CN105189019B - 激光加工部件的制造方法和激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光加工部件的制造方法，其具备在部件的表面形成保护层的保护工序和对上述保护层照射激光来加工上述部件的加工工序，上述保护层为包含P的氧化物玻璃，在上述加工工序后，具备用液体溶解上述保护层的去除工序。

Description

激光加工部件的制造方法和激光加工方法
技术领域
本发明涉及激光加工部件的制造方法和激光加工方法。
背景技术
近年来，由于制造工序的高效率化、制造部件的高品质化、高精度化的要求变高，促进了激光加工的利用。例如，在在发电用涡轮机部件、用于印刷配线基板的层间连接的孔加工等中利用。然而，在用激光进行加工的情况下，存在加工时所产生的溅射物、渣滓等附着于表面等课题。
因此，近年来，公开了在对象物的表面涂布掩蔽剂而进行激光孔加工的方法，以抑制在发电用涡轮机部件的孔加工时对表面的附着。
例如，专利文献1公开了如下方法：将由金属粉末和二氧化硅的糊构成的掩蔽剂涂布于金属表面，利用激光进行孔加工后，去除掩蔽剂的方法。在本方法中，通过用掩蔽剂保护表面而得到清洁的加工部的表面。
此外，专利文献2公开了如下方法：一边在照射部分的附近吸引去除激光加工中生成的分解物，一边进行加工的方法。在本方法中，在溅射物、渣滓等分解物附着于表面之前，通过吸引而得到清洁的加工部的表面。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4913297号公报
专利文献2：日本特开2012-121073号公报
发明内容
发明所要解决的课题
对于上述以往的方法例如专利文献1的方法而言，由于掩蔽剂为陶瓷涂层，因此除去时需要进行喷砂(blast)等处理。
此外，对于专利文献2的方法而言，装置规模变大或者与该装置的干扰有可能成为问题。此外，在激光孔加工时，有时会与激光同轴喷射气体，在该情况下，可能会使吸引效果减弱，从而无法得到清洁的加工部表面。
因此，本发明的目的在于，通过简单的激光加工，得到清洁的加工部表面。
解决课题的方法
为了实现上述目的，本发明的激光加工部件的制造方法的特征在于，具备在部件的表面形成保护层的保护工序和对上述保护层照射激光来加工上述部件的加工工序，上述保护层为包含P的氧化物玻璃，在上述加工工序后，具备用液体溶解上述保护层的去除工序。
此外，具备在部件的表面形成保护层的保护工序和对上述保护层照射激光来加工上述部件的加工工序的激光加工方法的特征在于，上述保护层为包含P的氧化物玻璃，在上述加工工序后，具备用液体溶解上述保护层的去除工序。
发明效果
根据本发明，可通过简单的激光加工得到清洁的加工部表面。
附图说明
图1是氧化物玻璃的由差示热分析得到的DTA曲线的1个例子。
图2是附有隔热涂层的Ni基合金的孔加工的工序图。
图3是印刷配线基板的孔加工的工序图。
图4是不锈钢的切断加工的工序图。
图5是不锈钢的熔接加工的工序图。
具体实施方式
在本发明中，使用激光进行部件的表面加工时，在部件的表面设置包含P的氧化物玻璃的保护层，从其上进行激光加工。激光加工后，通过液体洗涤来去除保护层。液体是水、将水作为主溶剂的水溶液。
对于以溶于水为特征的氧化物，可以举出包含P(磷)的P2O5、P2O4。在这些氧化物中，基本上不包含Pb(铅)和Bi(铋)。在RoHS指令(2006年7月1日施行)中，这些物质被指定为禁止物质，基本上不包含是指，不以指定值以上的范围含有RoHS指令中的禁止物质。通过向包含P的氧化物加入V、Fe、Li、Na、K、Ba、Ca、B，可调整水溶性、玻璃化转变温度。
