TW202045289A - 雷射鑽孔裝置及方法 - Google Patents

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克里斯 Ｒ 真克
麥可 穆勒
麥可 伯恩特
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德商科希倫慕尼黑有限兩合公司
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Abstract

一種使用雷射脈衝之一聚焦光束在工件中快速鑽鑿複數個孔的方法。該等孔大於該聚焦光束的束腰。該聚焦光束用在一雷射頭中的一電流計掃描器掃描橫越該工件。該聚焦光束循跡各孔的完整輪廓。該雷射頭相對於該工件連續地平移。該聚焦光束的掃瞄速度比該雷射頭的平移速度快很多。各雷射脈衝在該工件中鑽鑿一孔。各雷射脈衝有一短高功率部份用於穿透該工件，以及較長的一較低功率部份以繼續機械加工穿過該工件同時該聚焦光束循跡該孔的輪廓。

Description

雷射鑽孔裝置及方法
發明領域
本申請案主張申請於2019年5月29日之美國專利申請案序號62/854,208的優先權，其揭示內容全部併入本文作為參考資料。
本發明通常有關於工件的雷射鑽孔。本發明特別有關於大於聚焦雷射光束之複數個孔的雷射鑽孔。
發明背景
雷射越來越多地使用於切割及鑽鑿範圍廣泛的材料，包括金屬、玻璃及聚合物。傳統機械加工產生粗糙的表面及不必要的缺陷，例如在被加工工件受壓時可能擴散的微裂紋，從而劣化及弱化被加工的工件。雷射材料加工產生更精確的切割及孔，彼等有更高品質的邊緣及壁部，同時最小化不必要缺陷的形成。雷射與光學系統結合用來產生雷射光束且引導雷射光束至將會被機械加工的工件上。光學系統可聚集雷射光束以增加它對於工件的影響力。聚焦雷射光束與工件的相互作用局部熔化及/或蒸發工件以在工件中產生或延伸孔或切割。聚焦雷射光束相對於工件可移動以控制孔或切割的幾何。雷射鑽孔已變成機械鑽孔的划算替代品，它可用來加工幾乎任何一種工件材料。
雷射鑽孔藉由引導聚焦雷射光束至工件上的預選位置以在工件中形成貫穿孔或盲孔。束腰(beam waist)及瑞利範圍(Rayleigh range)可根據孔的所欲直徑及深度來選擇。束腰的位置在鑽孔期間可沿著光束的光軸平移以鑽鑿相對於瑞利範圍的深孔。雷射鑽孔的3種常見技術為：單一脈衝鑽孔(圖示於圖1A)，其使用相當於所欲孔直徑的束腰直徑；衝擊式鑽孔(percussion drilling，圖示於圖1B)，其使用前述束腰直徑及一系列的雷射脈衝以鑽透工件厚度；以及，打眼鑽孔(trepanning drilling，圖示於圖1C)，其使用較小的束腰以及外加雷射脈衝以在工件中形成空間上重疊的孔或幾乎重疊的孔。在打眼鑽孔時，這些孔刺穿有所欲大小及形狀之較大孔的輪廓，例如圓或不規則多邊形。
衝擊式鑽孔的缺點包括「重鑄層」，在此重新凝固的材料留在孔壁上且「形成波紋管形狀(bellow shaping)」，在此有孔直徑的局部增加。在雷射打眼鑽孔時，在所欲邊緣品質與產出量(生產時間)之間存在妥協。個別孔有較少的空間重疊提高產出量，但是也增加已完成孔之邊緣的表面粗糙度。
在雷射打眼時，藉由選擇雷射光束在工件上的入射角可控制孔的三維外形以形成例如錐形、漏斗形、或雙錐形孔。已有人提出用於快速打眼的各種光學組態，例如偏離旋轉軸線的傾斜物鏡，其引導光束通過快速旋轉的光劈(wedge)，或引導光束通過快速旋轉的稜鏡。這些組態的缺點在於孔的輪廓用五金固定。另一缺點在於加工速度受限於包括透鏡、光劈或稜鏡之實質機械總成的最大實際旋轉速率。
亟須一種以高工作週期提供快速精確鑽孔的雷射鑽孔系統。該鑽孔系統最好可組配為可鑽鑿不同直徑及輪廓的孔而不修改五金。
發明概要
