TWI833362B

TWI833362B - 雷射加工方法

Info

Publication number: TWI833362B
Application number: TW111135628A
Authority: TW
Inventors: 中澤睦裕
Original assignee: 日商川崎重工業股份有限公司
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2022-09-21
Publication date: 2024-02-21
Also published as: CN117858780A; KR20240033301A; JP2023045543A; TW202320958A; WO2023048109A1

Abstract

一種雷射加工方法，係具備準備步驟及加工步驟。於準備步驟中，將加工對象亦即工件(100)設定於加工位置。於加工步驟中，自加工頭(13)對設定於加工位置之工件(100)照射經穿過光掃描裝置之脈衝雷射，於工件(100)形成複數個孔。藉由使用光掃描裝置掃描脈衝雷射，周期性地重複進行以掃描速度使脈衝雷射之照射位置自初始位置依序變化至終端位置，然後返回至初始位置之動作。於加工步驟中，以與光掃描裝置之脈衝雷射之掃描相反之方向且大致相同之速度使脈衝雷射之對工件之照射位置變化，將一周期之脈衝雷射照射於工件(100)之大致相同之部位。

Description

雷射加工方法

本發明主要關於一種使用雷射對工件進行開孔加工之方法。

專利文獻1揭示一種雷射加工方法，係用以於薄板形成複數個貫通孔。於此雷射加工方法中，將薄板捲繞於圓筒形之圓筒。於圓筒上沿圓周方向形成有開口部。藉由自圓筒之內側沿著開口部朝薄板照射脈衝雷射，於薄板形成複數個貫通孔。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第6607649號公報。

專利文獻1之雷射加工方法，前提在於藉由一次之雷射照射而於工件(薄板)形成貫通孔。然而，根據工件之種類不同，為了形成貫通孔，需要對相同之部位照射複數次之雷射。於此情況下，於使加工頭及工件停止且形成貫通孔之後，使加工頭或工件移動以變更雷射之照射部位。於該方法中，由於在加工頭或工件之移動過程中產生之雷射變得多餘，因此雷射之有效照射率降低。

爰此，本發明之主要目的，在於提供一種雷射加工方法，係藉由利用雷射之有效照射率高之方法對相同之部位照射複數次之雷射以形成複數個貫通孔。

本發明所欲解決之課題誠如以上說明，以下，對用以解決該課題之手段及該手段的功效進行說明。

根據本發明之觀點，提供以下之雷射加工方法。亦即，雷射加工方法係具備準備步驟及加工步驟。於前述準備步驟中，將加工對象亦即工件設定於加工位置。於前述加工步驟中，自加工頭對設定於前述加工位置之前述工件照射經穿過光掃描裝置之脈衝雷射，於該工件形成複數個孔。藉由使用光掃描裝置掃描前述脈衝雷射，周期性地重複進行以掃描速度使前述脈衝雷射之照射位置自初始位置依序變化至終端位置，然後返回至前述初始位置之動作。於前述加工步驟中，藉由以前述脈衝雷射之相對於前述工件之相對位置於照射一周期之前述脈衝雷射之期間不變化之方式，以與光掃描裝置之脈衝雷射之掃描相反之方向且大致相同之速度使前述脈衝雷射之對前述工件之照射位置變化，將一周期之前述脈衝雷射照射於前述工件之大致相同之部位。

