TWI498183B - 燒結陶瓷和其它堅硬及／或厚的材料之雷射加工 - Google Patents

燒結陶瓷和其它堅硬及／或厚的材料之雷射加工 Download PDF

Info

Publication number
TWI498183B
TWI498183B TW098109461A TW98109461A TWI498183B TW I498183 B TWI498183 B TW I498183B TW 098109461 A TW098109461 A TW 098109461A TW 98109461 A TW98109461 A TW 98109461A TW I498183 B TWI498183 B TW I498183B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
laser
workpiece
laser beam
paths
parallel
Prior art date
Application number
TW098109461A
Other languages
English (en)
Other versions
TW200940233A (en
Inventor
James N O'brien
Peter Y Pirogovsky
Michael S Nashner
Original Assignee
Electro Scient Ind Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Electro Scient Ind Inc filed Critical Electro Scient Ind Inc
Publication of TW200940233A publication Critical patent/TW200940233A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI498183B publication Critical patent/TWI498183B/zh

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/16—Removal of by-products, e.g. particles or vapours produced during treatment of a workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/52—Ceramics

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Processing Of Stones Or Stones Resemblance Materials (AREA)

Description

燒結陶瓷和其它堅硬及/或厚的材料之雷射加工
本申請案和雷射加工有關，且更明確地說，本發明係關於一種用於在雷射加工燒結陶瓷和其它堅硬及/或厚材料時改良生產量與品質的方法。
一般來說，燒結陶瓷和其它堅硬及/或厚材料可能會利用雷射來進行加工。亦可能會使用到其它的加工製程，例如研磨或化學蝕刻。不過，研磨和其它機械性製程僅能提供有限的加工解析度。進一步言之，在加工製程期間會使用到堅硬和有磨蝕作用的材料，例如燒結陶瓷削磨機械元件。
除了陶瓷之外，其它的堅硬材料可能包含，但是並不受限於：單晶矽、多晶矽、金屬、玻璃、藍寶石、以及鋯。當加工此等材料時(包含燒結陶瓷在內)，通常會希望提高生產量與品質。
陶瓷通常會在生坯狀態(green state)或燒結狀態(fired state)中進行處理。在生坯狀態中，於陶瓷進行加熱或烘烤之前，其會相當柔軟並且容易進行處理。不過，燒結該陶瓷的過程卻可能會改變或扭曲在生坯陶瓷中經過初期加工的特徵元素的維度。因此，當終端產品希望有精確維度與幾何形狀時，於進行燒結之前對生坯陶瓷處理可能不能提供足夠的品質。然而，燒結陶瓷的堅硬度實質上卻大於生坯陶瓷並且會比較難以進行加工。因此，相較於生坯陶瓷，加工燒結陶瓷的生產量通常會比較低。
當使用雷射來加工燒結陶瓷時，可能會使用到較高的雷射功率以進行較快速的處理。不過，高雷射功率卻可能會造成品質低劣的最終產品。已知的雷射技術可能會產生過多的熱量與碎屑，舉例來說，其可能會導致邊緣不平整並造成熱破壞。
當材料厚度及雷射焦點深度增加時，通常會更難達到所希的生產量與品質。雷射加工製程所造成的碎屑通常會限制了生產量與品質。舉例來說，習知的雷射切割輪廓可能會受到雷射射出材料之溝槽回填的影響。當材料厚度增加時，回填便會變得更加嚴重並且會降低加工效率。進一步言之，於眾多製程條件下，對某些材料來說，被射出的回填材料在後續的製程作業中可能會比原來的目標材料更難以移除。因此，會造成低品質的切割，其可能會破壞材料並且需要進行額外的清理。
雖然可以降低雷射功率來改良品質；不過，使用較低的雷射功率卻可能會造成生產量下降。