在一方面，根據本發明用於對工件中之複數個封閉構形作雷射機械加工的一種裝置包含用於提供一雷射脈衝光束的一雷射源。各雷射脈衝有持續時間較短的一第一部份，接著是持續時間較長的一第二部份。該第一部份有一第一功率，以及該第二部份有一第二功率。該第一功率大於該第二功率。提供聚焦該雷射脈衝光束的一透鏡，以及該聚焦光束的一束腰位在該工件之一表面上或靠近該表面。提供一掃描器用於使該聚焦光束移動橫越該工件之該表面。該聚焦光束在各雷射脈衝期間循跡一封閉構形的一完整輪廓。該透鏡及該掃描器組合於一雷射頭中。用於該第一功率足以使該聚焦光束在各雷射脈衝之該第一部份期間穿透該工件的一全厚度。該第二功率足以在各雷射脈衝之該第二部份期間繼續機械加工穿過該工件之該全厚度。該雷射頭相對於該工件繼續橫向平移同時機械加工該等複數個封閉構形。各封閉構形係藉用一個雷射脈衝來機械加工。
在另一方面，根據本發明用於對工件中之複數個封閉構形作雷射機械加工的一種方法包含：產生一雷射脈衝光束。各雷射脈衝有持續時間較短的一第一部份，接著是持續時間較長的一第二部份。該第一部份有一第一功率，以及該第二部份有一第二功率。該第一功率大於該第二功率。使用一透鏡聚焦該雷射脈衝光束。經聚焦之該雷射脈衝光束的一束腰位在該工件之一表面上或靠近該表面。使用一掃描器使該束腰移動橫越該工件之該表面。該聚焦光束在各雷射脈衝期間循跡一封閉構形的一完整輪廓。該透鏡及該掃描器組合於一雷射頭中。該雷射頭在機械加工該等封閉構形時相對於該工件連續及橫向地平移。用於該第一功率足以使該聚焦光束在各雷射脈衝之該第一部份期間穿透該工件的一全厚度。該第二功率足以在各雷射脈衝之該第二部份期間繼續機械加工穿過該工件之該全厚度。各封閉構形係藉用一個雷射脈衝來機械加工。
請參考附圖，其中，類似的組件用相同的元件符號表示，圖2根據本發明示意圖示用於鑽鑿工件22的雷射裝置10之一具體實施例。雷射源12提供通過光纖14輸送至掃描器16及透鏡18的雷射脈衝光束。例如，雷射源12可為脈衝式光纖雷射。合適商用脈衝式光纖雷射為StarFiber 150-P，它可購自在美國加州Santa Clara的Coherent公司。StarFiber 150-P提供有1070奈米(nm)波長的光束，達15焦耳(J)的脈衝能量，20微秒(μs)至50毫秒(ms)的脈衝持續時間，以及達50千赫(kHz)的脈衝重複率。
掃描器16最好使用電流計致動反射鏡以偏轉雷射脈衝光束。偏轉光束用透鏡18聚焦。掃描器16及透鏡18組合於相對於工件可旋轉及平移的雷射頭24中。合適商用雷射頭為經組配為可用於SmartDrill+雷射鑽孔的LASAG-FLBK序列，它也可購自Coherent公司。
聚焦光束26的束腰28位在工件22的表面上或靠近該表面。工件22裝在支承及平移該工件的平移台20上。藉由平移雷射頭或藉由平移平移台以及在其上的工件，可使束腰28的位置對於工件22移動。平移台的平移用雙頭箭頭T表示。藉由使光束在掃描器16中偏轉，也可移動束腰的位置及/或改變聚焦光束在工件上的入射角。
圖3示意圖示圖2之工件22的進一步細節。封閉構形1標示已完成孔。封閉構形2標示部份已鑽鑿孔。封閉構形3標示待鑽鑿孔的輪廓。在機械加工比束腰28大的孔時，聚焦光束沿著封閉構形的輪廓平移。聚焦光束在一個雷射脈衝期間循跡封閉構形的完整輪廓，如下述。
圖4A的時序圖示意圖示在機械加工為部份已鑽鑿孔之封閉構形2時於雷射脈衝期間施加至工件22之聚焦光束的功率。圖4B示意圖示沿著封閉構形之輪廓且穿過投影於平面上之工件厚度繪出的橫截面。劃影線的部份標示部份已鑽鑿的部份，同時劃點線的部份標示待鑽鑿的部份。圖4A及圖4B水平對齊以顯示束腰沿著封閉構形2之輪廓在雷射脈衝期間之每一刻的位置。例如，束腰在圖4A中的時間TE 位於在圖3及圖4B中以E標示的位置。
各雷射脈衝有持續時間較短的第一部份A，接著是持續時間較長的第二部份B，以及視需要的第三部份C。在第一部份A期間，功率從低功率PL 增加到尖峰第一功率PA ，然後減少到第二功率PB 。第一功率PA 大於第二功率PB 。在第二部份期間，功率約為在第二功率PB 的常數。在視需要的第三部份C期間，功率從第二功率PB 斜降到低功率PL 。如果省略第三部份，功率會在第二部份B結束時簡單地直接設定為PL 。低功率PL 為低於加工工件22製造材料之最小功率的任何功率。例如，低功率PL 可為零瓦特。