为了使氧化物的水溶性提高，可加入V、碱金属(Li、K、Na等)、碱土类金属(Ba、Ca等)。但，在氧化物中包含V的情况下，如果过度添加碱金属、碱土类金属，则反而会使耐水性过于提高，因此碱金属为10mol％以下、碱土类金属为5mol％以下即可。
另一方面，如果耐水性提高，则会变得不易吸湿，因此作业性提高。Fe、B具有使耐水性提高的效果，因此从作业性的观点考虑，可适当加入。此外，通过加入Fe，激光吸收性提高。在加工激光吸收率低的对象物的情况下，加工效率提高，因此有效。
此外，包含V的氧化物的激光吸收性优异，因此在对激光吸收率低的Cu(铜)、Al(铝)等进行加工的情况下，可通过在表面进行涂布来使激光吸收率增加，从而改善加工效率。此外，这些氧化物容易溶于水，因此激光加工后，能够与加工时生成的溅射物、渣滓等一同冲洗。即使是不包含V的氧化物，也可吸收10μm左右的波长的激光，因此通过适当选择激光的波长，能够得到良好的加工品质。
在将P作为主成分的情况下，氧化物的有效的组成范围(氧化物换算)优选P2O5为40～70mol％、Na2O为25～50mol％。如果包含5～10mol％的B2O3，则玻璃化转变点变低，容易形成保护层，因此进一步优选。在包含P且包含V、并将V作为主成分的情况下，优选P2O5为5～50mol％、V2O5为50～95mol％，并且P2O5+V2O5≥68mol％。如果P2O5+V2O5≥90mol％，则水溶性进一步变好。
此外，对于上述氧化物，可通过混合金属、陶瓷粒子而使氧化物的耐热性提高。由于加工后粉末粒子与上述氧化物一同被去除，因此金属和陶瓷均可，但如果考虑附着残留的可能性，优选与加工对象物为相同组成。例如，在加工Ni基超合金的情况下，可通过将相同组成的金属粒子与上述氧化物混合来赋予氧化物耐热性。此外，在加工Cu的情况下，可通过将Cu粒子与上述氧化物混合来赋予氧化物耐热性。
上述氧化物可通过使用溶剂和粘合剂而糊化后使用。可通过将糊涂覆于试样表面并使其干燥来形成与试样表面粘接的氧化物玻璃层。此外，可利用喷镀、冷喷涂等在表面形成氧化物玻璃层。利用任何方法形成氧化物玻璃层均不会影响水溶性、激光吸收性。
实施例1
在本实施例中，制作表1所示的组成的氧化物玻璃，并评价水溶性(洗涤性)和玻璃化转变温度。关于上述氧化物的制作，使用V2O5、P2O5、Na2O、Fe2O3、Li2O、K2O、BaO、CaO、B2O3试剂，以合计200g的方式以规定量进行配合，并将其混合放入铂坩埚，利用电炉以5～10℃/分钟的升温速度加热至900～950℃而熔融。为了在该温度下变得均匀，在搅拌的同时保持1～2小时。之后，取出坩埚，浇注至预先加热至150℃左右的不锈钢板上。将浇注至不锈钢板上的氧化物粉碎成平均粒径(D50)小于20μm。以5℃/分钟的升温速度对该氧化物进行差示热分析(DTA)至550℃，从而测定转变点(Tg)、屈服点(Mg)、软化点(Ts)和结晶化温度(Tcry)。予以说明的是，作为标准样品，使用氧化铝(Al2O3)粉末。
图1中示出氧化物玻璃的代表性的DTA曲线。如图1所示，将Tg设为第一吸热峰的开始温度、Mg设为该峰温度、Ts设为第二吸热峰温度、Tcry设为由结晶化引起的显著的发热峰的开始温度。本实施例的氧化物玻璃的Tg为277℃。