本文所揭示的實施例在雷射加工燒結陶瓷和其它堅硬及/或厚材料時會改良生產量與品質。於其中一實施例中，本發明提供的一種用以雷射加工燒結陶瓷或其它堅硬材料的方法包含利用一雷射射束沿著一工作件的切除區內的一平行雷射路徑序列來削切該工作件。該削切作用會在該切除區中產生一切口，該切口會隨著該雷射射束從第一雷射路徑前進至該序列中的第二雷射路徑而增寬。該方法還包含將一高速的氣流引導至該雷射射束與該工作件之間的介面。該氣流會引導碎屑(其係由該雷射射束與該工作件的相互作用而產生的)遠離該平行雷射路徑序列中尚未經過處理的部分。
該方法可能還包含：設定該雷射射束的第一焦點深度；引導該雷射射束第一次通過該等平行雷射路徑中的一或多條路徑，用以移除該工作件中對應於該第一焦點深度的第一部分；設定該雷射射束的第二焦點深度；以及引導該雷射射束第二次通過該等一或多條平行雷射路徑，用以移除該工作件中對應於該第二焦點深度的第二部分。
於特定的實施例中，該序列係始於該切除區的內側部分並且結束於該切除區的外側邊緣。因此，沿著該平行雷射路徑序列來削切該工作件會在從該切除區之內側部分下斜至該切除區之外側邊緣的切口內切割出一連串的平行梯階。該方法可能還包含利用該雷射射束沿著該外側邊緣來切斷該工作件以便從該工作件處移除該切除區，俾使引導碎屑遠離該平行雷射路徑序列會讓該外側邊緣實質上會變得平滑並且不會有任何碎屑。
於其它實施例中，該序列係始於該切除區的外側邊緣並且朝該切除區的內側部分移動。於此等實施例中，利用該雷射射束來切斷該工作件可能會從該切除區的內側部分中移除一結構。引導碎屑遠離該平行雷射路徑序列則會讓該結構實質上會變得平滑並且不會有任何碎屑。該方法可能包含沿著該平行雷射路徑序列來削切該工作件，用以在從該切除區之外側邊緣下斜至要從該切除區處被切下的結構的切口內切割出一連串的平行梯階。
於特定的實施例中，將一高速的氣流引導至該介面可能包含經由一噴嘴以超音速來噴吹該氣流。舉例來說，該噴嘴可能係位於該介面的20毫米內，俾使該氣流在抵達該工作件的該介面時實質上仍處於高速。於某些實施例中，舉例來說，該氣體可能係空氣、氧氣、二氧化碳、氬氣、氦氣、或是氮氣。
於其中一實施例中，本發明提供的一種用以對燒結陶瓷或其它堅硬材料進行加工的雷射處理系統包含一雷射，用以產生一雷射射束。該雷射射束會被配置成用以沿著一工作件的切除區內的一平行雷射路徑序列來削切該工作件。該系統還包含一噴嘴，用以將一高速的氣流引導至該雷射射束與該工作件之間的介面。於特定的實施例中，該系統還包含光學元件，用以在第一次通過該等雷射路徑中的一或多條路徑期間將該雷射射束聚焦在第一焦點深度處並且在第二次通過該等雷射路徑中的該等一或多條路徑期間將該雷射射束聚焦在第二焦點深度處。該噴嘴可能包含一收斂-發散噴嘴，例如拉瓦爾噴嘴，其能夠以超音速來噴吹該氣流。
於其中一實施例中，本發明提供的一種用以對燒結陶瓷或其它堅硬材料進行加工的雷射處理系統包含削切構件，用以沿著一工作件的切除區內的一平行雷射路徑序列來削切該工作件；以及引導構件，用以將一高速的氣流引導至該雷射射束與該工作件之間的介面。該系統可能還包含聚焦構件，用以在第一次通過該等雷射路徑中的一或多條路徑期間將該雷射射束聚焦在第一焦點深度處並且在第二次通過該等雷射路徑中的該等一或多條路徑期間將該雷射射束聚焦在第二焦點深度處。
從下面較佳實施例的詳細說明中，參考隨附的圖式，便會明白本發明的額外觀點與優點。
根據特定實施例用以雷射加工燒結陶瓷或其它堅硬及/或厚材料的方法包含選擇一雷射射束路徑，用以在雷射切進或切斷一工作件時讓碎屑流出。於其中一實施例中，一平行雷射切割序列係始於一切除區的內側並且會朝該切除區的外側邊緣移動。該平行雷射切割序列可以讓該切除區有更乾淨且更深的外側邊緣。
此外，或者於其它實施例中，該方法包含以高速將空氣或其它氣體引導至要被該雷射射束處理的工作件上的某一區域。該高速空氣或氣體會藉由讓雷射聚焦在未經處理的材料上而非聚焦在碎屑上而得以改良邊緣品質並且改良生產量。將高速氣體噴吹至該處理區域之中會移除因雷射燒蝕所產生之散亂的碎屑殘片。該高速氣體還會冷卻雷射射束相互作用附近的剩餘材料，用以降低各種副作用，例如熱影響區(HAZ)以及熔融材料回流至該雷射射束所產生的切口之中。於特定的實施例中，會利用特殊氣體的篩選來控制該雷射/工作件相互作用環境。
為切斷厚的工作件，可能必須要進行多次行進衝程(pass)。因此，於某些實施例中，該方法還包含在每一個後續行進衝程中調整雷射聚焦位置以便匹配該工作件的新表面，用以改良生產量。於切斷該工作件之後，或是在幾乎切斷該工作件之後，便會切割外圍線(outer line)，用以在該切除區的入口與出口處(舉例來說，頂端與底部)產生乾淨的邊緣。
現在參考圖式，其中，相同的元件符號代表相同的元件。為清楚起見，元件符號的第一個數字係表示首次用到該對應元件的圖式編號。在後面的說明中會提供許多明確的細節，以便透澈瞭解本文所揭示的實施例。不過，熟習本技術的人士便會瞭解，缺少該等明確細節中的一或多者，或是利用其它方法、器件、或材料，仍能實行該等實施例。進一步言之，於某些情況中，不會詳細顯示或說明眾所熟知的結構、材料、或操作，以免混淆該等實施例的觀點。再者，可以任何合宜的方式於一或多個實施例中組合本文所述的特點、結構、或是特徵。
