CN102149511A - 对具有高装饰质量的不锈钢进行激光微加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用以对具有高装饰质量表面的金属零件进行激光微加工的工艺，其包含在用激光对所述零件进行微加工之前向所述零件的至少一个表面施加保护涂层。施加到所述高质量装饰表面的所述保护涂层可具有介于大约5密耳与大约10密耳之间(包含大约5密耳和大约10密耳)的厚度，且具有足够的粘附强度以粘附到所述零件而在处理期间不发生分层。施加到所述零件的加工表面的所述保护涂层可为金属材料，例如金属箔或带。

Description

对具有高装饰质量的不锈钢进行激光微加工的方法

相关申请案的交叉参考

本申请案是2008年9月26日申请的第12/238,995号美国专利申请案的部分接续申请案。

技术领域

本发明提供一种用以在由不锈钢制成的消费品的激光微加工中维持高装饰精整质量的低成本高效率的方式。

背景技术

大多数消费品需要不锈钢具有持久的装饰精整，所述装饰精整还被赋予上等的性能特性，所述性能特性包含高等级的抗划伤性、易于清洗的属性、抗变色性等。已使用机械方法来制造例如小孔和狭槽等特征，而没有较多地关注对装饰精整造成破坏。随着特征尺寸变得越来越小，引入激光微加工技术。当应用激光微加工技术以在具有持久的装饰精整的不锈钢上产生精密特征时，由于热过程对于激光金属相互作用的性质的缘故，装饰精整可易于因变色而受到破坏且因氧化和热应力而发生分层。直到现在，在强调装饰性能的情况下应用于不锈钢的激光微加工技术仍是一项相对较新的技术，且在此领域中公开的内容很少。

发明内容

本发明的实施例提供多种用以对具有高装饰精整质量表面和相对表面的金属零件进行激光微加工的方法或工艺。一个实施例包含在用激光对所述零件进行微加工之前，向高装饰精整质量表面和/或相对的加工表面施加保护涂层。

在用以对具有高装饰质量表面和相对表面的不锈钢零件进行激光微加工的工艺的另一实施例中，改进包含在用激光对所述零件进行微加工之前向所述表面中的待加工的一者施加保护涂层，且用激光对所述表面进行微加工。所述激光是毫微秒脉冲宽度激光或微秒脉冲宽度激光。保护涂层包括包含铝、铜和不锈钢中的至少一者的金属材料。

当结合附图阅读以下描述时，所属领域的技术人员将容易明白本发明的这些和其它应用的变化和细节。

附图说明

本文的描述参考了附图，其中在若干视图中相同参考标号始终指代相同部分，且在附图中：

图1是具有高质量装饰表面的不锈钢零件和用于对所述零件进行微加工的激光的简化示意图；

图2是具有高质量装饰表面的不锈钢零件、在所述零件的至少一个表面上的保护层以及用于对所述零件进行微加工的激光的简化示意图；

图3是说明本发明的实施例的简化工艺流程图；

图4是在没有本文所教示的保护层的情况下钻有直径为350μm的通孔的500μm厚的不锈钢零件的处理后零件表面的放大图像；以及

图5是在使用本文所教示的保护层的情况下钻有直径为350μm的通孔的500μm厚的不锈钢零件的处理后零件表面的放大图像。

具体实施方式

在使用激光来对具有装饰精整的不锈钢进行微加工时的一个挑战是在所产生的特征周围发生变色，这使得消费品的外观不受欢迎。人们认为变色是由于在激光微加工过程期间发生氧化引起的，所述激光微加工过程使金属表面变得足够热，从而显著增强来自空气中的氧气和氮气对金属表面的氧化或氮化。尽管人们可将待加工的零件放入真空中或放入充满惰性气体的腔室中以将所述零件与氧气或氮气隔离，或者使用脉冲宽度极短的激光(例如ps激光源或fs激光源)以显著限制热过程，但成本可能会很高。这些解决方案还可能会使过程很不方便。

另一个挑战是碎片飞溅物。也就是说，如图1中所展示，当高功率激光22对金属衬底或零件10(在此情况中为不锈钢)进行激光加工时，大量熔融材料10a从处理区域喷出，且沉积在衬底表面16的紧邻处。熔融材料10a是碎片飞溅物，且包括以很高速度移动且/或处于或超过零件10的熔融温度的小颗粒。由于通常需要维持处理表面的装饰质量，所以此碎片飞溅物的存在还可能使所得的消费品的外观不受欢迎。也可使用短脉冲宽度激光来解决此问题，其中材料移除过程较多地通过升华且较少地通过熔融。还可使用上文所提及的真空或辅助气体来防止碎片落回到处理区域上。如所提及，这些解决方案增加了成本且降低了便利性。一种选择是在处理后清洗零件以移除仍然停留在表面上的碎片。然而，这又增加了成本且降低了便利性，且其并不解决变色问题。