在運作時，第一功率PA 足以使聚焦光束在各雷射脈衝的第一部份期間穿透工件22的全厚度，同時第二功率PB 足以繼續機械加工穿過工件22的全厚度。聚焦光束在各雷射脈衝的第二部份期間環繞封閉構形的輪廓平移。
在本發明的裝置及方法中，各封閉構形用一個雷射脈衝機械加工。對於複數個孔，相繼脈衝之第一部份A的時間間隔對應至雷射脈衝的重複率。平移雷射頭或工件使聚焦光束在孔與孔之間橫向移動。在各個脈衝期間，掃描器使聚焦光束環繞孔的輪廓迅速地橫向移動。相較於孔與孔之間的運動，環繞孔之輪廓的運動很快。當然，環繞輪廓的運動可快到可使孔與孔之間的平移是連續的，而不需要為了各雷射脈衝的持續時間而停下來。笨重雷射頭或笨重工件的減速及加速需要時間且大幅減少產出量。如果所欲諸孔有不變的間距，聚焦光束在孔與孔之間可以不變的速度連續地平移。相較於先前技術裝置及方法，此連續平移在雷射機械加工複數個孔時「飛快地進行」使得快速生產有可能。
雷射頭相對於工件的連續橫向平移意謂於雷射脈衝期間在工件上被聚焦光束循跡的路徑可能輕微扭曲，除非補償掃描器運動以正確地提供該孔的所欲輪廓。例如，掃描器的純圓形運動可能產生橢圓形的孔。不過，具有電流計致動反射鏡的掃描器致能最小化任何扭曲的快速運動。例如，相較於雷射頭相對於工件的平移速度在400毫米/分與1000毫米/分之間，聚焦光束相對於工件的掃瞄速度在500毫米/秒(mm/s)與2000毫米/秒之間。
有可能機械加工在不補償下具有可接受形狀的孔。例如，圓形掃描器運動可產生對於應用為充分圓形的孔。在沒有補償下，最好有比平移速度大至少一個數量級的掃瞄速度，且至少大兩個數量級為最佳。不論是否有補償，雷射頭相對於工件的平移、雷射源的脈衝輸送、以及掃描器聚焦光束橫過工件表面的運動全都需要同步。例如，用控制及協調雷射頭或平移台之平移、脈衝之觸發以及掃描器之運動的公共韌體來同步。
在本發明裝置及方法的一圖示實施例中，圖3中的工件22約100微米厚且由不鏽鋼製成。各圓孔有約100微米的直徑且孔與孔之間的橫向間隔約為100微米。束腰28的直徑約為20微米且瑞利範圍在約150微米與約200微米之間。在圖示雷射機械加工製程中，各雷射脈衝熔化在聚焦光束中的不鏽鋼以及輔助氣體從工件吹掉熔化的材料。功率PA 為400瓦特(W)以及第一部份的持續時間為20微秒。功率PB 為160 W以及第二部份的持續時間為300微秒。在第二部份期間的掃瞄速度約為950毫米/秒。在第三部份期間，從功率PB 斜降到功率PL 的持續時間為80微秒。雷射頭相對於工件連續地平移。選擇脈衝重複率及平移速度以實現200微米的所欲孔間距。例如，35 Hz的脈衝重複率對應至約420毫米/分(約7毫米/秒)的平移速度。儘管圖示製程產生熔化，然而本發明的裝置及方法也可應用於燒蝕製程。
選擇第一功率PA 以在聚焦光束位於圖3及圖4B中的點D時完全穿透工件，這大約發生在第一部份A中的最大功率時刻。選擇第二功率PB 以在束腰循跡封閉構形2的輪廓以製孔時維持材料移除。第二功率PB 足以移除材料通過工件的全厚度，但是低於第一功率PA 以最小化加熱、不必要損傷、及熱影響區。在圖示實施例中，第二功率PB 為第一功率PA 的40%。PB 與PA 的最佳比例將取決於例如熔化溫度及導熱性的材料性質，以及工件的厚度。至於有些工件，最佳比例可為0.2以上，甚至0.4以上。至於其他工件，最佳比例可小於0.8，甚至小於0.6。
孔在聚焦光束在時刻TD 回到點D時完成。相對於時刻TD ，可調整第二部份B的結束及第三部份C的開始以優化工件之特別材料及厚度的鑽孔。取決於工件，功率的斜降可在時刻TD 之前或之後開始，但是在經驗上優化此時序是直截了當的。在第三部份C期間斜降功率確保完全材料移除用於封閉構形的清潔分離以及也提供受熱工件的一些退火。
在圖示實施例中，束腰有相對長的瑞利範圍。外加第一功率PA 初始足以穿透工件。然後，在光束已經穿透工件時，可使用減少的功率。需要足夠的第二功率PB 以在聚焦光束循跡所欲輪廓的完整輪廓時繼續機械加工穿過工件的全厚度。由於聚焦光束在沿著工件橫向移動時有恆定功率及恆定焦深，所產生的孔沿著完整輪廓有均勻的直徑及形狀。此恆定功率沿著大部份的輪廓產生均勻的加熱。