圖1A所示的係根據其中一實施例用以切割一孔洞貫穿工作件112的複數條平行雷射路徑110a、110b、110c、110d、110e、110f、以及110g(統稱為雷射路徑110)的概略示意圖。工作件112可能包括燒結陶瓷或其它堅硬及/或厚材料。該等雷射路徑110會界定一包含一外側邊緣116(圖中以虛線顯示)的切除區114。於此範例實施例中，該切除區114內的材料會從該工作件112處被移除，用以於其中產生一開口。
一雷射射束(圖中未顯示)會被配置成用以從該切除區114內的最內側雷射路徑110a依序跟隨該等雷射路徑110朝該切除區114的外側邊緣116移動。換言之，該雷射射束會依序地跟隨該等平行雷射路徑110a、110b、110c、110d、110e、110f、以及110g。如下面的討論，每次通過該等雷射路徑110時，由該雷射射束所產生的切口便會變寬且變深，俾使該雷射射束會在該切除區114的外側邊緣處或其附近切斷該工作件112。接著便可棄置該切除區114的內側部分，從而留下乾淨的外側邊緣116。
在圖1A中，切除區114包含位於該工作件112之邊緣118處的矩形區域。不過，熟練的人士從本文的揭示內容中便會瞭解，亦可依照任何形狀來加工一孔洞或是其它結構且其可能位於該工作件112中的任何地方。舉例來說，圖1B所示的便係被定位在該工作件112內的一圓形切除區114。於此範例實施例中，該等平行雷射路徑110為被置中於該切除區114之中心處的同心圓。圖中雖然未顯示；不過，於其它實施例中，舉例來說，該等雷射路徑110亦可能為從該切除區114裡面螺旋至該切除區114之外側邊緣116的一連續路徑。
圖1C所示的係另一範例實施例，其中，矩形的切除區114並非在該工作件112之邊緣118的旁邊(如圖1A中所示)。於此實施例中，每一條雷射路徑110均係分離的、矩形的、並且與該切除區114的外側邊緣116成比例。不過，如同利用螺旋路徑來產生圖1B中所示的圓形切除區114，圖1C中所示的矩形切除區114的雷射路徑亦可能會連續地出現在從該切除區114的裡面朝外側邊緣116(舉例來說，矩形螺旋)移動的一遞增矩形圖樣之中。繞著該雷射路徑序列110移動(舉例來說，順時針)會產生一隙孔，以及讓碎屑朝該切除區114的中心流動並且遠離該外側邊緣116及/或遠離該等雷射路徑110。
於其中一實施例中，該雷射射束可能會多次通過每一條雷射路徑110，以便切斷該工作件112。參考圖1A，舉例來說，根據其中一實施例的雷射射束會複數次通過該等平行雷射路徑110中的每一條路徑。舉例來說，在第一焦點深度的第一次通過中，該雷射射束可能會依序跟隨該等平行雷射路徑110a、110b、110c、110d、110e、110f、以及110g。在第二焦點深度的第二次通過中，該雷射射束可能會再次依序跟隨該等平行雷射路徑110a、110b、110c、110d、110e、110f、以及110g。必要時，此過程可以重複進行，用以處理該特殊工作件112。
於另一實施例中，該雷射射束在不同路徑110中通過的次數可能並不相同。舉例來說，圖2A、2B、2C、2D、2E、2F、以及2G所示的分別係根據其中一實施例當一雷射射束(圖中未顯示)依序加深與增寬一切除區114中的切口210時，工作件112在不同處理階段中的剖面側面圖。如上面討論，該雷射射束會跟隨一雷射路徑序列，用以從該切口210處移除材料。在圖2A中，該雷射射束會跟隨第一雷射路徑(舉例來說，圖1A中的雷射路徑110a)，用以移除該材料的一部分，以便形成一深度「d」的切口210。該材料212的中心部分可能保持(至少部分)被切口210包圍。在圖2B中，該雷射射束會跟隨第二雷射路徑(舉例來說，圖1A中的雷射路徑110b)，用以移除該材料的另一部分，以便增寬與加深該切口210。在圖2C中，該雷射射束會跟隨第三雷射路徑(舉例來說，圖1A中的雷射路徑110c)。在圖2D中，該雷射射束會跟隨第四雷射路徑(舉例來說，圖1A中的雷射路徑110d)。在圖2E中，該雷射射束會跟隨第五雷射路徑(舉例來說，圖1A中的雷射路徑110e)。在圖2F中，該雷射射束會跟隨第六雷射路徑(舉例來說，圖1A中的雷射路徑110f)。在圖2G中，該雷射射束會跟隨第七雷射路徑(舉例來說，圖1A中的雷射路徑110g)。
該雷射射束在依序跟隨該等雷射路徑時會增寬與加深切口210，直到該切口210切斷該工作件112為止(舉例來說，圖2G中)。於某些實施例中，會藉由在多條雷射路徑之間重疊該等雷射射束光點的一部分而連續地加深該切口210。此外，或者於其它實施例中，該雷射射束可能會多次通過一或多條該等路徑，以便增加該切口210的深度。舉例來說，該雷射射束可能會通過該第一雷射路徑110a一次，通過該第二雷射路徑110b兩次，通過該第三雷射路徑110c三次，依此類推。於某些實施例中，該雷射聚焦位置會被調整，用以在每一次連續的行進衝程中匹配該材料之新表面的深度。舉例來說，倘若工作件112厚度大於聚焦的範圍的話，那麼便可以在切口210的深度「d」增加時調整焦點深度。
