TWI485024B

TWI485024B - Laser processing device with auxiliary plate

Info

Publication number: TWI485024B
Application number: TW102101445A
Authority: TW
Original assignee: Univ Nat Yunlin Sci & Tech
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2015-05-21
Also published as: TW201427785A

Description

具有輔助極板之雷射加工裝置

本發明係有關一種具有輔助極板之雷射加工裝置，尤指一種兼具可提高電場強度、可吸附更大的熔渣、可降低電漿遮蔽效應與可直接應用於現有裝置上的具有輔助極板之雷射加工裝置。

參閱第十二圖，傳統雷射加工裝置係包括：一雷射裝置71，係用以發出一雷射光711，而對一工件90進行加工；一第一極板72；一第二極板73，係與該第一極板72概呈相對；一正電供應部74，係用以對該第一極板72供入一正電741；一負電供應部75，係用以對該第二極板73供入一負電751，使該第一、該第二極板72與73之間產生一電場81；參閱第十三圖，加工過程產生電漿(包括該正電熔渣91、該負電熔渣92及中性雜質93)遮蔽效應造成問題如下：

[1]阻擋該雷射光711之能量。

[2]雷射加工過程中，不論是在空氣中或是在靶材(亦即該工件90)上誘發出電漿，皆因其發生時間極短，故於雷射脈衝(亦即該雷射光711)尚未結束時，即已誘發出電漿，如第十四圖所示，於雷射加工過程之2ns時已產生電漿，但此時雷射脈衝時間尚未結束，因此脈衝時間後段(4~6ns)的雷射光711會發生被電漿吸收(反韌致輻射效應)、折射或散射等能量損失現象，而此現象也預期將在高頻雷射加工機(≧1kHz)上會出現。

[3]先前技術中使用單一極性之電極板，參閱第十三圖，因雷射加工產生之帶電粒子噴濺方式是朝四面八方隨機噴濺，因此當帶正、負電粒子同時飛往帶正電741之該第一極板72時，只會產生第一極板72吸引負電子的加速作用，而對於帶正電粒子則僅有初始噴濺時產生的速度，無吸引加速之作用，因此特定極性之電極板僅具有吸引相對應極性之帶電粒子的效果。

有鑑於此，必需研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種具有輔助極板之雷射加工裝置，其兼具可提高電場強度、可吸附更大的熔渣、可降低電漿遮蔽效應與可直接應用於現有裝置上等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於電漿遮蔽效應降低電場強度與影響雷射加工效率等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種具有輔助極板之雷射加工裝置，其包括：一雷射裝置，係用以發出一雷射光；一光調節裝置，係供該雷射光通過，且調節成一加工雷射光；一輔助電極組，係包括：至少兩個輔助極板，其間具有一工作空間，該每一輔助極板均設有至少一正極部、至少一負極部及至少一絕緣部；該絕緣部使該正、該負極部之間概呈絕緣，該加工雷射光係通過該工作空間後進行雷射加工作業；一控制部，係設一正電供應部及一負電供應部，該正、該負電供應部皆連結該兩個輔助極板，分別用以對該兩個輔助極板供入一正電及一負電，而使該兩個輔助極板朝該工作空間產生電場；藉此，該加工雷射光進行雷射加工過程中至少產生複數個正電熔渣與複數個負電熔渣；其分別受該工作空間內之複數個電場吸引，而快速撞擊並附著至鄰近之該負、該正極部上，達到改善電漿遮蔽效應，提高雷射加工效率之裝置。

