CN105531072A - 借助脉冲激光射线对工件进行去料切割的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的用于借助脉冲激光射线(2)对可透光工件(1)进行去料的方法，包括以下方法步骤：a)借助脉冲激光射线(2)沿着某个表面轨迹(4)经过工件表面(3)，对工件表面(3)进行预处理，脉冲激光射线(2)的连续激光脉冲(2′，2″)在轨迹方向(5)在工件表面(3a)上具有第一脉冲重叠(6₁)；b)借助脉冲激光射线(2)沿着表面轨迹(4)多次经过工件表面(3)去料预处理过的工件表面(3)，脉冲激光射线(2)的连续激光脉冲(2′，2″)在轨迹方向(5)在工件表面(3)上具有小于第一脉冲重叠(6₁)的第二脉冲重叠(6₂)。

Description

借助脉冲激光射线对工件进行去料切割的方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助脉冲激光射线对尤其可透光工件进行去料或去料切割的方法。在这类去料切割方法中，借助激光射线相继从工件去除工件材料。

背景技术

在借助激光器对工件进行切割加工时，尤其在对例如由玻璃、蓝宝石或类似材料构成的薄基体进行激光切割时，众所周知，不仅在面向激光射线的工件上侧面上的直接材料去除区域中出现损伤，而且通常也与此隔开间距地在工件材料内部中或者在工件下侧面上形成所谓的副加工区，在所述副加工区中工件材料由于激光过程而受损(局部改性，例如熔化)。此外，形成副加工区的原因估计是在待分离的光学可透光工件材料内部进行激光切割时的不希望的光学效应，例如激光射线的反射。副加工区的构成程度也根据工件的材料和/或尺寸以及激光切割时的参数而发生变化。

上述副加工区不仅在所加工的工件上形成外观缺陷，而且对工件稳定性也产生不利影响。例如，由于副加工区而使所加工工件的机械负荷能力下降并从而尤其使该工件的最大可承受弯曲应力(断裂弯曲应力)减小。一般，损伤在离真正的切割区域越远的地方出现，则损伤显现得越不明显。

为了减小材料加工对真正加工区域的相邻区域的影响，由EP1945401B1已知一种用于借助激光进行材料分离的方法，在该方法中，用激光脉冲序列照射待加工的材料区域。在此，至少两个在时间上彼此相继的激光脉冲的照射区域可以在空间上在从10％到99％的范围内重合。在沿着切缝切断工件时，可以在分离过程开始时首先施加高激光能量，并且随后施加减小的激光能量。

还由EP2258512B1已知用于分解基体的方法和装置，其中，将多个能够使所述基体局部熔化的脉冲指向该基体。由此在基体内部形成结构变薄弱的区域，其中，各个激光脉冲可在空间上重叠。随后可以通过在所述变薄弱的区域中施加机械作用来分离(折断)或者切割所述基体。

此外，US6552301B2公开了将激光脉冲序列射到工件材料上的方法。在此，所述激光脉冲具有很短的脉冲持续时间以及具有大于工件材料改性阈值的通量密度。

最后，由WO2012/006736A2已知一种用于为分割基体做准备的方法，其中，用一个或多个激光脉冲照射该基体，从而首先在该基体中形成第一光丝。通过基体和激光射线的相对运动在基体中在另一部位上产生附加的第二光丝，使得所述光丝形成一个图样，沿着该图样分割基体。

发明内容

本发明的任务在于提供一种用于对工件进行去料切割的方法，该方法克服现有技术缺点。尤其应该提供一种方法，通过该方法在理想情况下完全防止或者至少减少副加工区或者损伤区的形成。

根据本发明，该任务通过具有以下方法步骤的方法解决：

a)通过用脉冲激光射线沿着表面轨迹经过工件表面来对该工件表面进行预处理，其中，该脉冲激光射线的彼此相继的激光脉冲在工件表面上沿轨迹方向具有第一脉冲重叠；并且

b)通过用脉冲激光射线沿着所述表面轨迹多次经过工件表面来对预处理过的工件表面进行去料，其中，该脉冲激光射线的彼此相继的激光脉冲在工件表面上沿轨迹方向具有小于第一脉冲重叠的第二脉冲重叠。