本发明的一个实施例提出在金属零件的装饰侧面上施加保护涂层，以在激光微加工过程期间使零件与空气在物理上隔离。还可向零件的相对侧面施加保护涂层以减少碎片和变色。在施加有机保护涂层的情况下，所述有机保护涂层还充当用以通过由于强烈的激光照射引起的碳化和氧化来阻隔/消耗空气中的氧气的牺牲层，即使在低强度下保护涂层对激光束相对较透明，也是如此。

所述保护涂层可为有机材料(例如粘性聚合物)或无机材料(例如陶瓷)。可以刚性形式(借助于实例而非限制，例如干膜胶带)或以液体形式(借助于实例而非限制，例如粘合剂、蜡或厚抗蚀剂)来施加保护涂层。取决于零件的几何形状，可经由旋涂或喷射来施加保护涂层。透明胶带是合适的保护涂层的良好实例。在半导体行业中使用透明蓝色带来固持晶片，且所述透明蓝色带是合适的保护涂层的另一良好实例。在一个实施例中，涂层应对所施加的激光束高度透明，相对于零件提供足够的粘附强度，且具有介于大约5密耳与大约10密耳之间(包含大约5密耳和大约10密耳)的厚度。根据本发明实施例的工艺显著减轻了对激光的要求，使得规则的毫微秒脉冲宽度激光或微秒脉冲宽度激光将满足用于对具有高质量装饰表面精饰的金属零件进行微加工的目的的要求。所述工艺已在实验室中用来对具有装饰精整的不锈钢零件进行钻孔和切割，且已证明是成功的。所述工艺提供一种不需要昂贵的短脉冲宽度激光的容易且低成本的方法。

参看图2，金属零件10(借助于实例而非限制，例如不锈钢零件)的简化示意图被展示为在第一或前方侧面14上具有高质量装饰表面12且在第二、后部或背侧侧面18上具有另一表面16。保护涂层20位于零件10的至少一个表面12、16上。使用激光22来对具有保护涂层20的零件10进行微加工。尽管激光22被展示为对第二表面16进行钻孔，但在一些实施例中，激光22对第一表面12进行钻孔。可在用激光22对零件10进行微加工之前向零件10的高装饰精整质量表面12施加保护涂层20以使表面12与空气在物理上隔离。

保护涂层20在来自激光22的低强度下可对激光束相对较透明。保护涂层可为有机材料或无机材料，其充当用以通过由于强烈的激光照射引起的碳化和氧化来阻隔/消耗空气中的氧气的牺牲层。借助于实例而非限制，有机材料保护涂层20为粘性聚合物。借助于实例而非限制，无机材料保护涂层20为陶瓷材料。

取决于特定零件几何形状的处理成本，可用多种方式来向零件10施加保护涂层20。借助于实例而非限制，以刚性干燥形式(例如干膜胶带)施加保护涂层20，或可以液体形式施加保护涂层20。干膜胶带保护涂层20可选自由透明胶带、透明蓝色胶带及其任何组合所组成的群组。借助于实例而非限制，液体形式的保护涂层20是选自由粘合剂、蜡、厚抗蚀剂及其任何组合所组成的群组。可经由选自由旋涂、喷射及其任何组合所组成的群组的施加工艺来施加保护涂层20。保护涂层20对来自激光22的所施加的激光束高度透明。举例来说，保护涂层20具有介于大约5密耳与大约10密耳之间(包含大约5密耳和大约10密耳)的厚度。保护涂层20可具有固有的粘附属性，或者可使用额外粘附界面24，其具有足够的粘附强度来粘附到零件10而在处理期间不发生分层。可将保护涂层20施加到任一表面12、16，以减少碎片和/或变色。用于对零件10进行微加工的激光22可选自由毫微秒脉冲宽度激光和微秒脉冲宽度激光所组成的群组。

现在参看图3，其说明简化的工艺图。根据本发明的一个实施例的工艺可包含所说明的工艺步骤中的一者或一者以上。借助于实例而非限制，所述工艺包含在步骤30处，在用激光22对零件10进行微加工之前，向不锈钢零件10的至少一个表面12、16施加保护涂层20，以使表面12、16与空气在物理上隔离。如步骤32中所展示，可牺牲保护涂层20以通过由于强烈的激光照射引起的碳化和/或氧化来阻隔和/或消耗空气中的氧气。在步骤34处，用激光22(例如，选自由毫微秒脉冲宽度激光和微秒脉冲宽度激光所组成的群组的激光)来处理零件10。根据某些实施例，在此激光处理期间需要包含常规的惰性气体辅助。在步骤36处，可接着依据保护涂层20的材料和零件10的材料而根据已知方法移除保护涂层20的任何剩余部分。