通过在水中浸渍2h来评价氧化物玻璃的洗涤性。关于评价样品，利用喷磨机将氧化物粉碎至平均粒径(D50)达到2μm以下，向该氧化物粉末加入溶解有4％树脂粘合剂的溶剂并混合，从而制作印刷用糊。在此，树脂粘合剂使用乙基纤维素，溶剂使用二乙二醇丁醚醋酸酯(Butyl Carbitol Acetate)。将该糊涂布于由陶瓷形成的附有隔热涂层的Ni基合金，在150℃下干燥，在500℃-700℃程度保持10分钟而进行烧成。
对于可将氧化物玻璃良好溶解并去除的情况，评价为“◎”，对于可溶解的情况，评价为“○”，对于不怎么溶解的情况，评价为“△”，对于无法溶解的情况，评价为“×”。在氧化物No.1～38的实施例中，水溶性优异，可容易地从试片去除。
[表1]
实施例2
使用实施例1中制作的氧化物玻璃糊，实施附有陶瓷隔热涂层的Ni基合金的孔加工。关于氧化物玻璃组成，将V2O5设为70mol％、P2O5设为30mol％(实施例的No.4)。将氧化物玻璃糊涂布于陶瓷隔热涂层，在加热至150℃的加热板上干燥10分钟。干燥后，利用激光实施孔加工。使用的激光为光纤激光。将孔径设为φ0.8mm和φ1.4mm，将孔角度设为90°和45°。气体使用Ar气，气压设为0.5MPa。图2表示激光孔加工的工序图。1表示Ni基合金、2表示基底层、3表示隔热涂层(陶瓷层)、4表示氧化物玻璃层、5表示激光、6表示加工残渣(溅射物)、7表示孔加工部。
加工后的表面附着有Ni基合金金属成分和推测的溅射物。将加工后的试片浸渍于水，与氧化物玻璃一同去除了溅射物。对于水洗涤后的试片，未能用肉眼确认氧化物玻璃，几乎被去除。与没有氧化物玻璃层的情况相比，外观上没有溅射物、渣滓的附着，得到表面清洁优异的孔加工部件。
使用高频电感耦合等离子体发射光谱分析装置对激光加工部附近进行分析，结果检测出V。由于陶瓷层、Ni基合金中未包含V成分，因此认为其为氧化物玻璃的残渣。由于陶瓷层通过喷镀附于Ni基合金，因此认为表面有细小的凹凸，氧化物玻璃侵入了该凹凸。此外，确认到即使在陶瓷隔热涂层的表面残留V成分，也不会使隔热性能发生变化。
在本实施例中，激光使用了光纤激光，但只要能够进行孔加工就并不限于此。关于气体种类、气压也可进行适当变更，以下的实施例也同样。
在比较例中也实施了与上述同样的试验。关于氧化物玻璃组成，将V2O5设为40mol％、TeO2设为40mol％、Ag2O设为20mol％(比较例的No.4)。在加工后的表面附着有溅射物、渣滓。使该试片浸渍于水2h，但氧化物玻璃未水溶，溅射物、渣滓、氧化物玻璃仍附着于隔热涂层。
实施例3
在实施例2中使用氧化物玻璃糊来形成氧化物玻璃层，但本实施例的不同之处在于，利用冷喷涂将氧化物玻璃粉末喷射在隔热涂层上，从而形成氧化物玻璃层。使用的粉末的粒径为10-30μm。其他实验条件与实施例2相同。
加工后的表面附着有Ni基合金金属成分和推测的溅射物。将加工后的试片浸渍于水，与氧化物玻璃一同去除了溅射物。对于水洗涤后的试片，未能用肉眼确认氧化物玻璃，几乎被去除。与没有氧化物玻璃层的情况相比，外观上没有溅射物、渣滓的附着，得到表面清洁优异的孔加工部件。
使用高频电感耦合等离子体发射光谱分析装置对激光加工部附近进行分析，结果检测出V。由于陶瓷层、Ni基合金中不包含V成分，因此认为其为氧化物玻璃的残渣。
如果像本实施例一样使用冷喷涂法，则在发电设备等大型装置中也能够效率良好地形成氧化物玻璃层，因此能够缩短加工时间。
实施例4