根据本发明，通过以第一方法步骤a)对工件表面进行预处理来使表面附近的工件区域的透射率减小，其方式例如是，借助强激光辐射使工件表面粗糙化。即，在表面附近的工件区域中产生散射中心，所述散射中心防止：在第二方法步骤b)中，具有在此时更小的路段能量(Streckenenergie)的激光辐射可能侵入到位于预处理过的工件表面下方的可透光工件材料中并且尤其可能侵入直到工件下侧面，这可能在那里导致工件材料的不希望的受损或改性。在此，所述路段能量定义为激光功率除以进给速度。尤其可以防止或减少激光切割期间在可透光的工件材料中形成有害反射，使得在切割区域中或远离该区域的地方不出现工件损伤或者仅出现减小的损伤。也可以防止在工件背面上形成损伤区。因此，被切割边沿的后加工是多余或者至少使该后加工量最小化。此外，通过本发明的方法来切割的工件的稳定性、尤其弯曲负荷能力提高。

根据本发明的方法在一定程度上是局部预处理工件的第一方法步骤和起真正切割工件作用的第二方法步骤组成的混合过程。在根据本发明的方法中，借助具有不同脉冲重叠的激光射线逐层地从工件表面越来越深地朝工件内进行去除材料。根据以下公式计算激光参数“脉冲重叠”：

$\stackrel{\·\·}{U}=1-\frac{v}{{\mathrm{fd}}_{Of}}$

其中：＝脉冲重叠[％]，

v＝进给速度[m/s]，

f＝激光射线的脉冲频率[Hz]，以及

d_0f＝焦斑直径[m]，

在此，所述“脉冲重叠”从最初较高的、用于沿着之后的切割轮廓对工件进行预处理的值随后被降低到低得多的、用于切割工件材料的值。为此，例如可以在从第一方法步骤变到第二方法步骤时，在激光射线的脉冲频率保持不变的情况下提高激光射线的进给速度，或者在进给速度保持不变的情况下减小激光射线的脉冲频率。

待切割的工件尤其涉及薄的、最大厚度为1mm的可透光基体，例如玻璃、蓝宝石或类似基体。在以第一方法步骤沿着表面轨迹对工件进行预处理时，激光射线的作用深度典型地为10μm到20μm。在待切割工件或者说基体的剩余厚度上进行将预处理过的工件表面以第二方法步骤加深成槽(切缝)。为了产生脉冲激光射线，优选使用其脉冲持续时间或者说脉冲宽度在皮秒范围内的激光器。可以由具有脉冲激光器的激光加工设备执行根据本发明的方法，其中，可以借助控制程序改变上述参数(进给速度、脉冲频率、焦斑直径、激光功率、经过次数等等)。在此优选，在第一和第二方法步骤中使用同一个激光器产生激光射线。

特别优选，在第一和第二方法步骤中，激光脉冲分别具有相等的脉冲功率并且在工件表面上分别具有相等的直径。

视待切割的工件材料及其几何形状而定，可能有利或者需要的是，产生更宽的痕迹或者说更宽的槽，以切断工件。为了扩宽预处理过的表面轨迹，可以在第一方法步骤和/或第二方法步骤中用脉冲激光射线在轨迹方向上在多个相互横向错开的表面轨迹中经过工件表面，所述表面轨迹可以在横向上相互重叠。

在第一方法步骤中，第一脉冲重叠优选大于90％，尤其大于95％，而在第二方法步骤中第二脉冲重叠小于70％，尤其小于50％。即，在激光脉冲功率相等并且工件表面上的激光射线直径相等的情况下，在第二方法步骤中大致仅将约第一方法中激光功率一半大小的激光功率引入到工件中。

