黎武兵

(珠海市技師學(xué)院，廣東 珠海 519000）

引言

激光加工是利用高能量強度的激光束，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦，聚焦后的功率密度可達104-1011W/cm2，對工件加工部位施加高溫的熱加工技術(shù)。由于激光加工熱影響區(qū)域小，加工精細(xì)，加工速度快，可以使常規(guī)方法無法實現(xiàn)的工藝輕松實現(xiàn)。如今，激光加工技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于“打標(biāo)、焊接、切割、打孔、熱處理、熔覆、精密調(diào)阻、精密配重”等領(lǐng)域，本文將主要介紹手機制造行業(yè)比較常用的激光打標(biāo)技術(shù)與激光焊接技術(shù)。

圖1 激光加工應(yīng)用分類

1 手機制造中的激光打標(biāo)技術(shù)

激光打標(biāo)技術(shù)作為激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域，以其無可替代的優(yōu)勢迅速取代了傳統(tǒng)的“氣動打標(biāo)、化學(xué)腐蝕標(biāo)記、絲網(wǎng)印刷標(biāo)記、鑄造標(biāo)記”等方式，成為工業(yè)制造領(lǐng)域主流的標(biāo)記方式。

所謂激光是指單向性極好、單色性極強、高亮度、相干性好的電磁波。激光的產(chǎn)生是在受激輻射光無限放大所產(chǎn)生的。當(dāng)激光電源激勵連續(xù)氪弧燈，發(fā)出的光經(jīng)過聚光腔集中到Nd：YAG激光晶體上，受激光輻射的光經(jīng)過激光諧振腔共振放大后產(chǎn)生連續(xù)激光。該激光束通過聲光Q開關(guān)調(diào)制后，變?yōu)榍叩母叻逯倒β?、高重?fù)頻的脈沖激光。該脈沖激光束經(jīng)過擴束鏡擴束后，順序投射到X軸、Y軸兩只振鏡掃苗器的反射鏡上。振鏡掃描器在計算機軟件控制下產(chǎn)生按程序編排的快速擺動，使激光束在平面X、Y兩維方上進行掃描。再通過“F-0”光學(xué)聚焦透鏡組使激光束聚焦在加工物體的表面形成一個個微細(xì)的、高能量密度的光斑。每一個高能量的激光脈沖瞬間就在物體表面燒蝕并且濺射出一個極小的凹坑。經(jīng)計算機控制的連續(xù)不斷的這一過程，預(yù)先編排好的字符、圖形等標(biāo)記內(nèi)容就永久地被蝕刻在物體表面上。

常見激光打標(biāo)的三種工作方式：○1氧化，激光對工件的表層加熱，使工件表層受熱氧化而呈現(xiàn)出不同的特性；○2蝕刻，激光對工件的表層加熱，使工件表層受熱升華而呈現(xiàn)出凹陷的特性；○3凸起，激光對工件的表層加熱，使工件表層受熱膨脹而呈現(xiàn)出凸起的特性。

圖2 激光打標(biāo)的三種工作方式

一套完整的激光打標(biāo)設(shè)備一般由主機-激光發(fā)生裝置、激光頭-激光輸出裝置、計算機控制部分、Q開關(guān)、電控箱、冷卻系統(tǒng)、抽風(fēng)系統(tǒng)與工作平臺等組成。

圖3 激光打標(biāo)設(shè)備的組成

激光打標(biāo)機因其特殊的工作原理，與傳統(tǒng)標(biāo)記方式(移印、噴碼、電腐蝕等)相比，具有許多優(yōu)越性：1.非接觸加工；2.材料適用面廣；3.可與生產(chǎn)線上的其他設(shè)備集成，提高生產(chǎn)線的自動化程度；4.標(biāo)記清晰、持久、美觀，并可有效防偽；5.使用壽命長、無污染;6.運行成本低打標(biāo)速度快；7.加工效率高；8.開發(fā)速度快；9.加工精度高；10.維護成本低；11.具有環(huán)保性。

在手機零部件制造領(lǐng)域，激光標(biāo)記技術(shù)已經(jīng)完全可以應(yīng)用到任何需要標(biāo)記的地方，金屬零部件，非金屬零部件，甚至手機的LCD顯示屏，都能夠?qū)崿F(xiàn)激光標(biāo)記。手機品牌廠商的LOGO打標(biāo)、系列號、二維碼和條形碼、裝飾性圖案2D與3D面打標(biāo)、彩色個性圖案等都已經(jīng)在手機零部件的制造中應(yīng)用。

圖4 激光打標(biāo)在手機制造中的應(yīng)用

2 手機制造中的激光焊接技術(shù)

