TWI510316B - 使用一 長波長雷射加工零件之製程及裝置 - Google Patents

Description

使用一長波長雷射加工零件之製程及裝置

本發明係關於一種抵銷由使用一長波長雷射加工零件造成的微小應變之積累所引起之該翹曲效應之裝置及製程技術。

本申請案主張2008年6月18日申請之美國臨時專利申請案第61/073,644號之優先權，該案之全文以引用的方式併入本文中。

當使用長波長雷射加工組件時，大部分加工製程為熱控。此熱控材料移除製程導致在該加工零件中出現一受熱影響區域及一熔化區域。在切割製程期間，該熔化區域擴張並轉變成一液態。該受熱影響區域亦擴張且在該金屬局部退火的位置溫度升高。在該雷射已加工該金屬區域後不久，受熱影響區域及熔化區域冷卻且在體積上收縮。因為該冷卻梯度為不均勻(亦即，該受熱影響區域比該熔化區域更快冷卻至周圍溫度)，所以出現使該加工零件局部撓曲之一微小應變區域。由於該零件之更多部分被加工，該應力區域撓曲建立於彼此之上且導致在該零件中的一巨大撓曲，其通常被稱之為一翹曲。

本發明之實施例提出上述該經加工零件之大型翹曲，該等實施例包括一種抵銷由於使用一長波長雷射加工零件造成的微小應變積累所引起之該翹曲效應之技術。

該翹曲現象係可經常重複的。一旦其特徵為一金屬零件，只要該零件可被適當固定而不彎曲該零件中的任何其他部件，發展一種在該翹曲之相反方向上預加應力該零件之技術則相對簡單。特定言之，該待加工零件係在歸因於加工用於固持該零件的一固定器之一翹曲應力之相反方向被預加應力，而不彎曲該零件中任何其他部件。接著，該零件係當其被固持在該固定器中時被加工。

如果該零件具有引起高應力集中之部件，則可加固此等區域以防止該高應力區域彎曲。特定言之，具有與該等部件之一精確配合之插件可放置在該等部件中以限制該等部件並防止該等該等部件彎曲。作為一選擇，可擴張插件可放置在該等部件中且可擴張直到其具有此一精確配合。

根據特定實施例，該零件可包含一片薄平金屬材料，如鋁。

本文描述此等及其他實施例之細節與變化。

本文描述係參考隨附圖式，其中，在所有圖式中，相同的參考數字係指相同部分。

圖1顯示使用一長波長雷射14加工一零件12之一裝置10之一相應部分，該長波長雷射14產生適於加工零件12之一射束15。如在本文中將解釋，根據本發明之實施例之裝置10及一相關方法大體上是針對抵銷由於使用長波長雷射14加工零件12造成的一微小應變積累所引起之一翹曲效應。

零件12可包含或呈一薄平片之形式，且長波長雷射14係用以穿透零件12來切割一個或多個孔隙18。孔隙18自零件12之一上面延伸至一下面，使得孔隙18大致上垂直於由零件12定義之一平面延伸。

裝置10包含一固定器16，當使用長波長雷射14進入或穿透零件12來切割一個或多個部件時，該固定器16係將零件12相對於長波長雷射14而固持在一預定位置及輪廓中。固定器16包含一底座部分17及壓力板19，底座部分17及壓力板19經調適以在零件12之相對端分別接合零件12之上表面及下表面。亦即，零件12之每一端係被捕捉在底座部分17與壓力板19之一者之間。在此實例中，如圖3及圖4所示，在零件12大體上成矩形的位置，壓力板19沿著零件12相對邊緣之長度延伸。一個或多個夾具21係用以相對於零件12來緊固底座部分17與壓力板19。固定器16亦包含一個或多個自底座部分17向上延伸且可與零件12接合之指狀物23。如在下文中解釋，零件12係經由指狀物23與該零件12下表面之接合而固持在一預定輪廓中。

底座17與雷射14大體上係併入任一數目的雷射微加工系統中。例如，底座17係可移除式固定至該雷射微加工系統之一底座，且雷射14大體上係由用於相對於底座17移動之一導架系統支撐。底座17亦可經安裝用於相對於雷射14之移動。合適的雷射微加工系統可自俄勒岡州波特蘭市之電子科技工業有限公司(Electro Scientific Industries,Inc.)購得且以型號第5330、5530、5650及5800號來銷售。