當切口210增寬且加深時，其便會產生一隙孔和碎屑的流出部。因此，藉由依序地跟隨該等雷射路徑，碎屑便會流動遠離該雷射/材料介面及/或該雷射路徑中尚未被該雷射射束處理過的部分。在切斷該工作件112之後，切除區114的外側邊緣116便會非常乾淨且界限非常清楚。接著便可棄置該切除區114內的剩餘材料212。
圖3所示的係根據其中一實施例使用依序移向切除區114之中心的雷射路徑來進行雷射處理之工作件112的剖面側面圖。熟練的人士從本文的揭示內容中便會瞭解，於特定的應用中可能會希望跟隨一從切除區114內側至外側邊緣116的路徑序列，如上面討論。舉例來說，當在工作件112中切割一孔洞並且棄置從切除區114處被移除的材料時便可能希望用到此序列。不過，熟練的人士還會瞭解，在其它應用中可能會希望該雷射路徑序列始於外側邊緣116處並且在切口210變得更深時朝該切除區114的中心移動。舉例來說，當從該工作件112處切割高品質的部件或結構310時便可能希望用到此序列。
如圖3中所示，從外側邊緣116處開始該雷射路徑會產生一傾斜或類似梯階的表面，其會在切口210加深且移往要從該工作件112處被切下的結構310時保留部分的工作件112。此類似梯階的表面會收集因雷射射束/材料相互作用所產生的碎屑。不過，從工作件112處被切下的結構310則會有比較平滑與乾淨的切割表面312。
圖4所示的係根據其中一實施例用以在燒結陶瓷或其它堅硬及/或厚材料中切割一開口的方法400的流程圖。方法400包含引導410一高速的氣流至一雷射射束與一工作件之間的介面。該氣流可能係中性氣體，例如氦氣、氬氣、或是氮氣。於其它實施例中，該氣流可能係氧氣或是含氧的氣體(例如，週遭的空氣，舉例來說，氮氣與氧氣的混合氣體)或是二氧化碳，每一者均可能會造成些微氧化。於其它實施例中，該氣流可能係針對特殊應用所選出之活性更大的氣體，用以控制該雷射/材料介面環境。
經聚集的氣流會以高速(舉例來說，接近超音速)行進，以便藉由改變該雷射射束與該工作件之間的介面處的雷射處理條件來變更該雷射加工製程。舉例來說，於某些實施例中，該氣流可能會在該工作件的表面處產生雷同於衝擊波(shockwave)的作用。該高速氣流會以機械性的方式移除該雷射加工製程所產生的散亂碎屑殘片。該氣流還會冷卻該雷射射束與該工作件間之介面旁邊的剩餘材料。
方法400還包含利用該雷射射束沿著該工作件的切除區內的一平行雷射路徑序列來削切412該工作件。該削切作用會在該切除區中產生一切口，當該雷射射束沿著該平行雷射路徑序列前進時，該切口會加深並且重新引導該碎屑中的至少一部分。如上面討論，於其中一實施例中，該平行雷射路徑序列始於該切除區的內側部分並且結束於該切除區的外側邊緣。於另一實施例中，該雷射路徑序列係始於該切除區的外側邊緣並且朝該切除區的內側部分移動。
於其中一實施例中，方法400還包含在該切口的深度更深入該工作件之中時調整414該雷射射束的焦點深度。因此，該雷射射束會在該切口加深時持續有效地從該切除區處移除材料。
因此，方法400藉由使用比較高功率的雷射來提高材料移除的速率同時維持雷射處理品質因而可以利用雷射處理來改良從該工作件處被切下的部件或結構的品質，改良在雷射處理期間產生於該工作件中的深開口的品質，並且提高雷射處理的生產量。於某些實施例中，利用本文所述之實施例的生產量會提高為習知雷射加工製程之生產量的三至十倍。
圖5所示的係根據其中一實施例用以雷射加工燒結陶瓷或其它堅硬及/或厚材料的系統500的方塊圖。該系統500包含：一雷射(圖中未顯示)，用以產生一雷射射束510；光學元件512，用以將該雷射射束510聚焦在相對於一被加工材料514(亦稱為工作件514)的所希深度處；以及一高速吹氣噴嘴516，用以將一高速噴氣錐518或氣流引導至該雷射射束510與該工作件514的介面520。熟練的人士從本文的揭示內容便會明白，亦可相對於該雷射及/或光學元件512來移動該工作件514用以調整焦點深度。
該系統500會被配置成用以在切割燒結陶瓷和其它堅硬及/或厚材料時改良生產量與品質兩者。熟習本技術的人士便可達成用於處理該些材料的雷射揀選作業。該雷射揀選作業通常係以雷射的波長以及被加工材料514的吸收特徵為基礎。於其中一範例實施例中，該雷射包含操作在可見光或紫外光波長處的脈衝式Q型開關雷射。於特定的此等實施例中，該雷射會操作在脈衝重複率高於約1千赫茲而雷射脈衝時間持續長度小於約500奈秒處。
於其中一實施例中，該噴嘴516包含拉瓦爾噴嘴或是具有收斂-發散設計的其它吹氣噴嘴，俾使用以在該噴嘴的開口處產生非常高的氣流速度(包含超音速在內)。舉例來說，空氣速度可能約為200公尺/秒，甚至更快。於特定的此等實施例中，該高速噴嘴會被定位在和該工作件514上的介面520相隔約1毫米和約100毫米之間的範圍中。圖5中雖然並未顯示；不過，於某些實施例中，一鼻突件(nose piece)可能會被附接至該噴嘴516，以便進一步聚集並引導該噴氣錐518，其可適用於特定的應用。