优选，在第一方法步骤中工件最多被激光射线经过两次，以防止过高的能量输入并进而防止工件过强的热负荷或热力学负荷。

为了切断工件，多次重复第二方法步骤，直至工件被沿着表面轨迹完全切断或者直至工件可通过机械去料法、尤其通过划刻法切断。

在一种特别优选的方法变型中，在工件上分别在两侧执行第一和第二方法步骤，以从两侧产生槽(切缝)，所述槽然后可补充成完整的分离切割。与单侧的工件加工相比，以该方式能够实现工件的需要更快且更少材料去除的切断。尤其可以在工件两侧选择比单侧加工时更小的槽宽。两侧的工件加工原则上可以同时借助两个激光器来进行。然而优选首先在一个工件侧上执行第一和第二方法步骤，然后在翻过来的另一个工件侧上执行第一和第二方法步骤。以该方式可以仅借助唯一一个激光器在两侧对工件进行加工。在此，为了特别快地切断工件，在所述一个工件侧上执行第一和第二方法步骤直至槽深为工件厚度的50％，接着在翻转工件后，在另一工件侧上执行第一和第二方法步骤这么长时间，直至两个槽补充成为完整的分离切割并且工件被切断为止。

本发明的主题的其它优点和有利实施方式由说明书、权利要求书和附图得知。同样，之前提到的以及还会进一步说明的特征可以单独地使用或者对于多个特征以任意组合使用。所示出的以及所说明的实施方式不理解为穷举，而更确切地说是具有用于描述本发明的示例特征。附图的图很示意性地示出本发明的主题，并且不要理解为按比例尺绘制。

附图说明

图1a-1d以工件的剖视图示出本发明的去料方法的各个方法步骤；

图2a-2d以工件的俯视图示出在执行根据图1的方法时所使用的、具有不同脉冲重叠的两个脉冲序列；以及

图3a-3e以工件的剖视图示出本发明去料方法的一种变形的各个方法步骤。

具体实施方式

在图1a到1d中说明性地示出借助脉冲激光射线2对可透光工件1进行根据本发明的去料切割的各个方法步骤。

在图1a中示出的第一方法步骤中，用脉冲激光射线2沿着表面轨迹4(图2a)经过工件表面(工件上侧面)3，以此为真正的去料对该工件表面进行预处理。通过该预处理使表面附近的工件区域的透射率减小，其方式例如是，借助激光射线2使工件表面3粗糙化。如图2a所示，在第一方法步骤中，脉冲激光射线2的彼此相继的激光脉冲2′、2″在工件表面3上沿轨迹方向5具有例如为95％的第一脉冲重叠6₁，从而彼此相继的脉冲2′、2″大部分重叠。

为了将预处理过的表面轨迹4扩宽到使得能够实现切断工件1的轨迹宽度，用脉冲激光射线2并且具有第一脉冲重叠6₁地在轨迹方向5上在多个相互横向错开的表面轨迹4a-4c中经过工件表面3(图1b)，所述表面轨迹如在图2b中示出的那样可以在横向上具有重叠(线性重叠)。

在第一方法步骤中，具有第一脉冲重叠6₁的脉冲激光射线2典型地作用至10μm到20μm的深度T，其方式是，对基体材料进行去料或者熔化直至深度T。为了在预处理时限制热能沿着表面轨迹4输入到工件1中，并进而防止在工件1中产生损伤、尤其是裂纹，在第一方法步骤中，工件表面3的同一个部位最多被脉冲激光射线2经过两次。

在图1c中示出的第二方法步骤中，通过用脉冲激光射线2沿着表面轨迹4多次经过工件表面3来对预处理过的工件表面3进行去料。如图2c所示，在第二方法步骤中，脉冲激光射线2的彼此相继的激光脉冲2′、2″在工件表面3上沿轨迹方向5具有比第一脉冲重叠6₁小的第二脉冲重叠6₂，该第二脉冲重叠例如为55％。在激光射线2的激光脉冲功率保持不变的情况下，可以在脉冲频率保持不变的情况下通过激光射线2在工件表面3上的与第一方法步骤相比更高的进给速度、或者在进给速度保持不变的情况下通过与第一方法步骤相比更低的脉冲频率实现第二脉冲重叠6₂。

如图1d所示，类似于第一方法步骤，借助具有第二脉冲重叠6₂的脉冲激光射线2在轨迹方向5上以多个相互横向错开的表面轨迹4a-4c经过工件表面3，所述表面轨迹如在图2d中示出的那样可以在横向上具有重叠(线性重叠)。