該術語「長波長雷射」係定義為包含，例如，一紅外線 波長雷射。為達作為實例與非限制之目的，該長波長雷射可具有一大於大約750奈米(nm)之波長，且更佳為一在大約900奈米(nm)與大約800微米(μm)之間的波長。在特定實施例中，一波長較佳在大約900奈米(nm)與大約9000奈米(nm)之間。最佳但不一定的是使用一在大約1000奈米(nm)與大約1100奈米(nm)之間的波長。大體上說，關於使用一長波長雷射加工金屬零件的額外資訊，且特定言之，關於使用一長波長雷射以在一金屬材料中切割通孔的額外資訊，可自美國專利申請公開案第2007/0291496號獲得，該案之全文以引用的方式併入本文中。

當相對於一平板材料片使用時，該術語「薄」係定義為具有一小於1000微米(Φm)，且更佳在100微米(Φm)與1000微米(Φm)之間之厚度的一薄片。當相對於該材料片使用時，該術語「平」不被視為限制的。特定言之，該材料片可具有用於加工成品或零件之任意需要的輪廓。只要可利用本發明之該製程及裝置，在一預加應力反翹曲方向組態中充分彎曲該定形的產品或零件，以補償雷射加工引起的翹曲而不產生任何關聯的高應力集中部件之彎曲，則被視為在本發明之範圍內。

為達作為實例與非限制之目的，當關於該薄平片使用時，該術語「材料」係定義為一均質的金屬材料，且更特別的為鋁材料。然而，可預期使用本發明可處理其他經受雷射加工引起翹曲之材料，其包含自除鋁之外的另一均質金屬材料、一合成金屬材料、一樹脂材料、一包含一纖維填充料之樹脂材料、一包含一玻璃纖維填充料之樹脂材料、一合成樹脂與金屬材料、一合成樹脂、纖維填充料與金屬材料，及其等之任何組合中選取的材料。

現參考圖2A至圖2I解釋該翹曲效應之形成，圖2A至圖2I顯示使用長波長雷射14加工成為代表零件12之一鋁樣品22之複數個孔20。使用長波長雷射14加工鋁樣品22導致在每一孔20的周圍區域形成一局部受熱影響區域24及一熔化區域26。在切割製程期間，熔化區域26擴張且轉化成一液態。受熱影響區域24亦擴張且在鋁樣品22之金屬局部退火的位置溫度升高。在長波長雷射14已將孔20加工成為鋁樣品22後不久，受熱影響區域24及熔化區域26冷卻且在體積上收縮。

繼使用長波長雷射14加工之後，在相鄰於該等孔的材料中的該冷卻梯度為不均勻，因為受熱影響區域24比熔化區域26更快冷卻至周圍溫度。此導致使該零件局部撓曲之一微小應變區域28之形成。由一單一應力區域28引起的該撓曲實質上是無意義的。然而，由於該零件的更多部分被加工，由應力區域28引起的該局部撓曲建立於彼此之上，並在零件中引起一巨大的、大程度撓曲，其通常被稱為翹曲效應。

圖2A係繼使用長波長雷射14來雷射切割或加工之後鋁樣品22之一俯視圖。鋁樣品22係藉由製備作為樣品之一第一部分30及一第二部分32而製備成用於光學與SEM(掃描電子顯微鏡)成像。

第一部分30係製備成用於成像，此舉係藉由透過鋁樣品22切割以提供一包含完整無缺的孔20陣列之大體上的矩形樣品，及藉由如圖2B所示安裝該樣品。因此，第一部分30係適於自一俯視或仰視透視圖觀察。

第二部分32係製備成用於成像，此舉係藉由透過鋁樣品22切割以提供一長形樣品，沿著其長形側34，將複數個孔20沿著其等各自的縱軸一分為二，且藉由如圖2C所示安裝該樣品。因此，第二部分32係適於觀察孔20之橫截面屬性。

圖2D以俯視圖顯示第一部分30之一100倍的光學影像。圖2E以俯視圖顯示第一部分30之一200倍的明視場光學影像。圖2F顯示第二部分32之一50倍的明視場光學影像。圖2G顯示第二部分32之一500倍的明視場光學影像。在圖2D至圖2G中，受熱影響區域24與熔化區域26可被識別。暗視場光學影像亦顯示此等區域。

圖2H中成一俯視圖的第一部分30之一600倍的SEM影像，顯示受熱影響區域24與熔化區域26。圖2I係第一部分30之一600倍的SEM影像，其顯示在該鋁基體中的沉澱物36。