於其中一範例實施例中，該系統500係使用雷射脈衝寬度約40奈秒、脈衝重複率約20千赫茲、以及平均功率約7瓦的第三諧波Q型開關Nd-YAG雷射。於其中一個此類實施例中，噴嘴516包含辦公室位於美國印第安納州貨運大區(Portage,Indiana)的Silvent North America,LLC所售的不鏽鋼拉瓦爾噴嘴。該拉瓦爾噴嘴516係位於和該介面相隔約20毫米的地方並且會以和工作件514之表面的法線成約30度的角度來引導送至該處的氣體。不過，熟練的人士便會瞭解，可以在該拉瓦爾噴嘴516與該工作件514的表面之間使用其它角度。舉例來說，該拉瓦爾噴嘴516可會被定位成與該雷射射束同軸。於其中一實施例中，該焦點形狀為高斯形狀且該雷射路徑會被設為如圖1中所示。
圖6所示的係根據上面所述之範例實施例於一燒結陶瓷材料612中所產生的切痕610的掃描電子顯微影像。如圖6中所示，切痕610的邊緣非常平滑且乾淨。
如上面討論，本文所揭示的實施例可被用來加工燒結陶瓷和其它堅硬及/或厚材料。陶瓷可被分類成不同的材料類目，其包含氧化物(舉例來說，礬土與氧化鋯)、非氧化物(舉例來說，碳化物、硼化物、氮化物、以及矽化物)、以及複合物(舉例來說，氧化物與非氧化物的微粒強化組合)。舉例來說，氧化鋁為鋁和氧的化學化合物，其化學式為Al2 O3 。其在採礦界、陶瓷界、以及材料科學界亦通稱為礬土。碳化物範例包含碳化鈉(Na2 C2 )、碳化矽(SiC)、碳化鎢(WC，通常會簡稱為碳化物)、以及滲碳體(Fe3 C，亦稱為碳化鐵)。
碳酸鋇(通常會混合碳酸鍶)為呈現鐵電性的陶瓷，這意謂著其機械性響應、電性響應、以及熱響應會彼此耦合並且還具有歷史依賴性(history-dependent)。其會廣泛地被使用在電機換能器、陶瓷電容器、以及資料儲存元件中。碳酸鋇中的晶界條件(grain boundary condition)可能會在加熱元件中產生正溫度係數(PTC)效應。
氧化鋯為另一種陶瓷，其純形會在室溫和實際燒結溫度之間經過許多的相變。氧化鋯的化學性可能會「穩定於」數個不同的形式中。其高氧離子導電性使其可以使用在燃料電池中。於另一變化例中，亞穩結構則可使其具有更適用於機械應用的變換形。大部分的陶瓷刀片均係由氧化鋯所製成。
下面的陶瓷材料亦可使用本文所揭示的方法來進行加工：氧化鉍鍶鈣銅(bismuth strontium calcium copper oxide)，其係一高溫超導體；碳化硼(B4 C)，其被使用在私人直昇機與坦克裝甲中；氮化硼，其在結構上和碳等電子(isoelectronic)並且具有雷同的物理形式(作為潤滑劑的類石墨形式以及作為研磨料的類鑽石形式)；磚塊(大部分為矽酸鋁)，其係用於建築；陶土，其通常係由黏土、石英、以及長石所製成；鐵磁體(Fe3 O4 )，其為鐵磁性並且會被使用在電性變壓器及磁核記憶體的核心中；鋯鈦酸鉛，其為鐵電材料；二硼化鎂(MgB2 )，其為非習知的超導體；瓷土，其經常包含黏土礦物高嶺土；碳化矽(SiC)，其係作為微波爐中的受熱座，作為常用的研磨料，以及作為耐火材料；氮化矽(Si3 N4 )，其係作為研磨細粉；塊滑石，其係作為電絕緣體；氧化鈾(UO2 )，其係作為核子反應爐的燃料；氧化釔鋇銅(YBa2 Cu3 O7-x )，其為另一種高溫超導體；以及氧化鋅(ZnO)，其為半導體，並且用於建構變阻器。
熟練的人士從本文的揭示內容中便會瞭解，使用本文所揭示的實施例亦可以加工眾多其它類型的陶瓷。進一步言之，如上面討論，使用本文所揭示的實施例還可以加工其它的堅硬材料，例如(但是並不受限於)單晶矽、多晶矽、金屬、玻璃、以及藍寶石。
熟習本技術的人士便會瞭解，可以對上面所述之實施例的細節進行許多改變，其並不會脫離本發明的基本原理。所以，本發明的範疇應該僅取決於下面的申請專利範圍。
110．．．雷射路徑
110a．．．雷射路徑
110b．．．雷射路徑
110c．．．雷射路徑
110d．．．雷射路徑
110e．．．雷射路徑
110f．．．雷射路徑
110g．．．雷射路徑
112．．．工作件
114．．．切除區
116．．．外側邊緣
118．．．邊緣
210．．．切口
212．．．材料
310．．．結構
312．．．切割表面
400．．．方法
410．．．引導
412．．．削切
414．．．調整
500‧‧‧系統
510‧‧‧雷射射束
512‧‧‧光學元件
514‧‧‧被加工的材料
516‧‧‧高速吹氣噴嘴
518‧‧‧噴氣錐
520‧‧‧介面
610‧‧‧切痕
612‧‧‧燒結陶瓷材料
d‧‧‧深度
圖1A、1B、以及1C所示的係根據特定實施例用以切割一孔洞貫穿一工作件的複數條平行雷射路徑的概略示意圖。
圖2A、2B、2C、2D、2E、2F、以及2G所示的分別係根據其中一實施例當一雷射射束依序加深與增寬一切除區中的切口時，工作件在不同處理階段中的剖面側面圖。
圖3所示的係根據其中一實施例使用依序移向切除區之中心的雷射路徑來進行雷射處理之工作件的剖面側面圖。
圖4所示的係根據其中一實施例用以在燒結陶瓷或其它堅硬及/或厚材料中切割一開口的方法的流程圖。
圖5所示的係根據其中一實施例用以雷射加工燒結陶瓷或其它堅硬及/或厚材料的系統的方塊圖。
圖6所示的係根據其中一實施例於一燒結陶瓷材料中所產生的切痕的掃描電子顯微影像。
500．．．系統
510．．．雷射射束
512．．．光學元件
514．．．被加工的材料
516．．．高速吹氣噴嘴
518．．．噴氣錐
520．．．介面