当将毫微秒激光用作激光22时，可在任一表面(即，装饰表面12或其相对的背侧表面16)中对零件10进行钻孔。以上描述内容规定保护涂层20可被施加到零件10的一个或两个表面12、16，包含表面12、16中的接收来自激光22的激光照射的一者。然而，最需要向钻孔表面施加保护涂层20，而不管钻孔表面是装饰表面12还是背侧表面16。因此，为此目的而将保护涂层20的材料选择成对激光束基本上透明。实例包含粘性聚合物、某种透明带等。通过并入有此类保护涂层20且使用惰性辅助气体，减少了上文所描述的变色问题。然而，在表面16(在测试中其为经钻孔表面)上将这些材料用于保护涂层20不足以保护表面免受熔融颗粒10a的影响。这些颗粒10a导致较薄的保护涂层20发生熔融。用于表面16的较厚保护层20是一种可能的解决方案。

另一种解决方案是针对保护涂层20改为使用不同材料(此处为金属材料)。与所描述的先前方法相反，金属材料对激光束不透明。如此，当向钻孔表面施加了金属保护涂层20时，激光22必须实际上割穿保护涂层20，而不是经过保护涂层20。因此，保护涂层20的金属材料应该足够薄，使得必须通过其到达零件10来进行处理大致上不增加整个工艺时间。另外，金属材料应与激光22耦合得足够好，使得激光22可加工通过保护涂层20且到达下方的零件10。最后，材料足够厚且/或具有足够高的熔点以经受住碎片飞溅物。也就是说，所述材料不让包括碎片飞溅物的极热颗粒10a一路烧透且将其自身嵌入在位于保护涂层20下方的零件10上。

所述材料可为金属箔或带，例如，铜箔、铝箔、不锈钢薄片或类似物。可将金属保护涂层20制造得足够薄以用于加工，且具有高熔点以经受住颗粒10a。举例来说，铝的熔点是660℃，铜的熔点是1084℃，且钢的熔点是1370℃。最理想的是将保护涂层20施加在钻孔表面上，而不管所述钻孔表面是高质量装饰表面12还是背侧表面16。或者，可在表面12、16中的一者上不包括保护涂层20，或者可用金属材料作为保护涂层20来覆盖表面12、16两者。

当将毫微秒激光用作激光11时，可在任一表面12、16上对包含金属保护涂层20的零件10进行钻孔，如相对于聚合物型保护涂层20所描述。当使用微秒激光时，优选的是(但不是必须)在钻孔表面上使用金属保护涂层20，这与聚合物型保护涂层20相反，且钻孔表面为装饰表面12。

在一个实施方案中，使用具有同轴氮气辅助的IPG 700W IR激光来在500μm厚的不锈钢零件上钻孔。不锈钢是经预先精饰的，使得表面具有高装饰质量，即，其具有高度抛光的表面。图4展示在不使用本文所教示的保护涂层的情况下由于碎片飞溅物引起的表面损坏。相反，如图5中所展示，在使用保护涂层执行相同的处理时，显著减少了表面损坏。也就是说，将变色和碎片飞溅物两者减到最小程度。与图5的应用一起使用的保护涂层是抵靠着钻孔表面而拉紧的50μm厚的铝箔。此测试证明在有或没有保护涂层的情况下使用相同的工艺参数可钻出非常相同的孔。因此，金属材料与工艺激光耦合得足够好，以加工穿过保护涂层而大致上不增加整个工艺时间。另外，使用保护涂层能够几乎完全从零件表面消除碎片飞溅物。

由于在此测试中零件是不锈钢，所以包括碎片飞溅物的极热颗粒至少为1370℃。然而，熔点仅为660℃的铝箔能够“停止”这些颗粒。在不受理论束缚的情况下，人们认为尽管碎片飞溅物较热，但包括其的颗粒非常小。所述颗粒的直径小于500μm且可能更小。因此，随着所述颗粒撞击保护涂层20且开始打洞穿过所述保护涂层20，所述颗粒快速失去其热量。只要颗粒被“停留”在保护层内部且没有成功穿过到达零件表面，金属材料就被认为是足够厚且具有足够高的金属熔点。同样，太厚的金属材料层也将是不合意的，因为其大致上将增加钻孔/切割工作。以0.001”铜带和0.001”不锈钢箔进行的测试也展示合意地减少了变色和碎片飞溅物。