本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

10、71‧‧‧雷射裝置

11、711‧‧‧雷射光

20‧‧‧光調節裝置

20A‧‧‧加工雷射光

21‧‧‧聚焦鏡

22‧‧‧雷射輸出部

23‧‧‧反射鏡

30‧‧‧輔助電極組

30A‧‧‧輔助極板

30B‧‧‧控制部

30C、81‧‧‧電場

31‧‧‧正極部

32‧‧‧負極部

33‧‧‧絕緣部

34、74‧‧‧正電供應部

341、741‧‧‧正電

35、75‧‧‧負電供應部

351、751‧‧‧負電

72‧‧‧第一極板

73‧‧‧第二極板

90‧‧‧工件

91‧‧‧正電熔渣

92‧‧‧負電熔渣

93‧‧‧雜質

W‧‧‧工作空間

D‧‧‧絕緣距離

X‧‧‧參考點

L1‧‧‧第一線段

L2‧‧‧第二線段

L3‧‧‧第三線段

L4‧‧‧無電場輔助加工深度線

L5‧‧‧有電場輔助加工深度線

L11‧‧‧第一熔渣直徑曲線

L12‧‧‧第二熔渣直徑曲線

L13‧‧‧第三熔渣直徑曲線

L14‧‧‧第四熔渣直徑曲線

L21‧‧‧第一加工深度曲線

L22‧‧‧第二加工深度曲線

L23‧‧‧第三加工深度曲線

L24‧‧‧第四加工深度曲線

第一A圖係本發明之第一實施例之示意圖

第一B圖係本發明之第二實施例之示意圖

第二圖係第一A及第一B圖之局部放大之示意圖

第三圖係第二圖之輔助極板之放大之示意圖

第四A圖係第一A及第一B圖之加工過程之示意圖

第四B圖係第四A圖之熔渣吸附過程之示意圖

第五A圖係本發明之第三實施例之示意圖

第五B圖係第五A圖之局部放大之示意圖

第五C及第五D圖係分別為第五B圖之不同方向之電場之示意圖

第六圖係第五A圖之熔渣吸附過程之示意圖

第七A、第七B及第七C圖係分別為本發明之輔助極板之不同數量組合之示意圖

第八圖係本發明之指叉電極、微柱陣列電極與公知平板電極之電場強度之曲線圖

第九圖係本發明之無電場輔助與有電場輔助之加工深度比較之曲線圖

第十圖係本發明之熔渣直徑與加工雷射光擊發數相對應之曲線圖

第十一圖係本發明之加工深度與加工雷射光擊發數相對應之曲線圖

第十二圖係傳統雷射加工裝置之示意圖

第十三圖係第十二圖之熔渣吸附過程之示意圖

第十四圖係傳統雷射加工裝置之雷射光能量被電漿阻擋吸收之示意圖

參閱第一A、第二及第三圖，本發明係為一種具有輔助極板之射加工裝置，其第一實施例係包括：一雷射裝置10，係用以發出一雷射光11；一光調節裝置20，係供該雷射光11通過，且調節成一加工雷射光20A；一輔助電極組30，係包括：至少兩個輔助極板30A，其間具有一工作空間W(以虛框表示)，該每一輔助極板30A均設有至少一正極部31、至少一負極部32及至少一絕緣部33；該絕緣部33使該正、該負極部31與32之間概呈絕緣，該加工雷射光20A係通過該工作空間W後進行雷射加工作業；一控制部30B，係設一正電供應部34及一負電供應部35，該正、該負電供應部34與35皆連結該兩個輔助極板30A，分別用以對該兩個輔助極板30A供入一正電341及一負電351，而使該兩個輔助極板30A朝該工作空間W產生電場30C(參閱第四A、第五C及第五D圖)；藉此，該加工雷射光20A進行雷射加工過程中至少產生複數個正電熔渣91與複數個負電熔渣92；其分別受該工作空間W內之複數個電場30C吸引，而快速撞擊並附著至鄰近之該負、該正極部32與31上，達到改善電漿遮蔽效應，提高雷射加工效率之裝置。

實務上，該雷射裝置10可為汝-釔鋁石榴石晶體雷射裝置(Nd-YAG Laser，其中Nd為鑭系元素-汝，其原子序60，至於YAG為Y₃ Al₅ O₁₂ ，Nd原子被植入YAG晶體後游離化為+3價，形成Nd-YAG)，為四能階系統，優點是汲發率高，且發出之該雷射光11相當強。