鑽孔後，鋁樣品22的一取樣點之微硬度測試顯示，受熱影響區域24與熔化區域26之材料硬度值降低，低於該基礎材料之硬度值。

為達作為實例與非限制之目的，描述本發明之一實施例，其中零件12係一薄平材料片40，其具有一環繞其大部分周界的邊緣42，且可具有許多加工至邊緣中的部件，如圖1與圖3至圖5最佳可見。特定言之，高應力集中被引入相鄰於被加工至邊緣42中的部件44之零件12之區域中。例如，部件44可包含複數個正方形或矩形孔隙，其等沿著邊緣42以一並排的方式配置。

如圖3最佳可見，當使用長波長雷射14加工零件12時，前述的該翹曲效應趨於根據一實質上凹翹曲輪廓50來翹曲零件12，其中為了參考目的，凹翹曲輪廓50被繪示相鄰於零件12。凹翹曲輪廓50可藉由使用長波長雷射14加工零件12而不預加應力零件12，且接著直接測量零件12之該所得凹翹曲輪廓50而憑經驗確立。當然，其他已知的方法可用於確立凹翹曲輪廓50之參數。

為了抵銷由凹翹曲輪廓50表示之該翹曲效應，固定器16係經組態以在一基於凹翹曲輪廓50之幅度及方向上預加應力零件12。特定言之，如圖4最佳可見，固定器16係經組態以經由固定器16之直立指狀物23與零件12(圖1)之接合，而將零件12彎曲成為凸預加應力輪廓52。凸預加應力輪廓52係在與凹翹曲輪廓50相反的方向卻具有與凹翹曲輪廓50大約相同的幅度。當零件12被固持在預加應力凸輪廓52中時，加工零件12。當零件12自固定器16釋放時，在由長波長雷射14加工期間引起的應力抵消由固定器16施加之該預加應力，導致零件16呈現一象徵性的、未翹曲輪廓，藉此抵銷該翹曲效應。

在圖1中所示之零件12之該實例中，兩個指狀物23係自 零件12之一中心部分等距間隔。另外兩個指狀物23係自零件12之該中心部分類似間隔，且沿著零件12之該長度定位。不同尺寸與形狀零件可基於該需要的凸預加應力輪廓52，使用不同數量及/或不同形狀的指狀物23。

當零件12由固定器16彎曲成為凸預加應力輪廓52時，在零件12中引起應力。在特定情況下，此等應力可超過該材料之彎曲力，零件12係經由該材料製造，在零件12之區域趨於引起高應力集中，如部件44。如圖5所示，為了防止部件44彎曲，可在固定器16上提供一加固部分60。

為了防止部件44彎曲，該固定器16之加固部分60包含一個或多個插件62，其等與固定器16直接或間接關聯。插件62具有與該等部件44之該高應力幾何構件之一非常精確配合。插件62係放置在部件44中，且該插件62關於部件44之精確配合導致由固定器16在零件12中引起的該應力在部件44附近之零件12內被重新分配，藉此減少由部件44引起之該應力集中之幅度。以此方式，插件62限制部件44並防止部件44彎曲。

雖然插件62已被描述為提供在固定器16之加固部分60上，且因此，與固定器16直接地或間接地關聯，但應瞭解此非提供插件62之唯一方式。確切言之，插件62可以任何適於限制部件44並防止部件44彎曲的方式提供。因此，對於插件62，足以以任何合適方式關於部件44裝配。

另一選擇為，為了確保及或提高加固部件44所需之該精確配合，固定器16之加固部分60'可具有一個或多個可擴張插件72。如圖6至圖7所示，且類似於圖5之插件62，可擴張插件72企圖提供與部件44之該高應力幾何構件之一非常精確的配合且放置在部件44中以減少該應力集中之幅度，因此，限制部件44並防止部件44彎曲。然而，與該固定尺寸插件62相比，可擴張插件72容許在其尺寸上的一細微變化，因此其等可擴張到具有與部件44之一非常精確配合。此適應性容許可擴張插件72達到與部件44之一精確配合而不管零件12中的製造變化，且因此，容許一更大的可接受的設計公差範圍。

為了擴張及調整可擴張插件72，每一可擴張插件72可以具有一擴張插槽74之一錐形六面體的形式提供。擴張插槽74自該可擴張插件72之一頂面76延伸至一相對的底面78，亦穿過可擴張的插件72之一前表面80。一螺紋內孔82係形成在擴張插槽74內且自前表面80延伸至可擴張插件72中。一螺紋錐形部分84係形成在螺紋內孔82內，使得將一定位螺絲86推進至螺紋內孔82之錐形部分84中導致擴張插槽74擴張，藉此相互背離地移動可擴張插件72之一第一側面88及一相對的第二側面90，且與一部件44之壁面接觸。