Claims (21)

  1. 一種雷射加工燒結陶瓷或其它堅硬材料的方法，該方法包括：利用一雷射射束沿著一工作件的切除區內的一平行雷射路徑序列來削切該工作件，其中，該削切作用會在該切除區中產生一切口，該切口會隨著該雷射射束從第一雷射路徑前進至該序列中的第二雷射路徑而增寬，以便產生碎屑的流出部；以及將一高速的氣流引導至該雷射射束與該工作件之間的介面，其中，該氣流會引導碎屑遠離該平行雷射路徑序列，且其中，該碎屑係由該雷射射束與該工作件的相互作用而產生的。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括：設定該雷射射束的第一焦點深度；引導該雷射射束第一次通過該等平行雷射路徑中的一或多條路徑，用以移除該工作件中對應於該第一焦點深度的第一部分；設定該雷射射束的第二焦點深度；以及引導該雷射射束第二次通過該等一或多條平行雷射路徑，用以移除該工作件中對應於該第二焦點深度的第二部分。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該序列係始於該切除區的內側部分並且結束於該切除區的外側邊緣。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，沿著該平行雷 射路徑序列來削切該工作件會在從該切除區之內側部分下斜至該切除區之外側邊緣的切口內切割出一連串的平行梯階。
  5. 如申請專利範圍第3項之方法，其進一步包括利用該雷射射束沿著該外側邊緣來切斷該工作件以便從該工作件處移除該切除區，俾使引導碎屑遠離該平行雷射路徑序列會讓該外側邊緣實質上會變得平滑並且不會有任何碎屑。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該序列係始於該切除區的外側邊緣並且朝該切除區的內側部分移動。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其進一步包括利用該雷射射束來切斷該工作件，用以從該處移除一結構，該結構包括該切除區的該內側部分，其中，引導碎屑遠離該平行雷射路徑序列會讓該結構實質上會變得平滑並且不會有任何碎屑。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中，沿著該平行雷射路徑序列來削切該工作件會在從該切除區之外側邊緣下斜至要從該切除區處被切下的結構的切口內切割出一連串的平行梯階。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，將該高速的氣流引導至該介面包括經由一噴嘴以超音速來噴吹該氣流。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其進一步包括將該噴嘴放置於該介面的20毫米內。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該氣流中的氣體係選擇自包括下面的群之中：空氣、氧氣、以及二氧 化碳。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該氣流中的氣體包括中性氣體，其係選擇自包括下面的群之中：氬氣、氦氣、以及氮氣。
  13. 一種用以對燒結陶瓷或其它堅硬材料進行加工的雷射處理系統，該系統包括；一雷射，用以產生一雷射射束，該雷射射束會被配置成用以沿著一工作件的切除區內的一平行雷射路徑序列來削切該工作件；一噴嘴，用以將一高速的氣流引導至該雷射射束與該工作件之間的介面；以及光學元件，用以在第一次通過該等雷射路徑中的一或多條路徑期間將該雷射射束聚焦在第一焦點深度處並且在第二次通過該等雷射路徑中的該等一或多條路徑期間將該雷射射束聚焦在第二焦點深度處。
  14. 如申請專利範圍第13項之系統，其中，該噴嘴包括一收斂-發散噴嘴，其能夠以超音速來噴吹該氣流。
  15. 如申請專利範圍第14項之系統，其中，該收斂-發散噴嘴包括拉瓦爾噴嘴。
  16. 如申請專利範圍第13項之系統，其中，該平行雷射路徑序列係始於該切除區的內側部分並且結束於該切除區的外側邊緣。
  17. 如申請專利範圍第13項之系統，其中，該平行雷射路徑序列係始於該切除區的外側邊緣並且朝該切除區的內 側部分移動。
  18. 如申請專利範圍第13項之系統，其中，該噴嘴係位於該工作件的20毫米內。
  19. 如申請專利範圍第13項之系統，其中，該氣流中的氣體係選擇自包括下面的群之中：空氣、氧氣、以及二氧化碳。
  20. 如申請專利範圍第13項之系統，其中，該氣流中的氣體包括中性氣體，其係選擇自包括下面的群之中：氬氣、氦氣、以及氮氣。
  21. 一種用以對燒結陶瓷或其它堅硬材料進行加工的雷射處理系統，該系統包括削切構件，用以沿著一工作件的切除區內的一平行雷射路徑序列以雷射射束來削切該工作件；引導構件，用以將一高速的氣流引導至該雷射射束與該工作件之間的介面；以及聚焦構件，用以在第一次通過該等雷射路徑中的一或多條路徑期間將該雷射射束聚焦在第一焦點深度處並且在第二次通過該等雷射路徑中的該等一或多條路徑期間將該雷射射束聚焦在第二焦點深度處。
TW098109461A 2008-03-31 2009-03-24 燒結陶瓷和其它堅硬及／或厚的材料之雷射加工 TWI498183B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/060,023 US8093532B2 (en) 2008-03-31 2008-03-31 Laser machining of fired ceramic and other hard and/or thick materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW200940233A TW200940233A (en) 2009-10-01
TWI498183B true TWI498183B (zh) 2015-09-01