重复第二方法步骤，直至通过材料去除首先在工件表面3形成槽7(图1d、2d)并且在数百次经过之后工件1最终完全被切断。替代于借助激光射线2完全切断，仍存在于工件1中的槽底8也可通过机械去料法、尤其通过划刻法完全切断。

通过以第一方法步骤预处理过的工件表面3有效地防止：在第二方法步骤中，激光射线2可能侵入到位于预处理过的工件表面3下方的工件材料中，尤其可能侵入直至工件下侧面，这可能在那里引起工件材料的不希望的受损或者改性。

在图3a到3e中示出本发明的去料方法的一种变形方案的各个方法步骤。

首先按照第一和第二方法步骤对面向激光射线2的第一工件侧3a进行加工，其方式是，借助具有第一脉冲重叠6₁的脉冲激光射线2沿着表面轨迹4经过这一工件侧3a，并且由此为真正的去料对该工件侧进行预处理(图3a)，随后通过材料去除的方式借助具有第二脉冲重叠6₂的脉冲激光射线2在第一工件侧3a切割出第一槽7a(图3b)。

当第一槽7a在工件1中被切到约工件厚度的一半时，将工件1翻转(图3c)。

按照第一和第二方法步骤对此时面向激光射线2的第二工件侧3b进行加工，其方式式是，借助具有第一脉冲重叠6₁的脉冲激光射线2沿着相同的表面轨迹4经过第二工件侧3b，并由此为真正的去料对第二加工侧进行预处理(图3d)，随后通过材料去除的方式借助具有第二脉冲重叠6₂的脉冲激光射线2在第二工件侧3b切出第二槽7b。将第二槽7b继续切割这么深，直至形成完全的分离切割9(图3e)。

Claims (13)

1.用于借助脉冲激光射线(2)对尤其可透光工件(1)进行去料的方法，其特征在于，包括以下方法步骤：

a)通过用脉冲激光射线(2)沿着表面轨迹(4)经过工件表面(3)来对该工件表面(3)进行预处理，其中，该脉冲激光射线(2)的彼此相继的激光脉冲(2′，2″)在所述工件表面(3)上沿轨迹方向(5)具有第一脉冲重叠(6₁)；并且

b)通过用脉冲激光射线(2)沿着所述表面轨迹(4)多次经过所述工件表面(3)来对预处理过的该工件表面(3)进行去料，其中，该脉冲激光射线(2)的彼此相继的激光脉冲(2′，2″)在该工件表面(3)上沿轨迹方向(5)具有小于所述第一脉冲重叠(6₁)的第二脉冲重叠(6₂)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)和步骤b)中，所述激光脉冲(2′，2″)分别具有相等的脉冲功率并且在所述工件表面(3)上分别具有相等的直径。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过改变脉冲频率和/或改变经过速度来实现步骤a)和步骤b)中的不同的脉冲重叠(6₁，6₂)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第一脉冲重叠(6₁)大于90％，尤其大于95％。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，第二脉冲重叠(6₂)小于70％，尤其小于50％。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)和/或步骤b)中，激光射线(2)在轨迹方向(5)上在多个相互横向错开的表面轨迹(4a-4c)中经过所述工件表面(3)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中用激光射线(2)经过所述工件表面(3a)最多两次。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)和步骤b)中借助同一个激光器来产生激光射线(2)。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述工件表面(3a)的预处理包括使表面附近的工件区域的透射率减小，尤其是使该工件表面(3a)粗糙化。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，多次重复步骤b)，直至沿着所述表面轨迹(4)将所述工件(1)完全切断。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，通过机械去料法、尤其通过划刻法在去料过的所述表面轨迹(4)上将所述工件(1)完全切断。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述工件(1)的两侧(3a，3b)沿着相同的表面轨迹(4)执行步骤a)和步骤b)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，首先在所述工件(1)的一侧(3a)上执行步骤a)和b)，然后在翻转过来的另一侧(3b)上执行步骤a)和b)。