為了對可擴張插件72提供一更大的擴張程度，一第一收縮插槽92與一第二收縮插槽94可被設置在該可擴張插件72上且與擴張插槽74大體上垂直定位。第一收縮插槽92自頂面76延伸至底面78，亦穿過第一側面88。第二收縮插槽94自頂面76延伸至底面78，亦穿過第二側面90。以此方式，第一收縮插槽92及第二收縮插槽94係經組態，使得擴張插槽74回應定位螺絲86的推進之擴張導致收縮插槽92、94之收縮。因此，第一收縮插槽92與第二收縮插槽94容許擴張插槽74之一高擴張程度，而不會導致固定器16的替代加固部分60'之一不當的變形。

應瞭解該待加工零件可具有任何所需組態且不需要限於一薄平材料片。亦應認識到具有高應力集中之該等部件可具有任何所需組態且不需要限於圖中所繪示之組態。

雖然已結合特定實施例描述本發明，但應瞭解本發明係非限於揭示的實施例，但相反的，本發明企圖涵蓋包含在附加請求項之範圍內之各種修改及等效配置，該範圍係與最廣泛的解釋一致，以便包括在法律容許下的所有此等修改及等效結構。

10‧‧‧裝置

12‧‧‧零件

14‧‧‧雷射

15‧‧‧射束

16‧‧‧固定器

17‧‧‧底座部分

18‧‧‧孔隙

19‧‧‧壓力板

20‧‧‧孔

21‧‧‧夾具

22‧‧‧鋁樣品

23‧‧‧指狀物

24‧‧‧受熱影響區域

26‧‧‧熔化區域

28‧‧‧應力區域

30‧‧‧第一部分

32‧‧‧第二部分

34‧‧‧側

40‧‧‧薄片

42‧‧‧邊緣

44‧‧‧部件

50‧‧‧凹翹曲輪廓

52‧‧‧凸預加應力輪廓

60‧‧‧加固部分

60'‧‧‧加固部分

62‧‧‧插件

72‧‧‧可擴張插件

74‧‧‧擴張插槽

76‧‧‧頂面

78‧‧‧底面

80‧‧‧前表面

82‧‧‧螺紋內孔

84‧‧‧錐形部分

86．．．定位螺絲

88．．．側面

90．．．側面

92．．．收縮插槽

94．．．收縮插槽

圖1係顯示使用一長波長雷射加工一零件之一裝置之一圖解；圖2A係使用一長波長雷射加工的一鋁樣品之一俯視圖；圖2B係圖2A中該鋁樣品之經切割及安裝用於測試的一第一部分之一俯視圖；圖2C係圖2A中該鋁樣品之經切割及安裝用於測試的一第二部分之一俯視圖；圖2D係自一俯視點獲得的該第一部分之一放大100倍的光學影像；圖2E係自一俯視點獲得的該第一部分之一放大200倍的明視場光學影像；圖2F係該第二部分之一放大50倍的明視場光學影像；圖2G係該第二部分之一放大200倍的明視場光學影像；圖2H係自一俯視點獲得的第一部分之一放大600倍的SEM顯微圖；圖2I係自一俯視點獲得的第一部分之一放大600倍的SEM顯微圖；圖3係其上設定有凹翹曲輪廓之一典型零件之一簡化透視圖；圖4係其上設定有凸預加應力輪廓之一典型零件之一簡化透視圖；圖5係具有應力集中幾何構件及具有限制插件之一加固部分的一典型零件之一簡化透視圖；圖6係具有可擴張插件的一替代加固部分之一透視圖；及圖7係根據圖6之一可擴張插件之一剖面圖。

10‧‧‧裝置

12‧‧‧零件

14‧‧‧雷射

15‧‧‧射束

16‧‧‧固定器

17‧‧‧底座部分

18‧‧‧孔隙

19‧‧‧壓力板

21‧‧‧夾具

23‧‧‧指狀物

40‧‧‧平板

42‧‧‧邊緣

44‧‧‧部件

Claims (17)