Family

ID=41115542

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW098109461A TWI498183B (zh) 2008-03-31 2009-03-24 燒結陶瓷和其它堅硬及／或厚的材料之雷射加工

Country Status (6)

Country Link
US (2) US8093532B2 (zh)
JP (1) JP5480240B2 (zh)
KR (1) KR101570831B1 (zh)
CN (1) CN101980817B (zh)
TW (1) TWI498183B (zh)
WO (1) WO2009123902A2 (zh)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6676878B2 (en) 2001-01-31 2004-01-13 Electro Scientific Industries, Inc. Laser segmented cutting
US8093532B2 (en) 2008-03-31 2012-01-10 Electro Scientific Industries, Inc. Laser machining of fired ceramic and other hard and/or thick materials
US20100081255A1 (en) * 2008-09-29 2010-04-01 Erasenthiran Poonjolai Methods for reducing defects through selective laser scribing
WO2011046052A1 (ja) * 2009-10-13 2011-04-21 三菱マテリアル株式会社 電極板の通気孔形成方法
EP2490273B1 (en) * 2011-02-18 2013-05-01 Bruker HTS GmbH Method for manufacturing a HTS coated tape with laser beam cutting
US8950519B2 (en) 2011-05-26 2015-02-10 Us Synthetic Corporation Polycrystalline diamond compacts with partitioned substrate, polycrystalline diamond table, or both
US8863864B1 (en) 2011-05-26 2014-10-21 Us Synthetic Corporation Liquid-metal-embrittlement resistant superabrasive compact, and related drill bits and methods
US9062505B2 (en) 2011-06-22 2015-06-23 Us Synthetic Corporation Method for laser cutting polycrystalline diamond structures
US9297411B2 (en) 2011-05-26 2016-03-29 Us Synthetic Corporation Bearing assemblies, apparatuses, and motor assemblies using the same
WO2013039229A1 (ja) * 2011-09-15 2013-03-21 日本電気硝子株式会社 ガラス板切断方法およびガラス板切断装置
JP5879106B2 (ja) * 2011-11-25 2016-03-08 三星ダイヤモンド工業株式会社 脆性材料基板のスクライブ方法
CN102513707B (zh) * 2011-12-19 2015-12-02 深圳市木森科技有限公司 一种激光切割陶瓷的方法
US9289858B2 (en) 2011-12-20 2016-03-22 Electro Scientific Industries, Inc. Drilling holes with minimal taper in cured silicone
CN103212859A (zh) * 2012-01-19 2013-07-24 昆山思拓机器有限公司 一种激光切割厚材料的方法
JP2013146780A (ja) * 2012-01-23 2013-08-01 Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd 脆性材料基板のレーザ加工方法
US9828277B2 (en) * 2012-02-28 2017-11-28 Electro Scientific Industries, Inc. Methods for separation of strengthened glass
US10357850B2 (en) 2012-09-24 2019-07-23 Electro Scientific Industries, Inc. Method and apparatus for machining a workpiece
US9828278B2 (en) 2012-02-28 2017-11-28 Electro Scientific Industries, Inc. Method and apparatus for separation of strengthened glass and articles produced thereby
CN104114506B (zh) 2012-02-29 2017-05-24 伊雷克托科学工业股份有限公司 加工强化玻璃的方法和装置及藉此制造的物品
JP5907009B2 (ja) * 2012-09-05 2016-04-20 Jsr株式会社 パターン形成方法
JP5975344B2 (ja) * 2012-11-13 2016-08-23 日本電気硝子株式会社 板ガラスのレーザー溶断方法
CN104619658B (zh) * 2012-11-13 2017-10-20 日本电气硝子株式会社 平板玻璃的制造方法以及制造装置
US9950392B2 (en) * 2014-03-04 2018-04-24 Rohr, Inc. Forming one or more apertures in a fiber-reinforced composite object with a laser
CN106141445A (zh) * 2015-04-14 2016-11-23 大族激光科技产业集团股份有限公司 一种非同轴激光加工装置
CN107925217A (zh) * 2015-06-16 2018-04-17 伊雷克托科学工业股份有限公司 用于处理透明材料的方法及设备
US20180251406A1 (en) * 2017-03-06 2018-09-06 Applied Materials, Inc. Sintered ceramic protective layer formed by hot pressing
GB2546437B (en) * 2017-04-13 2018-03-21 Elfab Ltd Improvements in or for burst members
JP6725605B2 (ja) * 2018-08-24 2020-07-22 ファナック株式会社 レーザ加工システム、及びレーザ加工方法
CN110340542A (zh) * 2019-06-29 2019-10-18 汕尾市索思电子封装材料有限公司 一种切割氧化物陶瓷基片的方法
CN110385521B (zh) * 2019-08-29 2021-03-16 西安交通大学 一种用于碳化硅快速深刻蚀的飞秒激光加工装置及方法
CN111360415B (zh) * 2020-03-20 2021-03-30 吉林大学 一种利用化学处理辅助激光加工制备金刚石涡旋光束发生器的方法及其应用
CN112589259A (zh) * 2020-11-27 2021-04-02 北京工业大学 一种陶瓷线圈骨架的激光高精切削的加工方法
CN113146042B (zh) * 2021-03-12 2022-10-18 中国工程物理研究院材料研究所 一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法
CN117066709B (zh) * 2023-06-26 2024-05-28 西南石油大学 一种无辅助吹气激光切割中厚及以上钢材的工艺方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW353635B (en) * 1996-10-08 1999-03-01 Illinois Tool Works Meltblowing method and apparatus
JPH11320171A (ja) * 1998-05-13 1999-11-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd レーザ照射による穿孔方法および穿孔装置
JP2003062683A (ja) * 2001-06-14 2003-03-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 硬質材料の加工方法および同方法により加工された硬質材料部品
JP2003071530A (ja) * 2001-06-18 2003-03-11 Moltec:Kk 金属シート積層造形物と金属シート積層造形物の造形装置及び造形方法
JP2006024914A (ja) * 2004-06-11 2006-01-26 Showa Denko Kk 化合物半導体素子ウェハーの製造方法
TWI284580B (en) * 2002-11-05 2007-08-01 New Wave Res Method and apparatus for cutting devices from substrates
TWI293623B (en) * 2004-06-21 2008-02-21 Applied Photonics Inc Device, system and method for cutting, cleaving or separating a substrate material

