浅谈激光加工技术在手机制造中的应用

黎武兵

(珠海市技师学院，广东 珠海 519000）

引言

激光加工是利用高能量强度的激光束，经过光学系统聚焦，聚焦后的功率密度可达104-1011W/cm2，对工件加工部位施加高温的热加工技术。由于激光加工热影响区域小，加工精细，加工速度快，可以使常规方法无法实现的工艺轻松实现。如今，激光加工技术已经广泛应用于“打标、焊接、切割、打孔、热处理、熔覆、精密调阻、精密配重”等领域，本文将主要介绍手机制造行业比较常用的激光打标技术与激光焊接技术。

图1 激光加工应用分类

1 手机制造中的激光打标技术

激光打标技术作为激光加工最大的应用领域，以其无可替代的优势迅速取代了传统的“气动打标、化学腐蚀标记、丝网印刷标记、铸造标记”等方式，成为工业制造领域主流的标记方式。

所谓激光是指单向性极好、单色性极强、高亮度、相干性好的电磁波。激光的产生是在受激辐射光无限放大所产生的。当激光电源激励连续氪弧灯，发出的光经过聚光腔集中到Nd：YAG激光晶体上，受激光辐射的光经过激光谐振腔共振放大后产生连续激光。该激光束通过声光Q开关调制后，变为千瓦的高峰值功率、高重复频的脉冲激光。该脉冲激光束经过扩束镜扩束后，顺序投射到X轴、Y轴两只振镜扫苗器的反射镜上。振镜扫描器在计算机软件控制下产生按程序编排的快速摆动，使激光束在平面X、Y两维方上进行扫描。再通过“F-0”光学聚焦透镜组使激光束聚焦在加工物体的表面形成一个个微细的、高能量密度的光斑。每一个高能量的激光脉冲瞬间就在物体表面烧蚀并且溅射出一个极小的凹坑。经计算机控制的连续不断的这一过程，预先编排好的字符、图形等标记内容就永久地被蚀刻在物体表面上。

常见激光打标的三种工作方式：○1氧化，激光对工件的表层加热，使工件表层受热氧化而呈现出不同的特性；○2蚀刻，激光对工件的表层加热，使工件表层受热升华而呈现出凹陷的特性；○3凸起，激光对工件的表层加热，使工件表层受热膨胀而呈现出凸起的特性。

图2 激光打标的三种工作方式

一套完整的激光打标设备一般由主机-激光发生装置、激光头-激光输出装置、计算机控制部分、Q开关、电控箱、冷却系统、抽风系统与工作平台等组成。

图3 激光打标设备的组成

激光打标机因其特殊的工作原理，与传统标记方式(移印、喷码、电腐蚀等)相比，具有许多优越性：1.非接触加工；2.材料适用面广；3.可与生产线上的其他设备集成，提高生产线的自动化程度；4.标记清晰、持久、美观，并可有效防伪；5.使用寿命长、无污染;6.运行成本低打标速度快；7.加工效率高；8.开发速度快；9.加工精度高；10.维护成本低；11.具有环保性。

在手机零部件制造领域，激光标记技术已经完全可以应用到任何需要标记的地方，金属零部件，非金属零部件，甚至手机的LCD显示屏，都能够实现激光标记。手机品牌厂商的LOGO打标、系列号、二维码和条形码、装饰性图案2D与3D面打标、彩色个性图案等都已经在手机零部件的制造中应用。

图4 激光打标在手机制造中的应用

2 手机制造中的激光焊接技术

激光焊接是将具有优异的方向性、高亮度、高强度、高单色性、高相干性等特点的激光束辐射至加工工件表面区域内，激光束经过光学系统聚焦后，通过激光与被焊物的相互作用，在极短的时间内使被焊处形成一个能高度集中的热源区，热能使被焊物区域熔化后冷却结晶形成牢固的焊点和焊缝。根据所用激光器及其工作方式的不同，常用的激光焊接方式有两种，一种是脉冲激光焊，主要用于单点固定连续和簿件材料的焊接，焊接时形成一个个圆形焊点；另一种为连续激光焊，主要用于大厚件的焊接和切割，焊接过程中形成一条连续焊缝。

激光焊接时通过激光输入的能量只有部分作用于焊接，由于金属对激光的反射与金属的散热性损失一部分能量，特别是在工件表面形成等离子体“云”时损失的能量更大。当高功率的激光对工件加热时，工件表面的空气被电离成等离子体，等离子体与金属蒸气混合就成了等离子体“云”，这朵等离子体“云”会大大削减激光的能量，影响工件的焊接质量。为了减少等离子体“云”的影响，一般都采用侧面吹保护气体的方法去除等离子体"云"，同时保护焊缝金属不被氧化。

由于焊接金属具有不同的热性能，根据其热性能可将激光焊接分为热传导型与锁眼型两种焊接方法。热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等激光参数，使工件表层熔化，形成熔宽大熔深小的熔池。这种焊缝的深宽比只有1：3，但焊缝平滑、圆润无明显的凸起现象，可以得到非常好的表面效果，常用于手机前后盖、医疗器械、珠宝首饰、电池等表面质量要求较高的产品。

图5 a.热传导型原理示意图 b .304不锈钢热传导点焊

锁眼型激光焊接原理为：当激光功率密度达到10^6～10^7W/cm^2时，功率输入远大于热传导、对流及辐射散热的速率，材料表面发生汽化而形成小孔，孔内金属蒸汽压力与四周液体的静力和表面张力形成动态平衡，激光可以通过孔中直射到孔底。这种现象称为小孔效应（Keyhole Effect）。小孔的作用和黑体一样，能将射入的激光能量完全吸收，使包围着这个孔腔的金属熔化。孔壁外液体的流动和壁层的表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持动态平衡。光束携带着大量的光能不断地进入小孔，小孔外材料在连续流动。随着光束向前移动，小孔始终处于流动的稳定状态。小孔随着前导光束向前移动后，熔融的金属填充小孔移开后所留下的空腔并随之冷凝成焊缝，完成焊接过程。这种焊缝的深宽比可达8：1，激光束通过小孔的侧壁不断反射直通孔底，使工件对激光的吸收率从3%提升到96%，但在焊缝表面会有凸起，常应用于手机天线、手机支架、需受力的结构件的焊接。

图6 a.锁眼型原理示意图 b.304不锈钢锁眼型点焊

相对于传统的焊接方式，激光焊接有如下一些特点：1.焊接速度快2.焊接热影响区小3.热输入量小4.容易实现自动化5.单面焊接6.一致性好与可重复定位精度高7.焊接后几乎不需要后处理加工

随着手机行业的快速发展，激光焊接的高效率与低成本在手机制造中的优势已越来越明显 。 Iphone、Ipad、NOKIA、Sumsang、Motolora、HTC等手机的主框架、LCD支架、前后盖、SIM卡槽等部件都通过激光焊接而成，焊后的部件不仅结合牢固外观也非常漂亮，基本不需要做后处理加工，节约了制造成本。

图7 激光焊接在手机制造中的应用

结束语

本文介绍了激光打标与激光焊接的原理、特性及在手机制造中的典型应用，通过激光打标技术可以使得手机的外观设计更加美观，可以实现个性化图案的打标，让消费者得到一个全球独一无二的、真正只属于自己的个性手机。激光焊接应用到手机中，大大简化了冲压模具的设计，优化生产工艺流程，扩大生产能力，降低了生产成本。激光加工快速高效的生产效率与精密加工的性质决定着其在手机制造中的地位已经越来越重要，在手机的整个生产制造过程中发挥着巨大的作用，为整机厂商带来了巨大的经济效益。

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