发出激光的外部光学系统中,镜片采用了开放式结构,易于保养。
②加工头配备了能吸收外部冲击的损伤感应器,能将因冲击受损的加工头维修成本控制到最小。
③在加工头前后和加工桌面内安装了送风和吸尘装置,可提高吸尘效果。
该机型配备的中速螺旋形轴流型振荡器具有以下特点:
①采用额定输出功率为2kW的SOL20V激光振荡器,在使用SUS304无氧化切割6mm厚板材时,所需的辅助气体不足1MPa。
②激光气体在振荡管内作螺旋运动,改进的光学系统可使激光振幅增大,振荡功率提高,可实现低成本加工。
③内部镜片使用寿命可达8000小时。
④作为加工一般金属板材的激光加工机,既能进行从薄板到厚板的高质量加工,又因为具有高输出功率、高质量的激光束加工模式,因此也能用于钣金加工以外的各种加工。
以下是几个加工实例。
图8为锯齿的加工。锯片采用冲压和切削组合加工方式,利用激光,可以一次切割加工成形锯齿的外圆到齿槽。另外,由于激光束经过优化,锯齿尖锐边缘和切割断面的加工质量均很好,实现了变形很小的加工。
图10为石英玻璃的加工。石英玻璃加工对热影响比较敏感,由于采用了高品质激光模态和加工孔的专用镜头,可在石英玻璃上连续加工通孔而不会产生裂纹,与机械加工相比,提高了生产率。
图10为冲模板的加工。加工用于插入汤姆森刀的模板狭缝时,采用加工冲模板的专用激光模态进行切割,加工出的冲模板能压出锥形刀刃,还能产生碳化作用,提高刀模的耐用性。
此外,作为液晶电视玻璃激光切割装置用的激光振荡器,采用中速螺旋轴流型振荡器后,与以往的单体切割相比,加工破损减少。

(2)L6型超高速CO2激光加工机

L6型超高速、高精度激光加工机(见图11)配备了1kW的CO2激光振荡器,加工头在X、Y方向的移动采用直线伺服电机驱动。L6型激光加工机具有以下特点:

图11 L6型超高速CO2激光加工机
①可对SS(19mm)、SUS(12mm)和铝(8mm)等材料进行超高速、高精度加工。
②用直线伺服电机驱动加工头在X、Y方向移动,可实现300m/min的快进速度和2G以上d1加速度。
③可在厚度1mm的SS材料上,每分钟加工1000个φ0.8mm的孔。
④机器重量为29吨,采用O型框结构,机械刚性好。
⑤具有3轴同时在加工位置间移动的功能,可实现高效加工。
⑥可实时监控加工头位置,据此调整激光束,因此在工作台任何位置均可进行高质量加工。
用于切割加工的激光,在这数年内完成了飞跃性的技术改革。不断敏锐地抓住市场需求,灵活应对用户的要求,是我们制造商的使命。今后,作为综合机械厂商,不只是在激光加工领域,希望可以开拓各种市场领域,达到飞跃性发展。
本文作者:黄宁秋(编译)
原载:《工具展望》2010年第1期
上载于:2014-6-17 11:47:37

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