該光調節裝置20包括：一聚焦鏡21，係用以使該雷射光11聚焦變成該加工雷射光20A；一雷射輸出部22，係用以輸出該加工雷射光20A。

該正極部31係為複數個正電極體；該負極部32係為複數個負電極體；該絕緣部33係為兩個絕緣板；藉此，使該輔助極板30A概呈指叉電極；且複數個該正極部31與該負極部32係彼此間隔一絕緣距離D，並依序排列於該兩個絕緣部33之相對內側，相鄰之複數個該正極部31與該負極部32之間皆具有該電場30C。

關於本發明之第二實施例，其與第一實施例之差異處(參閱第一B圖)，僅在於：該雷射裝置10與該聚焦鏡21概呈垂直；該光調節裝置20又包括：一反射鏡23，用以將該雷射裝置10發出之該雷射光11反射照向該聚焦鏡21的方向。

此第二實施例原則上為實際商業應用之調整，功能與第一實施例相同。

至於本發明之第三實施例(參閱第五A、第五B、第五C及第五D圖)，其與第一及第二實施例之差異處，僅在於：該正極部31係為兩個導電板；該負極部32係為複數個導電體，例如導線；該絕緣部33係為複數個絕緣體，例如導線之絕緣皮；藉此，使該輔助極板30A概呈微柱陣列電極；且該每一負極部32係從該兩個正極部31之相對外側朝相對內側的方向穿透該正極部31，該複數個絕緣部33係位於相對應之該負極部32與該正極部31之間，使該正、該負極部31與32之間概呈絕緣結構；該複數個正極部31與該複數個負極部32之間皆具有該電場30C。

該加工雷射光20A進行雷射加工過程中至少產生複數個正電熔渣91與複數個負電熔渣92；其分別受該工作空間W內之複數個電場30C吸引，而快速撞擊並附著至鄰近之該負、該正極部32與31上(參閱第六圖)，達到改善電漿遮蔽效應，提高雷射加工效率之裝置。

此外，不論前述哪一實施例，該輔助極板30A所設之絕緣板(該絕緣部33)或是該導電板(該正極部31)，皆可由最少兩個(如第一A及第七C圖所示，可再分成平板相對與弧形板相對兩種樣態，達成之功能相同。)、三個(參閱第七B圖)、四個(參閱第七A圖)，、、、、或是更多數量的板體結構組成，重點只在於包圍該工作空間W即可。

本發明之使用方式，係如下所述：參閱第一A圖，啟動該雷射裝置10及該控制部30B，該雷射裝置10(發出雷射光11之過程可由控制部30B自動控制)朝該光調節裝置 20發出該雷射光11，該雷射光11經該光調節裝置20變成加工雷射光20A，並在通過該工作空間W後對工件90進行加工，加工過程產生電漿(包括該正電熔渣91、該負電熔渣92及中性雜質93)遮蔽效應。

且該控制部30B並控制該正、該負電供應部34與35分別朝該對輔助極板30A供應該正、該負電341與351，接著該電場30C對應不同的實施例而有以下之反應：

[a]指叉電極模式：於該每一絕緣板(亦即該絕緣部33)上，相鄰之該複數個正電極體與該複數個負電極體(亦即該正極部31與該負極部32)之間皆具有該電場30C(參閱第四A圖)，亦即，該每一絕緣板具有複數的該電場30C：使該工作空間W之電場強度將近1,650,000(V/m)(參閱第八圖之第一線段L1，其為第三線段L3代表之平板電極的電場強度之35倍)，故電漿中的複數個該正、該負電熔渣91與92不論朝該哪一絕緣部33散佈，均可快速被其上之該電場30C吸引，而撞擊並附著至鄰近之該負、該正電極部32與31上，於加工過程中減少電漿遮蔽效應，減少阻擋該加工雷射光20A之能量。