1. 一種使用一長波長雷射加工零件之製程，該製程包括：抵銷由於使用一長波長雷射加工複數個孔至一零件造成的微小應變之積累所引起的一翹曲效應，該抵銷藉由一固定器沿著一加工該零件而導致之翹曲應力的一相反方向來預加應力至該零件成一預定輪廓；及當該零件被該固定器固持在該預定輪廓中時，將該複數個孔加工至該零件。
2. 如請求項1之製程，其中該固定器包括：一底座部分；至少一自該底座部分延伸之指狀物；及數個壓力板；其中預加應力至該零件包括：將該零件之每一相對端接合至該底座部分及該壓力板之一，使得該至少一指狀物接觸該零件之一下表面並彎曲該零件成該預定輪廓；且其中加工該零件包括：從該零件之一上表面到該下表面加工數個孔隙。
3. 如請求項1或2之製程，其進一步包括：加固引起高應力集中之該零件之若干部件，以防止該等部件在該加工步驟期間彎曲，其中該部件包含複數個被加工至該零件之孔隙。
4. 如請求項1或2之製程，其進一步包括：將若干與引起高應力集中的該零件之若干部件形成一精確配合之插件放置於該等部件中，以限制該等部件並防止該等部件在該加工步驟期間彎曲。
5. 如請求項1或2之製程，其進一步包括：將可擴張插件放置於引起高應力集中之該零件之若干部件中；及擴張該等可擴張插件直到該等插件與該等部件具有一精確配合，以限制該等部件並防止該等部件在該加工步驟期間彎曲。
6. 如請求項1或2之製程，其中該零件包含一薄平鋁片。
7. 一種使用一長波長雷射加工零件之製程，其包括：決定由於使用一長波長雷射加工複數個孔至一零件造成的微小應變之積累所引起的一翹曲應力輪廓；在一預加應力輪廓中預加應力該待加工零件，該預加應力輪廓具有與該翹曲應力輪廓相反之一方向；及當該零件被固持在該預加應力輪廓中時，使用一長波長雷射加工該複數個孔至該零件，使得由微小應變之積累所引起的一翹曲效應被抵銷。
8. 如請求項7之製程，其中該固定器包括：一底座部分；至少一自該底座部分延伸之指狀物；及數個壓力板；且其中預加應力至該零件包括：將該零件之每一相對端接合至該底座部分及該等壓力板之一，使得該至少一指狀物接觸該零件之一下表面並彎曲該零件成該預加應力輪廓，從而將該預加應力輪廓中的該零件固持在一固定器中，而不彎曲該零件中的其他任何部件；且其中加工該零件包括： 當將該零件固持在該固定器中時，從該零件之一上表面到該下表面加工數個孔隙。
9. 如請求項7或8之製程，其進一步包括：加固引起高應力集中之該零件的若干部件，以防止該等部件在該加工步驟期間彎曲，其中該部件包含複數個被加工至該零件之孔隙。
10. 如請求項9之製程，其中加固該零件之部件包括：放置具有與該部件的一精確配合之數個插件。
11. 如請求項9之製程，其中加固該零件之部件包括：將可擴張插件放置於該部件中；及擴張該等可擴張插件直到該等插件與該等部件具有一精確配合。
12. 一種使用一長波長雷射加工零件之裝置，改良處包括：一固定器，其經配置以抵銷由於使用一長波長雷射加工複數個孔至一零件造成的微小應變之積累所引起的一翹曲效應，該抵銷藉由沿著因加工而導致之一翹曲應力的一相反方向來預加應力至該零件成一預加應力輪廓。
13. 如請求項12之裝置，其中該固定器包括：一底座部分；至少一自該底座部分延伸之指狀物；及數個壓力板；其中藉由將該零件之每一相對端相接合以使該至少一指狀物接觸該零件之一下表面並彎曲該零件成該預加應力輪廓，從而使該固定器沿著該翹曲應力之該相反方向上預加應力至該零件。
14. 如請求項12或13之裝置，其中該零件包含引起高應力集中之數個部件，該固定器進一步包括：一加固部分，其加固該等部件以防止該等部件彎曲。
15. 如請求項14之裝置，其中該加固部分包含具有與該零件之該等部件一精確配合之至少一插件，其限制該等部件並防止該等部件彎曲。
16. 如請求項14之裝置，其中該加固部分包含至少一可擴張插件，其係經組態以放置在該等部件中且經擴張直到該可擴張插件與該等部件具有一精確配合，以限制該等部件並防止該等部件彎曲。
17. 如請求項12或13之裝置，其中該零件包含一薄平鋁片。