藉此，對工件之大致相同之部位照射一周期之脈衝雷射。因此，與使加工頭及工件停止而於工件形成孔之方法比較，可提高雷射之有效照射率。

根據本發明，藉由雷射之有效照射率高之方法，可於相同之部位複數次地照射雷射，以形成複數個貫通孔。

1:雷射加工裝置

10:移動部

11:雷射產生器

12:支撐構件

13:加工頭

14:光掃描裝置

21:聚光構件

22:反射構件

23:電動馬達

24:旋轉台

30:透射光學系統

31:透光構件

31-1:透光構件

31-2:透光構件

35:多邊形鏡

81:旋轉軸線

100:工件

D:距離

θ1:入射角

θ2:折射角

[圖1]為第一實施形態之雷射加工裝置之立體圖。

[圖2]為光掃描裝置之第一側視圖。

[圖3]為光掃描裝置之第二側視圖。

[圖4]為顯示雷射之行進路線隨著穿過透光構件而變化之圖。

[圖5]為顯示光掃描裝置掃描雷射光之狀況之側視圖。

[圖6]為顯示藉由將雷射照射於相同之部位以進行開孔之流程之圖。

[圖7]為顯示第二實施形態之光掃描裝置之第一側視圖。

[圖8]為說明以第二實施形態之雷射加工裝置加工工件之處理之立體圖。

其次，參照圖式，對本發明之實施形態進行說明。首先，參照圖1，對雷射加工裝置1之構成進行說明。雷射加工裝置1係用以於工件100形成複數個孔。

本實施形態之工件100係作為鋰離子電池之電極使用之片狀構件。然而，工件100之形狀、材料及用途不限於此，可對需要連續地形成複數個孔(貫通孔或非貫通孔)之各種工件100使用雷射加工裝置1。

如圖1所示，雷射加工裝置1係具備移動部10、雷射產生器11、支撐構件12及加工頭13。

移動部10係進行一軸之移動之工作台。移動部10係用以載置工件100。移動部10係使載置之工件100朝工件100之長度方向移動。

雷射產生器11係用以藉由脈衝振蕩產生短時間間隔之脈衝雷射。雖然脈衝雷射之時間間隔無特別限制，但雷射產生器11係以例如奈秒級、皮秒級或飛秒級等之短時間間隔產生脈衝雷射。以下之說明中，將雷射產生器11產生之「脈衝雷射」簡稱為「雷射」。

支撐構件12係具備位於工件100上方之可動機構。於該可動機構係安裝有加工頭13。藉由省略圖示之電動馬達使可動機構動作，可使加工頭13朝工件100之寬度方向移動。此外，於支撐構件12之內部係配置有複數個光學零件(反射鏡或稜鏡等)，這些光學零件係用以將雷射產生器11產生之雷射光導引至加工頭13。也可使用光纖將雷射自雷射產生器11導引至加工頭13，以取代使用複數個光學零件之構成。

加工頭13係將由雷射產生器11產生且穿過支撐構件12內之雷射照射於工件100。如圖1所示，加工頭13可以鉛垂方向作為旋轉中心進行旋轉。

加工頭13係於使工件100停止之狀態下，一邊自工件100之寬度方向之第一端朝第二端移動，一邊朝工件100照射雷射。藉此，於工件100連續地形成貫通孔。

加工頭13於將貫通孔形成至工件100之寬度方向之第二端之後，係以鉛垂方向作為旋轉中心使方向變化180度(反轉)。於使加工頭13之方向反轉之期間，移動部10朝工件100之長度方向移動既定量(具體而言，相當於貫通孔之間隔之長度)而停止。然後，加工頭13係一邊自工件100之寬度方向之第二端朝第一端移動，一邊於工件100形成貫通孔。藉由重複以上之處理，雷射加工裝置1於工件100形成複數個貫通孔。

加工頭13之移動方向不限於工件100之寬度方向，也可為工件100之長度方向。此外，加工頭13也可以可進行二軸之移動(寬度方向之移動及長度方向之移動)之方式構成。於此情況下，也可省略移動部10。反之，移動部10也可以可進行二軸之移動之方式構成，也可省略使加工頭13移動之可動機構。

於加工頭13之內部係配置有光掃描裝置14。雷射產生器11產生之雷射係藉由光掃描裝置14掃描後被照射於工件100。如圖2及圖3所示，光掃描裝置14係具備聚光構件21、反射構件22、電動馬達23、旋轉台24及透射光學系統30。

聚光構件21係用以將雷射聚光之聚光透鏡。聚光構件21不限於聚光透鏡，例如也可為拋物面鏡。反射構件22係反射雷射之反射鏡或稜鏡。反射構件22係藉由反射由聚光構件21聚光後之雷射，而使雷射之行進方向變化。藉由反射構件22反射後之雷射，係朝向透射光學系統30。關於自雷射產生器11至反射構件22之構成之詳細說明，在此省略說明。

電動馬達23係用以產生旋轉驅動力。電動馬達23產生之旋轉驅動力被傳遞至旋轉台24。藉此，旋轉台24係以旋轉軸線81作為中心進行旋轉。再者，聚光構件21及反射構件22可相對於旋轉台24相對旋轉，且即使旋轉台24旋轉，聚光構件21及反射構件22也不旋轉。