[b]微柱陣列電極模式：於該每一導電板(亦即該正極部31)與複數個導電體(亦即該負極部32)之間皆具有該電場30C(參閱第五B及第五C圖)，該每一導電板同樣具有複數的該電場30C；使該工作空間W測得電場強度將近1,500,000(V/m)(參閱第八圖之第二線段L2)，同樣的，電漿中的複數個該正、該負電熔渣91與92不論朝該哪一導電板散佈，均可快速被其上之該電場30C吸引，而撞擊並附著至鄰近之該導電板與複數個導電體上，於加工過程中減少電漿遮蔽效應。

亦即，本發明為利用電場輔助雷射加工的機制，主要是利用該對輔助極板30A產生之該電場30C，來對雷射加工過程中所產生之電漿團帶電粒子(正電熔渣91、負電熔渣92、中性雜質、自由基等)有效的吸引，此輔助機制除了能夠輔助排屑外，更能夠減少電漿遮蔽效應所引起的雷射加工效率衰減現象；而本發明提出之指叉電極裝置，可於相同施加電壓條件下，產生具有約1,650,000(V/m)(模擬數值)的電場強度，相較於傳統之平板型電極可提高電場強度達35倍之多，並請參閱第九圖(分別以無電場輔助加工深度線L4與有電場輔助加工深度線L5作比較)，在相同脈衝擊發數(相同加工時間)下，透過指叉電極產生之電場輔助雷射加工可明顯提升加工深度(以脈衝擊發數20發為例，加工深度由293μm提升為542μm，提升幅度為84.9%)，效果相當好。

加工深度提升幅度84.9%，主要原因為指叉電極產生之強大電場可有效減少電漿遮蔽效應以及增加吸附帶電粒子能力。

而增加吸附帶電粒子(亦即該正、該負電熔渣91與92)能力的原因可再簡單分為以下兩點：

1.指叉電極產生之電場強度較高，增強了吸附帶電粒子能力。

2.參閱第四B圖，噴濺的複數個帶電粒子分別為正、負極性，而每一指叉電極皆具有複數個正極部31與負極部32，因此可增強帶電粒子的吸附作用。

另外要說明的部分，是傳統雷射加工通常使用輔助噴氣的機制來提升加工效率，但此機制會產生以下幾項缺點，如：氣體產生冷卻效應降低雷射產生之熱能、加工孔洞直徑擴大、孔洞入出口熔渣毛邊增加等缺點，而使用指叉電極電場輔助雷射加工之機制，將具有同時達到提升加工效率與改善上述缺點之能力。

參閱第十圖，其中：第一熔渣直徑曲線L11表示無電場輔助且無輔助噴氣(熔渣直徑最小)、第二熔渣直徑曲線L12表示有電場輔助且無輔助噴氣(熔渣直徑次小)、第三熔渣直徑曲線L13表示無電場輔助且有輔助噴氣(熔渣直徑次大)，與第四熔渣直徑曲線L14表示有電場輔助且有輔助噴氣(熔渣直徑最大)。

參閱第十一圖，其中：第一加工深度曲線L21表示無電場輔助且無輔助噴氣(加工深度最淺)、第二加工深度曲線L22表示有電場輔助且無輔助噴氣(加工深度次淺)、第三加工深度曲線L23表示無電場輔助且有輔助噴氣(加工深度次淺)，與第四加工深度曲線L24表示有電場輔助且有輔助噴氣(加工深度最深)。

由實際加工結果可發現，輔助噴氣確實可以提升加工效率但相對地必須承擔熔渣直徑擴大的缺點，而單純電場輔助則可同時提升加工效率並減少熔渣直徑的擴大，非常適合在尺寸精度要求等級較高或潔淨等級要求較高的場合使用，並在此同時達到加工效率提升的作用。

本發明之優點及功效可歸納如下：

[1]可提高電場強度。本發明係由至少兩個輔助極板包圍一工作空間，每一輔助極板均具有正極部、負極部及絕緣部，使每一輔助極板均可朝工作空間的方向產生複數個電場，亦即，每一工作空間內均具有複數個電場。可增強元件表面切線電場力而有助於排除熔渣。故，可提高電場強度。