通过向实施例1中制作的氧化物玻璃糊加入Ni合金粉末来对附有陶瓷隔热涂层的Ni基合金实施孔加工。Ni基合金粉末的粒径为30-60的粒，糊中的含有率设为30体积％。其他实验条件与实施例2同样。
加工后的表面附着有Ni基合金金属成分和推测的溅射物。将加工后的试片浸渍于水，与氧化物玻璃一同去除了溅射物。对于水洗涤后的试片，未能用肉眼确认氧化物玻璃，几乎被去除。与没有氧化物玻璃层的情况相比，外观上没有溅射物、渣滓的附着，得到表面清洁优异的孔加工部件。
使用高频电感耦合等离子体发射光谱分析装置对激光加工部附近进行分析，结果检测出V。由于陶瓷层、Ni基合金中不包含V成分，因此认为其为氧化物玻璃的残渣。
实施例5
如图3所示，对于使用实施例1中制作的氧化物玻璃糊使铜箔与用于印刷配线基板的含有玻璃的环氧树脂贴合的板进行孔加工。8表示玻璃环氧树脂、9表示铜箔。
铜箔的厚度为18μm。关于氧化物玻璃组成，将V2O5设为70mol％、P2O5设为30mol％。利用丝网印刷将氧化物玻璃糊涂布于覆铜板，在加热至150℃的加热板上干燥10分钟。干燥后，利用激光实施孔加工。使用的激光为CO2激光。从氧化物玻璃层的上方照射CO2激光实施孔加工。将孔径设为φ0.1mm，孔角度设为90°。由于氧化物玻璃层良好吸收CO2激光，因此对于铜箔也能够进行孔加工。加工后的表面附着有Cu和推测的加工残渣。将加工后的试片浸渍于水，与氧化物玻璃一同去除了加工残渣。对于水洗涤后的试片，未能用肉眼确认氧化物玻璃，几乎被去除。使用高频电感耦合等离子体发射光谱分析装置对激光加工部附近进行分析，结果未检测出V。由于铜箔的表面非常光滑，因此认为氧化物玻璃通过水洗被完全去除。
与没有氧化物玻璃层的情况相比，外观上没有溅射物、渣滓的附着，得到表面清洁优异的孔加工部件。
在本实施例中，利用丝网印刷涂布了氧化物玻璃，但利用点胶法仅对孔加工部进行涂布也可得到同样的效果。
在比较例中也实施与上述相同的试验。关于氧化物玻璃组成，将V2O5设为40mol％、TeO2设为40mol％、Ag2O设为20mol％(比较例的No.4)。加工后的表面附着有溅射物、渣滓。使该试片浸渍于水2h，但氧化物玻璃未水溶，溅射物、渣滓、氧化物玻璃仍附着于铜箔，没有效果。
实施例6
如图4所示，对使用实施例1中制作的氧化物玻璃糊的316不锈钢进行切断。10表示316不锈钢、11表示切断部件。
关于氧化物玻璃组成，将V2O5设为70mol％、P2O5设为30mol％。将氧化物玻璃糊涂布于316不锈钢，在加热至150℃的加热板上干燥10分钟。干燥后，用激光切断316不锈钢。使用的激光为光纤激光。板厚为6mm，切断用气体使用Ar气。气压设为0.5MPa。加工后的表面附着有溅射物。将加工后的试片浸渍于水，与氧化物玻璃一同去除了溅射物。对于水洗涤后的试片，未能用肉眼确认氧化物玻璃，其被去除。与没有氧化物玻璃层的情况相比，外观上没有溅射物、渣滓的附着，得到表面清洁优异的切断加工部件。
实施例7
如图5所示，对使用实施例1中制作的氧化物玻璃糊的316不锈钢进行熔接。关于氧化物玻璃组成，将V2O5设为70mol％、P2O5设为30mol％。将氧化物玻璃糊涂布于316不锈钢，在加热至150℃的加热板上干燥10分钟。干燥后，将316不锈钢对接并实施激光熔接。使用的激光为光纤激光。板厚为6mm，保护气体使用Ar气。将气体流量设为30L/min。加工后的表面附着有溅射物。将加工后的试片浸渍于水，与氧化物玻璃一同去除了溅射物。对于水洗涤后的试片，未能用肉眼确认氧化物玻璃，其被去除。与没有氧化物玻璃层的情况相比，外观上没有溅射物、渣滓的附着，得到表面清洁优异的熔接加工部件。