聚焦光束在第一部份A期間可施加至在封閉構形內部的位置。在第二部份B期間，聚焦光束會從這個內部位置平移至封閉構形的輪廓，然後沿著封閉構形的完整輪廓平移。至於有些工件，在工件中將會被丟棄的位置處穿透可在已完成孔中提供更均勻的邊緣，因為大約不變的第二功率PB 沿著封閉構形的整個輪廓施加。
至於有些工件，第一功率PA 可能需要持續一段時間以完全穿透工件，這導致第一部份A比描繪於圖4A的長。在圖示實施例中，第一部份的持續時間為第二部份之持續時間的6.6%。至於有些工件，第一部份的持續時間可小於第二部份之持續時間的10%。至於其他工件，第一部份的持續時間可小於第二部份之持續時間的20%，甚至小於30%。至於有些工件，延長第二部份B以多次循跡封閉構形的完整輪廓是有利的。對於特別厚的工件，聚焦光束在第一部份期間可能無法穿透全厚度，以及聚焦光束在第二部份B期間多次循跡封閉構形的輪廓以做出貫穿孔。每次循跡可改變焦深。
本發明方法使用單一脈衝以用於雷射機械加工完整的孔優於使用一系列雷射脈衝於先前技術雷射打眼的優點在於：製成孔的邊緣會比較平滑。圖1C的先前技術方法產生有由個別脈衝形成之皺摺的鋸齒狀邊緣。
以上根據一較佳具體實施例及其他具體實施例來描述本發明。不過，本發明不受限於描述及描繪於本文的具體實施例。反而，本發明只受限於隨附專利請求項。
1:已完成孔 2:部份已鑽鑿孔 3:待鑽鑿孔的輪廓 10:雷射裝置 12:雷射源 14:光纖 16:掃描器 18:透鏡 20:平移台 22:工件 24:雷射頭 26:聚焦光束 28:束腰 A,B,C:部份 D:聚焦光束 E:束腰 T:雙頭箭頭 PA:(尖峰)第一功率 PB:第二功率 PL:低功率
併入本專利說明書且構成其中之一部份的附圖示意圖示本發明的一較佳具體實施例，且與以上發明內容及以下的實施方式一起用來解釋本發明的原理。
圖1A至圖1C示意圖示用於雷射鑽鑿工件的常見先前技術。
圖2根據本發明示意圖示用於在工件中雷射鑽鑿複數個封閉構形(closed form)的裝置，其包括提供雷射脈衝光束的雷射源、透鏡及掃描器。
圖3示意圖示圖2工件中的進一步細節，包括封閉構形的輪廓。
圖4A的時序圖示意圖示圖2中之一脈衝的功率-時間曲線。
圖4B示意圖示沿著圖3封閉構形之輪廓穿過投影於平面上之工件厚度繪出的橫截面。
10:雷射裝置
12:雷射源
14:光纖
16:掃描器
18:透鏡
20:平移台
22:工件
24:雷射頭
26:聚焦光束
28:束腰
T:雙頭箭頭

Claims (22)

  1. 一種用於對工件中之複數個封閉構形作雷射機械加工的裝置，其包含； 提供一雷射脈衝光束的一雷射源，各雷射脈衝有持續時間較短的一第一部份，接著是持續時間較長的一第二部份，該第一部份有一第一功率，該第二部份有一第二功率，該第一功率大於該第二功率； 聚焦該雷射脈衝光束的一透鏡，該聚焦光束的一束腰位在該工件的一表面上或靠近該表面；以及 用於使該聚焦光束移動橫越該工件之該表面的一掃描器，該聚焦光束在各雷射脈衝期間循跡一封閉構形的一完整輪廓，該透鏡及該掃描器組合於一雷射頭中； 其中，該第一功率足以使該聚焦光束在各雷射脈衝之該第一部份期間穿透該工件的一全厚度，該第二功率足以在各雷射脈衝之該第二部份期間繼續機械加工穿過該工件之該全厚度； 其中，該雷射頭相對於該工件繼續橫向平移同時機械加工該等複數個封閉構形； 其中，各封閉構形係藉用一個雷射脈衝來機械加工。
  2. 如請求項1之用於雷射機械加工的裝置，其中，在該第一部份期間的該第一功率為一尖峰功率。
  3. 如請求項1之用於雷射機械加工的裝置，其中，該第二功率在該第二部份期間大約不變。
  4. 如請求項1之用於雷射機械加工的裝置，其中，各雷射脈衝有在該第二部份之後的一第三部份，在該第三部份中的功率從該第二功率降到一低功率，其低於加工該工件之製造材料的一最小功率。
  5. 如請求項1之用於雷射機械加工的裝置，其中，該雷射源為一脈衝式光纖雷射。