於旋轉台24係設置有透射光學系統30。藉由旋轉台24之旋轉，透射光學系統30也與旋轉台24一體地旋轉。透射光學系統30係由使雷射透射之複數個透光構件31構成。透光構件31係恆定厚度之板狀構件，且以成為多邊形(於本實施形態中為正十八邊形)之方式排列配置。

藉由使雷射穿過透光構件31而使雷射之行進路線變化(偏移)。雷射加工裝置1係利用該原理掃描雷射。

以下，參照圖4，對雷射之行進路線變化之原理進行說明。透光構件31係具有供雷射入射之入射面及供雷射出射之出射面。透光構件31之入射面係與出射面平行。此外，於透光構件31之入射面及反射面與雷射正交之情況下，雷射之行進路線不變，於透光構件31之入射面及反射面不與雷射正交之情況下，雷射之行進路線變化。

若雷射入射於透光構件31，則雷射被折射。具體而言，折射角θ2與入射角θ1為不同之值。入射角θ1與折射角θ2之關係取決於大氣中之折射率與透光構件31之折射率之比率。此外，於雷射自透光構件31朝外側出射時，雷射也折射。由於透光構件31之入射面係與出射面平行，因此入射於透光構件31之雷射之方向係與自透光構件31出射之雷射之方向平行。然而，入射於透光構件31之雷射之位置與自透光構件31出射之雷射之位置係相差距離D。

距離D係取決於透光構件31之相對於雷射之角度、透光構件31之厚度及大氣中之折射率與透光構件31之折射率之比率。於本實施形態中，由於透光構件31之厚度與折射率之比率係恆定，因此距離D係根據透光構件31之相對於雷射之角度而變化。

本實施形態之透光構件31係固定於旋轉台24。因此，藉由使旋轉台24旋轉，可使透光構件31旋轉。於雷射穿過透光構件31之情況下，如圖5所示，透光構件31之相對於雷射之角度係根據透光構件31(透射光學系統30)之旋轉相位而變化。其結果，根據前述原理，前述距離D係根據透光構件31(透射光學系統30)之旋轉相位而變化。亦即，藉由一邊照射雷射一邊使透射光學系統30旋轉以掃描雷射。

以下，將掃描雷射之方向稱為「第一方向」。此外，為了區別說明複數個透光構件31，有時將鄰接之2個透光構件31稱為透光構件31-1及透光構件31-2。於雷射穿過一個透光構件31(例如圖5所示之透光構件31-1)之期間，雷射自「初始位置」被掃描至「終端位置」。然後，由於將供雷射穿過之透光構件31切換為下一個透光構件31(例如圖5所示之透光構件31-2)，因此雷射之照射位置係再次返回至「初始位置」。

接著，對雷射自初始位置變化至終端位置之速度(掃描速度)為大致等速之情況進行說明。於將入射角θ1之時間變化(入射角θ1之變化速度)設為ω，且將θ1之初始值設為零之情況下，T秒後之入射角θ1為ωT。若使用ωT及透光構件31之折射率即n記述D，則成為式(1)。式(1)係根據斯奈爾定律及平面圖形之公式導出之公知之數式。

式(1)D=tcosωT×(tanωT-tan(sin^-1(1/n×sinωT))

於圖4中，雖然為了容易理解地對D進行說明，將θ1較實際值增大進行了記載，但實際之入射角θ1為0度以上且10度以下。亦即，由於θ1充分小，因此sinθ=tanθ=θ，cosθ=1之近似式成立。若使用該近似式對式(1)進行轉換，則成為式(2)。然後，若使用sin^-1x=x之近似式進一步對式(2)進行轉換，則成為式 (3)。於本實施形態中，ω係恆定值，n也為物性值，因此為常數。藉此，D為T之初級函數。由於掃描速度係D之時間變化，因此掃描速度係大致等速。

式(2)D=t×(ωT-sin^-1(1/n×ωT))

式(3)D=t×ωT×(1-1/n)