根据以上叙述，通过在陶瓷、金属上用表1所示的洗涤性优异的玻璃形成保护层，即使在激光加工时产生溅射物等残渣，也能够与玻璃一同洗涤。由此，与利用掩蔽剂等的以往技术相比，激光加工简单，并且可得到清洁的表面的部件。激光加工不限于上述孔加工、切断、熔接，不贯通基材的加工也可。
符号说明
1 Ni基合金
2 基底层
3 隔热涂层
4 氧化物玻璃层
5 激光
6 加工残渣
7 孔加工部
8 玻璃环氧树脂
9 铜箔
10 316不锈钢
11 切断部件
12 熔接部

Claims (13)

1.一种激光加工部件的制造方法，其特征在于，是具备在部件的表面形成保护层的保护工序和对所述保护层照射激光来加工所述部件的加工工序的激光加工部件的制造方法，所述保护层为包含P的氧化物玻璃，在所述加工工序后，具备用水溶解所述保护层的去除工序。
2.根据权利要求1所述的激光加工部件的制造方法，其特征在于，所述氧化物玻璃进一步包含V。
3.根据权利要求1所述的激光加工部件的制造方法，其特征在于，所述氧化物玻璃进一步包含V，以氧化物换算，P2O5为5～50mol％，V2O5为50～95mol％，P2O5+V2O5≥68mol％。
4.根据权利要求1所述的激光加工部件的制造方法，其特征在于，所述氧化物玻璃进一步包含Na，以氧化物换算，P2O5为40～70mol％，Na2O为25～50mol％。
5.根据权利要求1所述的激光加工部件的制造方法，其特征在于，所述氧化物玻璃进一步包含Fe、Li、Na、K、Ba、Ca、B中的任一种。
6.根据权利要求1所述的激光加工部件的制造方法，其特征在于，在所述保护工序中，通过向所述部件喷射所述氧化物玻璃的粉末来形成所述保护层。
7.根据权利要求1所述的激光加工部件的制造方法，其特征在于，在所述保护工序中，通过将包含所述氧化物玻璃的糊涂布于所述部件并干燥来形成所述保护层。
8.一种激光加工方法，其特征在于，是具备在部件的表面形成保护层的保护工序和对所述保护层照射激光来加工所述部件的加工工序的激光加工方法，所述保护层为包含P的氧化物玻璃，在所述加工工序后，具备用水溶解所述保护层的去除工序。
9.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，所述氧化物玻璃进一步包含V。
10.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，所述氧化物玻璃进一步包含V，以氧化物换算，P2O5为5～50mol％，V2O5为50～95mol％，P2O5+V2O5≥68mol％。
11.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，所述氧化物玻璃进一步包含Na，以氧化物换算，P2O5为40～70mol％，Na2O为25～50mol％。
12.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，在所述保护工序中，通过向所述部件喷射所述氧化物玻璃的粉末来形成所述保护层。
13.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，在所述保护工序中，通过将包含所述氧化物玻璃的糊涂布于所述部件并干燥来形成所述保护层。
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