  6. 如請求項1之用於雷射機械加工的裝置，其中，該掃描器使用數個電流計致動反射鏡以偏轉該雷射脈衝光束。
  7. 如請求項1之用於雷射機械加工的裝置，其中，該雷射頭相對於該工件的平移、該雷射源的脈衝輸送、以及該聚焦光束藉由該掃描器相對於該工件的運動全都同步。
  8. 一種用於對工件中之複數個封閉構形作雷射機械加工的方法，其包含； 產生一雷射脈衝光束，各雷射脈衝有持續時間較短的一第一部份，接著是持續時間較長的一第二部份，該第一部份有一第一功率，該第二部份有一第二功率，該第一功率大於該第二功率； 使用一透鏡聚焦該雷射脈衝光束，經聚焦之該雷射脈衝光束的一束腰位在該工件之一表面上或靠近該表面； 使用一掃描器使該束腰移動橫越該工件之該表面，該聚焦光束在各雷射脈衝期間循跡一封閉構形的一完整輪廓，該透鏡及該掃描器組合於一雷射頭中；以及 使該雷射頭相對於該工件繼續及橫向地平移同時機械加工該等複數個封閉構形； 其中，該第一功率足以使該聚焦光束在各雷射脈衝之該第一部份期間穿透該工件的一全厚度，該第二功率足以在各雷射脈衝之該第二部份期間繼續機械加工穿過該工件之該全厚度； 其中，各封閉構形係藉用一個雷射脈衝來機械加工。
  9. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，藉此，用於該雷射頭相對於該工件的該連續橫向平移有一不變的速度。
  10. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，在該第一部份期間的該第一功率為一尖峰功率。
  11. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，該第二功率在該第二部份期間大約不變。
  12. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，各雷射脈衝有在該第二部份之後的一第三部份，在該第三部份中的該功率從該第二功率降到一低功率，其低於加工該工件之製造材料的一最小功率。
  13. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，該聚焦光束在該第一部份期間位在該封閉構形之該輪廓上。
  14. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，該聚焦光束在該第一部份期間位在該封閉構形之該輪廓的內部。
  15. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，用於使該聚焦光束移動橫越該工件之該表面的一掃瞄速度比用於使該雷射頭相對於該工件平移的一平移速度至少大一個數量級。
  16. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，相繼脈衝之該等第一部份之間的一時間間隔對應至該等雷射脈衝的一重複率。
  17. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，該聚焦光束之該移動係被補償以正確地提供該封閉構形的一所欲輪廓。
  18. 如請求項8之用於雷射機械加工的方法，其中，該工件由不鏽鋼製成。
  19. 如請求項18之用於雷射機械加工的方法，其中，各雷射脈衝熔化在該聚焦光束中的該不鏽鋼，以及一輔助氣體從該工件吹掉熔化的該材料。
  20. 如請求項18之用於雷射機械加工的方法，其中，該工件約100微米厚，該等封閉構形為有約200微米之一間距的數個孔，且各孔的直徑約為100微米。
  21. 如請求項18之用於雷射機械加工的方法，其中，該第一功率約為400 W，以及該第二功率約為160 W。
  22. 如請求項18之用於雷射機械加工的方法，其中，該第一部份有約20微秒的一持續時間，以及該第二部份有約300微秒的一持續時間。
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