与改进表面外观的其它方式相比，本发明的实施例提供了显著益处。举例来说，使用短脉冲宽度来消除或大致上减少碎片飞溅物出于两个主要原因而并不总是可行的。第一，此类激光通常不具有快速处理金属零件所需要的功率电平，且第二，此类激光往往大致上比其长脉冲宽度对等物昂贵。另一种可能方案是使用空气/气体喷射和/或真空来防止碎片落回到零件表面上。在包括碎片飞溅物的颗粒具有高动量(这使得几乎不可能仅用空气/气体流来大致上更改颗粒的轨道)的那些情况下，这完全不切实际。最后，在许多情况下，在处理后清洗零件是不合意的，因为这增加了零件生产的额外步骤，从而降低了整体处理量。在所讨论的零件具有高度抛光的表面的情况下，此方法也可能是行不通的，所述高度抛光的表面消除了硬“擦净”的可能性，且往往会加重最微小的表面不完整的情况。本发明的实施例相对较便宜、较简单且较高效。在保护零件的装饰表面的同时进行高质量切割。

尽管已结合某些实施例描述了本发明，但应了解，本发明不应限于所揭示的实施例，而是相反地，本发明既定涵盖所附权利要求书的范围内所包含的各种修改和等效布置，所附权利要求的范围应被赋予最广泛的诠释以涵盖法律所许可的所有此类修改和等效结构。

Claims (18)

1.一种用以对具有高装饰精整质量表面和相对表面的金属零件进行激光微加工的工艺，在所述工艺中改进包括：

在用激光对所述零件进行微加工之前，向所述高装饰精整质量表面和所述相对表面中的至少一者施加保护涂层。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中向所述高装饰精整质量表面和所述相对表面中的待加工的一者施加所述保护涂层，所述保护涂层足够薄，使得用于在有所述保护涂层的情况下加工所述金属零件的处理时间大约等于用于在没有所述保护涂层的情况下加工所述金属零件的处理时间，所述保护涂层为以下情况中的至少一者：足够厚以防止碎片飞溅物燃烧穿过所述保护涂层而嵌入在所述相对的加工表面上；以及由熔点足够高的材料制成以防止所述碎片飞溅物燃烧穿过所述保护涂层而嵌入在所述相对的加工表面上。

3.根据权利要求2所述的工艺，其中所述保护涂层的所述材料是金属材料。

4.根据权利要求1所述的工艺，其中所述保护涂层是铜箔、铝箔和不锈钢片中的至少一者。

5.根据权利要求1所述的工艺，其中所述金属零件包括不锈钢。

6.根据权利要求1所述的工艺，其中向所述高装饰精整质量表面施加所述保护涂层，且所述保护涂层包括有机材料和无机材料中的一者，所述有机材料和所述无机材料充当用以在激光照射期间为所述高装饰精整质量表面阻隔/消耗空气中的氧气的牺牲层。

7.根据权利要求6所述的工艺，其中所述有机材料是粘性聚合物。

8.根据权利要求6所述的工艺，其中所述激光是毫微秒脉冲宽度激光。

9.根据权利要求1所述的工艺，其中所述保护涂层是施加到所述高装饰精整质量表面的第一保护涂层，且包括金属材料。

10.根据权利要求9所述的工艺，其中所述激光是微秒脉冲宽度激光。

11.根据权利要求9所述的工艺，其中所述金属零件包括不锈钢，且所述第一保护涂层包括铜箔、铝箔和不锈钢片中的至少一者。

12.根据权利要求9所述的工艺，其进一步包括：

向所述相对表面施加第二保护涂层。

13.根据权利要求12所述的工艺，其中所述第二保护涂层包括透明胶带和透明蓝色胶带中的至少一者。

14.根据权利要求1所述的工艺，其中所述激光包括毫微秒脉冲宽度激光和微秒脉冲宽度激光中的至少一者。

15.根据权利要求1所述的工艺，其中所述保护涂层是施加到所述相对表面的第一保护涂层和施加到所述高装饰精整质量表面的第二保护涂层，所述第一保护涂层和所述第二保护涂层中的至少一者包括金属材料。

16.一种用以对具有高装饰质量表面和相对表面的不锈钢零件进行激光微加工的工艺，在所述工艺中改进包括：

在用激光对所述零件进行微加工之前，向所述高装饰质量表面和所述相对表面中的既定进行加工的一者施加第一保护涂层，所述保护层包括包含铝、铜和不锈钢中的至少一者的金属材料；以及

用所述激光对所述高装饰质量表面和所述相对的加工表面中的所述一者进行微加工，所述激光包含毫微秒脉冲宽度激光和微秒脉冲宽度激光中的一者。

17.根据权利要求16所述的工艺，其进一步包括：

在用所述激光对所述零件进行微加工之前，向所述高装饰质量表面和所述相对表面中的另一者施加第二保护涂层。

18.根据权利要求17所述的工艺，其中所述第二保护涂层包括所述金属材料和粘性聚合物中的一者。

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