激光焊接是將具有優(yōu)異的方向性、高亮度、高強度、高單色性、高相干性等特點的激光束輻射至加工工件表面區(qū)域內(nèi)，激光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，通過激光與被焊物的相互作用，在極短的時間內(nèi)使被焊處形成一個能高度集中的熱源區(qū)，熱能使被焊物區(qū)域熔化后冷卻結(jié)晶形成牢固的焊點和焊縫。根據(jù)所用激光器及其工作方式的不同，常用的激光焊接方式有兩種，一種是脈沖激光焊，主要用于單點固定連續(xù)和簿件材料的焊接，焊接時形成一個個圓形焊點；另一種為連續(xù)激光焊，主要用于大厚件的焊接和切割，焊接過程中形成一條連續(xù)焊縫。

激光焊接時通過激光輸入的能量只有部分作用于焊接，由于金屬對激光的反射與金屬的散熱性損失一部分能量，特別是在工件表面形成等離子體“云”時損失的能量更大。當(dāng)高功率的激光對工件加熱時，工件表面的空氣被電離成等離子體，等離子體與金屬蒸氣混合就成了等離子體“云”，這朵等離子體“云”會大大削減激光的能量，影響工件的焊接質(zhì)量。為了減少等離子體“云”的影響，一般都采用側(cè)面吹保護氣體的方法去除等離子體"云"，同時保護焊縫金屬不被氧化。

由于焊接金屬具有不同的熱性能，根據(jù)其熱性能可將激光焊接分為熱傳導(dǎo)型與鎖眼型兩種焊接方法。熱傳導(dǎo)型激光焊接原理為：激光輻射加熱待加工表面，表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等激光參數(shù)，使工件表層熔化，形成熔寬大熔深小的熔池。這種焊縫的深寬比只有1：3，但焊縫平滑、圓潤無明顯的凸起現(xiàn)象，可以得到非常好的表面效果，常用于手機前后蓋、醫(yī)療器械、珠寶首飾、電池等表面質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品。

圖5 a.熱傳導(dǎo)型原理示意圖 b .304不銹鋼熱傳導(dǎo)點焊

鎖眼型激光焊接原理為：當(dāng)激光功率密度達到10^6～10^7W/cm^2時，功率輸入遠(yuǎn)大于熱傳導(dǎo)、對流及輻射散熱的速率，材料表面發(fā)生汽化而形成小孔，孔內(nèi)金屬蒸汽壓力與四周液體的靜力和表面張力形成動態(tài)平衡，激光可以通過孔中直射到孔底。這種現(xiàn)象稱為小孔效應(yīng)（Keyhole Effect）。小孔的作用和黑體一樣，能將射入的激光能量完全吸收，使包圍著這個孔腔的金屬熔化。孔壁外液體的流動和壁層的表面張力與孔腔內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生的蒸汽壓力相持并保持動態(tài)平衡。光束攜帶著大量的光能不斷地進入小孔，小孔外材料在連續(xù)流動。隨著光束向前移動，小孔始終處于流動的穩(wěn)定狀態(tài)。小孔隨著前導(dǎo)光束向前移動后，熔融的金屬填充小孔移開后所留下的空腔并隨之冷凝成焊縫，完成焊接過程。這種焊縫的深寬比可達8：1，激光束通過小孔的側(cè)壁不斷反射直通孔底，使工件對激光的吸收率從3%提升到96%，但在焊縫表面會有凸起，常應(yīng)用于手機天線、手機支架、需受力的結(jié)構(gòu)件的焊接。

圖6 a.鎖眼型原理示意圖 b.304不銹鋼鎖眼型點焊

相對于傳統(tǒng)的焊接方式，激光焊接有如下一些特點：1.焊接速度快2.焊接熱影響區(qū)小3.熱輸入量小4.容易實現(xiàn)自動化5.單面焊接6.一致性好與可重復(fù)定位精度高7.焊接后幾乎不需要后處理加工

隨著手機行業(yè)的快速發(fā)展，激光焊接的高效率與低成本在手機制造中的優(yōu)勢已越來越明顯 。 Iphone、Ipad、NOKIA、Sumsang、Motolora、HTC等手機的主框架、LCD支架、前后蓋、SIM卡槽等部件都通過激光焊接而成，焊后的部件不僅結(jié)合牢固外觀也非常漂亮，基本不需要做后處理加工，節(jié)約了制造成本。

圖7 激光焊接在手機制造中的應(yīng)用

結(jié)束語

本文介紹了激光打標(biāo)與激光焊接的原理、特性及在手機制造中的典型應(yīng)用，通過激光打標(biāo)技術(shù)可以使得手機的外觀設(shè)計更加美觀，可以實現(xiàn)個性化圖案的打標(biāo)，讓消費者得到一個全球獨一無二的、真正只屬于自己的個性手機。激光焊接應(yīng)用到手機中，大大簡化了沖壓模具的設(shè)計，優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，擴大生產(chǎn)能力，降低了生產(chǎn)成本。激光加工快速高效的生產(chǎn)效率與精密加工的性質(zhì)決定著其在手機制造中的地位已經(jīng)越來越重要，在手機的整個生產(chǎn)制造過程中發(fā)揮著巨大的作用，為整機廠商帶來了巨大的經(jīng)濟效益。

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