[2]可吸附更大的熔渣。本發明使每一極板均具有複數電場，電場強度增加而可吸附更大的熔渣。提升帶電粒子(亦即正、負電熔渣)移除效果。故，可吸附更大熔渣。

[3]可降低電漿遮蔽效應。由輔助極板包圍之工作空間，係位於工件上，故加工過程產生之電漿(包括正電熔渣、負電熔渣與中性雜質)大部分會朝工作空間散佈，此時正、負電熔渣不論朝哪一極板散佈，都會被電場吸引，而快速的撞擊並附著於輔助極板上，減少散佈於工作空間內而阻擋加工雷射光能量之情況。故，可降低電漿遮蔽效應。

[4]可直接應用於現有裝置上。本發明主要於輔助極板上設置正極部、負極部與絕緣部，並供應正、負電力。不需大幅度之改裝。故，可直接應用於現有裝置上。

以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。

10‧‧‧雷射裝置

11‧‧‧雷射光

20‧‧‧光調節裝置

20A‧‧‧加工雷射光

21‧‧‧聚焦鏡

22‧‧‧雷射輸出部

30‧‧‧輔助電極組

30A‧‧‧輔助極板

30B‧‧‧控制部

34‧‧‧正電供應部

341‧‧‧正電

35‧‧‧負電供應部

351‧‧‧負電

90‧‧‧工件

W‧‧‧工作空間

Claims

一種具有輔助極板之雷射加工裝置，其包括：一雷射裝置，係用以發出一雷射光；一光調節裝置，係供該雷射光通過，且調節成一加工雷射光；一輔助電極組，係包括：至少兩個輔助極板，其間具有一工作空間，該每一輔助極板均設有至少一正極部、至少一負極部及至少一絕緣部；該絕緣部使該正、該負極部之間概呈絕緣，該加工雷射光係通過該工作空間後進行雷射加工作業；一控制部，係設一正電供應部及一負電供應部，該正、該負電供應部皆連結該兩個輔助極板，分別用以對該兩個輔助極板供入一正電及一負電，而使該兩個輔助極板朝該工作空間產生電場；藉此，該加工雷射光進行雷射加工過程中至少產生複數個正電熔渣與複數個負電熔渣；其分別受該工作空間內之複數個電場吸引，而快速撞擊並附著至鄰近之該負、該正極部上，達到改善電漿遮蔽效應，提高雷射加工效率之裝置。
如申請專利範圍第1項所述之具有輔助極板之雷射加工裝置，其中：該雷射裝置係為汝-釔鋁石榴石晶體雷射裝置；該光調節裝置係包括：一聚焦鏡，係用以使該雷射光聚焦變成該加工雷射光；一雷射輸出部，係用以輸出該加工雷射光。
如申請專利範圍第2項所述之具有輔助極板之雷射加工裝置，其中：該雷射裝置與該聚焦鏡係概呈垂直；該光調節裝置又包括：一反射鏡，用以將該雷射裝置發出之該雷射光反射照向該聚焦鏡。
如申請專利範圍第1項所述之具有輔助極板之雷射加工裝置，其中：該正極部係為複數個正電極體；該負極部係為複數個負電極體；該絕緣部係為兩個絕緣板；藉此，複數個該正極部與該負極部係彼此間隔一絕緣距離，並依序排列於該兩個絕緣部之相對內側，相鄰之複數個該正極部與該負極部之間皆具有該電場。
如申請專利範圍第1項所述之具有輔助極板之雷射加工裝置，其中：該正極部係為兩個導電板；該負極部係為複數個導電體，該每一導電體係為導線；該絕緣部係為複數個絕緣體，該每一絕緣體係為導線之絕緣皮；藉此，該每一負極部係從該兩個正極部之相對外側朝相對內側的方向穿透該正極部，該複數個絕緣部係位於相對應之該負極部與該正極部之間，使該正、該負極部之間概呈絕緣結構；該複數個正極部與該複數個負極部之間皆具有該電場。