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3521187A (en) * 1967-09-18 1970-07-21 Eastman Kodak Co Laser media containing coumarin dye solutions
US4447701A (en) * 1982-01-28 1984-05-08 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Slag capture and removal during laser cutting
JPS5947086A (ja) * 1982-09-10 1984-03-16 Mitsubishi Electric Corp セラミツクスの加工方法
US4780592A (en) * 1985-09-17 1988-10-25 Bias Forschungs-und Entwicklungs-Labor fur Angewandte Strahltechnik GmbH Apparatus for cutting workpieces by means of a high-energy beam
US4877939A (en) * 1987-01-30 1989-10-31 Duley Walter W Means of enhancing laser processing efficiency of metals
SU1750900A1 (ru) * 1990-05-08 1992-07-30 Особое конструкторское бюро "Старт" Способ лазерного сверлени отверстий и устройство дл его осуществлени
JP2901744B2 (ja) * 1990-11-09 1999-06-07 株式会社リコー レーザトリマーにおけるダスト除去方法
JP3396890B2 (ja) * 1992-02-21 2003-04-14 松下電器産業株式会社 ホログラム、これを用いた光ヘッド装置及び光学系
JPH06155066A (ja) * 1992-11-27 1994-06-03 Yasuyuki Moriyama レーザ溶接装置の加工ヘッド装置
US5359176A (en) 1993-04-02 1994-10-25 International Business Machines Corporation Optics and environmental protection device for laser processing applications
NZ272635A (en) 1994-08-02 1998-02-26 Mcneil Ppc Inc Laser cutting/drilling processing head that creates a vortex gas flow within the head to clean and prevent back spatting of particles onto the lens therein
US6010497A (en) * 1998-01-07 2000-01-04 Lasersight Technologies, Inc. Method and apparatus for controlling scanning of an ablating laser beam
JP3056723B1 (ja) 1999-01-04 2000-06-26 ファナック株式会社 レ―ザ加工装置
WO2001074529A2 (en) * 2000-03-30 2001-10-11 Electro Scientific Industries, Inc. Laser system and method for single pass micromachining of multilayer workpieces
FR2810913A1 (fr) * 2000-06-29 2002-01-04 Air Liquide Procede et installation de coupage laser des aciers faiblement allies sans formation d'oxydes sur les faces de coupe
US6676878B2 (en) * 2001-01-31 2004-01-13 Electro Scientific Industries, Inc. Laser segmented cutting
EP1409192A4 (en) * 2001-07-02 2008-08-06 Virtek Laser Systems Inc METHOD FOR ABLATION OF AN OPENING IN A NON-METALLIC HARD SUBSTRATE
US6627844B2 (en) * 2001-11-30 2003-09-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method of laser milling
US20070227907A1 (en) * 2006-04-04 2007-10-04 Rajiv Shah Methods and materials for controlling the electrochemistry of analyte sensors
EP1738419B1 (en) * 2004-04-20 2012-07-11 Showa Denko K.K. Production method of compound semiconductor light-emitting device wafer
DE602004031006D1 (de) * 2004-07-20 2011-02-24 Univ De Vigo Vigo Schneidverfahren für Keramik
DE102004041273A1 (de) 2004-08-23 2006-03-02 Alstom Technology Ltd Bohrvorrichtung
ATE416917T1 (de) * 2004-09-30 2008-12-15 Dainippon Screen Mfg Verfahren zur herstellung einer druckplatte und druckplattenherstellungsgerät
US7674719B2 (en) * 2005-08-01 2010-03-09 Panasonic Corporation Via hole machining for microwave monolithic integrated circuits
JP2007253205A (ja) * 2006-03-24 2007-10-04 Seiko Epson Corp レーザ加工方法、基板の製造方法、及び電気光学装置の製造方法
CN1857843A (zh) * 2006-04-21 2006-11-08 江苏大学 一种激光表面微造型方法
CN101517793B (zh) * 2006-07-18 2011-08-24 西姆贝特公司 用于固态微电池光刻制造、切单和钝化的方法和设备
US20090045179A1 (en) * 2007-08-15 2009-02-19 Ellen Marie Kosik Williams Method and system for cutting solid materials using short pulsed laser
US8093532B2 (en) 2008-03-31 2012-01-10 Electro Scientific Industries, Inc. Laser machining of fired ceramic and other hard and/or thick materials

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW353635B (en) * 1996-10-08 1999-03-01 Illinois Tool Works Meltblowing method and apparatus
JPH11320171A (ja) * 1998-05-13 1999-11-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd レーザ照射による穿孔方法および穿孔装置
JP2003062683A (ja) * 2001-06-14 2003-03-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 硬質材料の加工方法および同方法により加工された硬質材料部品
JP2003071530A (ja) * 2001-06-18 2003-03-11 Moltec:Kk 金属シート積層造形物と金属シート積層造形物の造形装置及び造形方法
TWI284580B (en) * 2002-11-05 2007-08-01 New Wave Res Method and apparatus for cutting devices from substrates
JP2006024914A (ja) * 2004-06-11 2006-01-26 Showa Denko Kk 化合物半導体素子ウェハーの製造方法
TWI293623B (en) * 2004-06-21 2008-02-21 Applied Photonics Inc Device, system and method for cutting, cleaving or separating a substrate material

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100136476A (ko) 2010-12-28
CN101980817B (zh) 2014-02-19
WO2009123902A3 (en) 2010-01-21
US8093532B2 (en) 2012-01-10
TW200940233A (en) 2009-10-01
JP5480240B2 (ja) 2014-04-23
JP2011517624A (ja) 2011-06-16
US20120103953A1 (en) 2012-05-03
US8723075B2 (en) 2014-05-13
US20090242525A1 (en) 2009-10-01
KR101570831B1 (ko) 2015-11-20
WO2009123902A2 (en) 2009-10-08
CN101980817A (zh) 2011-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI498183B (zh) 燒結陶瓷和其它堅硬及／或厚的材料之雷射加工
Wang et al. Femtosecond laser drilling of alumina ceramic substrates
Kamlage et al. Deep drilling of metals by femtosecond laser pulses
JP5432285B2 (ja) 面取りした端部を有する形状にガラスをレーザ加工する方法
KR101521767B1 (ko) 전자 비임 및 비임 스캐닝 속도의 범위를 이용한 초-경질 재료를 절삭하는 방법
Islam et al. Laser machining of ceramics: a review
Sciti et al. Laser-induced surface drilling of silicon carbide
CN106425122A (zh) 一种激光旋切加工的装置及方法
JP3958040B2 (ja) セラミック製ノズルの製造方法
EP0747162A2 (en) Laser machining of glass-ceramic materials
Marimuthu et al. Picosecond laser machining of ceramic matrix composite
GB2532138A (en) A method of fabricating plates of super-hard material and cutting techniques suitable for such a method
JP6973672B2 (ja) 切削工具の製造方法
Toenshoff et al. Gas assisted microstructuring of ceramic materials irradiated with excimer lasers
Meiners et al. Micro machining of ceramics by pulsed Nd: YAG laser
JP2007069219A (ja) レーザによる両面溝加工装置及び両面溝加工方法
Kovalenko et al. Laser milling of the intractable materials
Singh et al. Study on electric discharge machining and scope for new era
Palani Impact of Process Parameters on Laser Beam Machining of Ceramic Material
Burck et al. Laser machining of Si 3 N 4 ceramics
French et al. Laser percussion drilling of aerospace material using a 10kW peak power laser using a 400 µm optical fibre delivery system
WO2007116124A1 (en) Method for adjusting ablation threshold
JP2015088260A (ja) プラズマ処理装置及び方法
Dausinger et al. Technical Applications
Stock et al. Femtosecond pulsed laser processing of thin films for MEMS devices

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees