CN102166686A - 激光加工装置及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置及激光加工方法，其可去除加工去除物的同时，能够抑制由液体引起的激光光学系统的污染，甚至能够有效率地照射激光。一种向加工对象物(W)照射激光(L)而进行加工的装置，其具备有：激光照射机构(2)，向加工对象物(W)照射激光(L)；以及液体供给机构(3)，在加工对象物(W)的加工表面上激光(L)使透明的液体(F)沿加工表面以层流状态流动。

Description

激光加工装置及激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种例如适合于超硬质材料的加工等的激光加工装置及激光加工方法。

背景技术

通常，在使用像立方晶氮化硼烧结体(以下称作CBN烧结体)或金刚石烧结体的超硬质材料的部件或工具等的形状加工中，用由磨刀石研磨等力学性方法进行整形。但是，CBN烧结体或金刚石烧结体在力学上坚固，难以用每次加工都变形的磨刀石等施行精密级的精密加工。并且，为了得到所希望的加工性状，也公知有如下方法：向具有包括CBN烧结体或金刚石烧结体等的表面的部件照射激光，且反复扫描，从而施行切割等加工。该方法中，通过由激光的照射产生的熔融物等加工去除物的堆积，在扫描下一个激光时，因堆积的加工去除物阻碍激光的同时，被吸收而加工速度下降，难以进行有效的精密的表面加工。

由此，作为防止加工去除物堆积的方法，以往提出有通过辅助气体吹散加工去除物的方法，或例如专利文献1记载的用高压喷吹水的方法。该方法中可以认为，将水喷吹成高压来进行加工部的冷却，但是也能够吹散加工去除物。并且，专利文献2中提出有如下技术：在保持有被加工物的加工壳内容纳蒸馏水等的液体，通过该液体向被加工物照射激光。另外，该方法中，为了使激光透射，用透明玻璃或透明树脂的透明板形成加工壳。

专利文献1：日本专利公开2006-96051号公报

专利文献2：日本专利公开2009-66657号公报

在上述以往的技术中留有以下课题。

即，在以往使用辅助气体的加工方法中存在，难以将加工去除物全部吹散的问题点，并且在喷吹水的以往方法中存在水压高而飞溅导致激光的光学系统污染的问题点。并且，在专利文献2所记载的技术中存在如下问题：由于在加工壳内容纳有液体，从加工壳的外部通过加工壳入射激光，所以即使用透明板形成加工壳，透射时也会导致激光衰减的同时，由激光导致加工壳自身的损伤。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种可去除加工去除物的同时，能够抑制由液体引起的激光光学系统的污染，甚至能够有效率地照射激光的激光加工装置及激光加工方法。

本发明为了解决上述课题采用了以下结构。即，本发明的激光加工装置向加工对象物照射激光而进行加工，其特征在于，具备有：激光照射机构，向所述加工对象物照射所述激光；以及液体供给机构，在所述加工对象物的加工表面上所述激光使透明的液体以沿所述加工表面的层流状态流动。

本发明的激光加工方法，向加工对象物照射激光而进行加工，其特征在于，具有如下步骤：在所述加工对象物的加工表面上所述激光使透明液体以沿所述加工表面的层流状态流动的步骤；以及通过所述层流状态的所述液体向所述加工对象物照射所述激光的步骤。

这些激光加工装置及激光加工方法中，在加工对象物的加工表面上使透明液体以沿加工表面的层流状态流动，所以通过成为加工表面上的薄膜的透明液体透射的激光对加工对象物进行加工，产生的加工去除物通过成为堆积物去除用液的液体从加工点附近不飞散而稳定地被排出。这时，在加工表面单纯地使液体流动时，液体成为湍流状态而起伏，透射的激光的聚光混乱，有时其成像(焦点)正确地对准不了，但本发明中液体以光学性稳定的层流状态流动，所以能够使激光的焦点正确地对准于加工表面。并且，若液体成为湍流状态，则存在所流动的加工去除物再次返回到加工点附近的忧虑，与此相反，本发明中液体以层流状态流动，所以加工去除物不会返回到加工点附近。因此，通过层流状态的液体可将加工去除物毫无残留地进行去除的同时，不会有液体的飞溅而可抑制激光光学系统的污染。另外，不使激光透射于透明板等的同时，通过很难对激光的聚光产生影响的层流状态的液体照射激光，所以能够进行有效的加工。

并且，本发明的激光加工装置的特征在于，所述激光照射机构相对于在所述加工表面上流过的所述液体，朝向所述液体的下游侧倾斜地入射所述激光。

即，在该激光加工装置中，激光照射机构相对于在加工表面上流过的液体，朝向液体的下游侧倾斜地入射激光，所以，加工去除物容易朝向液体的下游方向流出，基于液体的去除效率变高。

并且，本发明的激光加工装置的特征在于，所述液体供给机构具备将所述液体供给至所述加工表面上的供给喷嘴，该供给喷嘴具有沿所述加工表面较长的长孔状的开口端。

即，该激光加工装置中，供给喷嘴具有沿加工表面较长的长孔状的开口端，所以，液体从具有扁平的开口端的供给喷嘴宽幅地供给于加工表面，即使比较拉近供给喷嘴和加工点也能够容易得到层流状态，也可适用于小的加工对象物。

并且，本发明的激光加工装置的特征在于，所述液体供给机构具备将所述液体供给至所述加工表面上的多个供给喷嘴，多个所述供给喷嘴配置为沿着所述加工表面将朝向同一方向的各开口端排列成邻接状态。

即，该激光加工装置中，多个供给喷嘴配置为沿着加工表面将朝向同一方向的各开口端排列成邻接状态，所以来自相邻的各供给喷嘴的液体成为一体，比一个供给喷嘴时更能抑制流量而容易地得到宽幅的层流状态。

根据本发明得到以下效果。

即，根据本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法，在加工对象物的加工表面上，激光使透明液体以沿加工表面的层流状态流动，所以能够正确的对准透射液体的激光的焦点的同时，稳定有效地排出加工去除物。因此，在基板、切削工具或模具的加工等中，能够进行有效的加工。

附图说明

图1是本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法的第1实施方式中，表示激光加工装置的简单的整体结构图。

图2是第1实施方式中表示将液体供给至加工对象物的供给喷嘴的平面图。

图3是第1实施方式中为了说明激光加工时的状态的主要部分的放大剖面图。

图4是第1实施方式中表示供给喷嘴的前端部的立体图。

图5是表示激光的入射角度与相对于水的反射率之间的关系的图表。

图6是本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法的第2实施方式中，表示供给喷嘴的平面图。

[符号说明]

1-激光加工装置，2-激光照射机构，3、23-液体供给机构，9、29-供给喷嘴，F-液体，L-激光，W-加工对象物。

具体实施方式

以下，参照图1至图5说明本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法的第1实施方式。另外，在用于以下说明的各附图中，为了将各部件设为可识别或容易识别的大小而适当地变更比例尺。

如图1至图3所示，本实施方式的激光加工装置1为向加工对象物W照射激光L而进行加工的装置，具备有：激光照射机构2，向加工对象物W照射激光L；液体供给机构3，在加工对象物W的加工表面上，激光L使透明液体F以沿加工表面的层流状态流动；移动机构4，可保持加工对象物W而移动；以及控制这些的控制部5。

上述加工对象物W例如为基板、切削工具或模具，是SiC基板等的基板或被加工的表面由烧结金刚石烧结体、CBN烧结体或者通过气相合成成膜的金刚石膜等构成的对象物等。

上述移动机构4由如下构成：X轴载物台部4x，可向平行于水平面的X方向移动；Y轴载物台部4y，设置于该X轴载物台部4x上，并且可向相对于X方向垂直且平行于水平面的Y方向移动；以及Z轴载物台部4z，设置于该Y轴载物台部4y上，可保持加工对象物W的同时，能够向相对于水平面垂直的方向移动。

上述激光照射机构2具备有：激光光源6，通过Q开关的触发信号振荡出激光L的同时，还具有聚光成点状的光学系统；电扫描器7，扫描欲照射的激光L；以及CCD摄像机8，为了确认被保持的加工对象物W的加工位置而进行摄像。

上述激光光源6可以使用波长为190～550nm的激光，例如在本实施方式中，使用振荡出波长为355nm的激光L的激光光源。

上述电扫描器7配置于移动机构4的正上方。并且，上述CCD摄像机8与电扫描器7邻接而设置。

如图3所示，该激光照射机构2设定有光学系统及电扫描器7，以使相对于在加工表面上流过的液体F朝向液体F的下游侧倾斜地入射激光L。

另外，倾斜的激光L的入射角度θ设为液体F表面上的激光的反射率成为20％以内的范围。即，是因为向液体F倾斜地入射激光L时，根据入射角度θ反射率而不同，给加工质量带来影响，而设定成反射率超过20％的角度时，难以均质地加工。例如，液体F为水时，该入射角度θ的范围(反射率成为20％以下的角度)为0～66度，液体F为乙醇时，入射角度θ的范围为0～65度。另外，将激光L的入射角度θ与相对于水的反射率之间的关系示于图5。该入射角度θ是将相对于加工对象物W的加工表面垂直地照射激光L时的角度θ设为0度来计算的。

上述液体供给机构3具备有将液体F供给至加工表面上的供给喷嘴9。该供给喷嘴9连接于液体F的供给源(省略图示)的同时设置于加工对象物W上，并且喷嘴的轴线与加工表面平行地配置，以使在加工表面上水平地流过液体F。

如图2及图4所示，供给喷嘴9可以采用开口端为圆形的单管，但是优选沿加工表面具有长的长孔状的开口端的矩形管的供给喷嘴9。

上述液体F为相对于激光L透明的液体，例如采用酒精或纯水。

根据本实施方式的激光加工装置1进行实际加工时，例如对作为加工对象物W加工SiC基板的情况进行说明。

首先，对SiC基板的加工表面从供给喷嘴9以10ml/sec流过的纯水作为液体F。这时，基板表面生成成为1mm厚的层流的纯水膜。接着，一边使液体F流动一边以300mm/sec扫描波长为355nm、输出功率为6W及重复频率为60kHz的激光L。并且，此时的激光L的入射角度θ构成为基板平面与激光L的形成角成为33度(激光L的反射率不到5％)。

其结果，以往向深度方向反复加工时通过加工去除物的飞散吸收激光，加工速度下降，与此相反，在本实施方式中，如图3所示，通过层流状态的液体F，加工去除物不会飞散而可稳定地向下游侧排出，进行有效的加工。

如此，在本实施方式的激光加工装置1中，在加工对象物W的加工表面上使透明液体F以沿加工表面的层流状态流动，所以通过成为加工表面上的薄膜的透明液体F透射的激光L对加工对象物W进行加工，产生的加工去除物通过成为堆积物去除用液的液体F不从加工点k附近飞散而被稳定地排出。此时，使液体F单纯地在加工表面流动时，液体F成为湍流状态而起伏，所透射的激光L的聚光混乱，有时其成像(焦点)正确地对准不了，但在本实施方式中液体F以光学性稳定的层流状态流动，所以能够将激光L的焦点正确地对准于加工表面。

并且，若液体F成为湍流状态，则存在所流动的加工去除物再次返回到加工点k附近的忧虑，与此相反，在本实施方式中，液体F以层流状态流动，所以加工去除物不会返回到加工点k附近。因此，通过层流状态的液体F可以不残留地去除加工去除物的同时，无液体F的飞溅且能够抑制激光光学系统的污染。另外，不在透明板等透射激光L的同时，通过难以给激光L的聚光带来影响的层流状态的液体F照射激光L，所以能够进行有效的加工。

另外，激光照射机构2相对于在加工表面上流过的液体F朝向液体F的下游侧倾斜地入射激光L，所以加工去除物容易朝向液体F的下游方向流出，基于液体F的去除效率变高。

并且，供给喷嘴9具有沿加工表面较长的长孔状的开口端，所以液体F从具有扁平的开口端的供给喷嘴9宽幅地供给至加工表面，即使比较拉近供给喷嘴9和加工点k也可以容易得到层流状态，并且还可以应用于较小的加工对象物W。

接着，以下参照图6对本发明所涉及的激光加工装置及激光加工方法的第2实施方式进行说明。另外，在以下的实施方式的说明中，对上述实施方式中说明的同一构成要素添加同一符号，省略其说明。

第2实施方式与第1实施方式的不同点在于，在第1实施方式中采用一个作为矩形管的供给喷嘴9，与此相反在第2实施方式的激光加工装置中，如图6所示，液体供给机构23具备将液体F供给至加工表面上的多个供给喷嘴29，多个供给喷嘴29配置为沿加工表面将朝向同一方向的各开口端排列成邻接状态。

即，在第2实施方式中具有互相朝向同一方向排列的多管的供给喷嘴29，从各供给喷嘴29供给的液体F在加工点k合流而构成一个层流。

该第2实施方式的激光加工装置中，多个供给喷嘴29配置为沿加工表面将朝向同一方向的各开口端排列成邻接状态，所以来自邻接的各供给喷嘴29的液体F成为一体，比一个供给喷嘴29时更能抑制流量而容易得到宽幅的层流状态。

另外，上述各实施方式的液体供给机构中，作为用于将液体以层流状态供给至加工表面上的条件，进行如下设定，以免超过层流过渡到湍流时的雷诺数(临界雷诺数)。

首先，开口端成圆形的单管的供给喷嘴时，使加工去除物流动所需的最小限的流量为5ml/min，此时的管内径在0.07mm以上成为层流的下限。超过5mmφ而增大该管内径时，为了对齐加工点k中的液体的层厚，必须使加工点k与供给喷嘴的距离远离，在实用面上管内径最大成为5mmφ。将管内径设为5mmφ时，满足层流的条件因为流量与管内径成比例，所以能够使流量最大增加至370ml/min。

将该单管的供给喷嘴中的层流条件示于以下的表1。

[表1]

	管径[mm]	流量下限[ml/min]	流量上限[ml/min]
				最小	0.1	5	7.5(11)
最大	5	5	370(573)

()内是使用乙醇的情况

接着，如第1实施方式的矩形管的供给喷嘴时，通过设定与单管的截面积成等价的周长，从而能够适应与单管的层流条件同等的条件。作为使用矩形管的优点可以举出如下：能够使层流以广范围且恰当厚度流动，或能够比较拉近供给喷嘴和加工点k，并且还能够应用于较小的加工对象物。另外，将供给喷嘴的开口部的厚度设为d，宽度设为w时，将d∶w之比设为1∶20、d＝0.1～1mm作为条件，但是只要是与单管的截面积成等价的周长就没有限制，能够应用。

将该矩形管的供给喷嘴中的层流条件示于以下的表2。

[表2]

()内是使用乙醇的情况

并且，如第2实施方式的多管的供给喷嘴时，考虑成单管的组合，能够适应与单管的层流条件同等的条件。作为使用多管的优点可以举出如下：能够将流量设为最小，使层流广范围流动，或将管内径设为最佳时，能够使流量增加与管数对应的量。但是，供给喷嘴与加工点k的距离需要空出某种程度。

将该多管的供给喷嘴中的层流条件示于以下表3。

[表3]

	管径[mm]	流量下限[ml/min]	流量上限[ml/min]
				最小	0.1×n	5/n	7.5(11)×n
最大	5×n	5/n	370(573)×n

()内是使用乙醇的情况

工业实用性

本发明的激光加工装置及激光加工方法尤其适用于基板、切削工具或模具等的加工中。

Claims (6)

1.一种激光加工装置，向加工对象物照射激光而进行加工，其特征在于，具备有：

激光照射机构，向所述加工对象物照射所述激光；以及

液体供给机构，在所述加工对象物的加工表面上，所述激光使透明的液体沿所述加工表面以层流状态流动。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述激光照射机构相对于在所述加工表面上流过的所述液体，朝向所述液体的下游侧倾斜地入射所述激光。

3.如权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，

所述液体供给机构具备向所述加工表面上供给所述液体的供给喷嘴，

该供给喷嘴具有沿所述加工表面长的长孔状开口端。

4.如权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，

所述液体供给机构具备向所述加工表面上供给所述液体的多个供给喷嘴，

多个所述供给喷嘴配置为沿着所述加工表面将朝向同一方向的各开口端排列成邻接状态。

5.如权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，

所述液体供给机构具备向所述加工表面上供给所述液体的多个供给喷嘴，

多个所述供给喷嘴配置为沿着所述加工表面将朝向同一方向的各开口端排列成邻接状态。

6.一种激光加工方法，向加工对象物照射激光而进行加工，其特征在于，具有以下2个步骤：

在所述加工对象物的加工表面上，所述激光使透明的液体沿所述加工表面以层流状态流动的步骤；以及

通过所述层流状态的所述液体向所述加工对象物照射所述激光的步骤。

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