接著，參照圖6，對將雷射複數次照射於相同之部位之方法進行說明。圖6中的(a)係顯示藉由穿過透光構件31-1之雷射進行之第一加工位置之開孔；圖6中的(b)係顯示藉由穿過透光構件31-2之雷射進行之第二加工位置之開孔。

於照射雷射之前，進行將工件100設定於加工位置之準備步驟。加工位置係指於加工工件100時對工件100進行設定之位置。於本實施形態中，移動部10相當於加工位置。此外，對工件100進行設定，係指以可對工件100進行加工之方式對工件100進行載置或固定之作業。

接著，進行加工步驟，於該加工步驟中使用雷射加工裝置1於工件100形成孔。如上述，經穿過光掃描裝置14之雷射之掃描速度係大致等速。因此，如圖6所示，由於藉由使加工頭13以與雷射之掃描速度大致等速且相反之方向移動，雷射之掃描係藉由加工頭13之移動而被抵消，因此雷射連續地照射於工件100之大致相同之部位。換言之，大致相同之部位係實質上相同之部位，包含微小之偏差。於雷射光穿過既定之透光構件31(透光構件31-1)之期間，雷射係照射於大致相同之部位(第一加工位置)。藉此，即使對於難以藉由一次之雷射照射形成孔之工件100，也可藉由複數次照射雷射而形成孔。再者，於本實施形態中，藉由使加工頭13相對於工件100移動，而使脈衝雷射之相對於工件100之相對位置變化。也可取代此，藉由使工件100相對於加工頭13移動，而使脈衝雷射之相對於工件100之相對位置變化。

然後，於雷射自穿過透光構件31-1之狀態切換為穿過透光構件31-2之狀態之時刻，雷射之照射位置變化(自終端位置切換為初始位置)。藉此，雷射係連續地照射於下一個加工位置(第二加工位置)。

藉此，無需停止加工頭13而可於工件100連續地形成孔。如上述，雷射加工裝置1係一邊使加工頭13自工件100之寬度方向之第一端朝第二端移動一邊進行加工，然後使加工頭13之方向反轉。藉由使加工頭13之方向反轉，光掃描裝置14之方向反轉，雷射之掃描速度之方向也反轉。然後，一邊使加工頭13以大致等速自工件100之寬度方向之第二端朝第一端移動一邊進行加工。

藉由使加工頭13之方向反轉，可使加工頭13之移動方向與雷射掃描速度之方向相反。因此，即使於自工件100之寬度方向之第二端朝向第一端時，也可於大致相同之部位複數次地照射雷射，於工件100形成孔。

於本實施形態中，於自工件100之寬度方向之第一端到達第二端之期間不需要停止加工頭13。藉此，與每次形成孔時進行加工頭之停止及移動之方法比較，可提高雷射之有效照射率。

接著，參照圖7及圖8，對第二實施形態之雷射加工裝置1進行說明。於圖7中，加工始點為以多邊形鏡之各反射面最初反射之雷射之加工位置；加工終點為以多邊形鏡之各反射面最後反射之雷射之加工位置。於圖8中，工件 100中用兩點鏈線所圍起的部分為顯示藉由以多邊形鏡之一個反射面反射之雷射形成之孔。

於第二實施形態中，加工頭13係具備光掃描裝置14及多邊形鏡35。並且，經穿過光掃描裝置14之雷射係被朝水平方向照射，且藉由多邊形鏡35朝下方反射後，照射於工件100。多邊形鏡35為多邊形，於與多邊形之邊對應之部分係配置有反射鏡(反射面)。多邊形鏡35，係構成為可以與透光構件31之旋轉中心平行之旋轉軸作為旋轉中心進行旋轉。藉由多邊形鏡35旋轉，反射雷射之反射面以既定周期進行切換。

於第一實施形態中，藉由使加工頭13以與光掃描裝置14之掃描相反之方向且相同之速度移動，於大致相同之部位照射一周期之雷射。與此相對，於第二實施形態中，藉由使用多邊形鏡35以與光掃描裝置14之掃描相反之方向且相同之速度掃描雷射，於大致相同之部位照射一周期之雷射。亦即，如圖7所示，當將光掃描裝置14之工件100上之掃描速度設為速度V1，將多邊形鏡35之工件100上之掃描速度設為速度V2時，V1=-V2成立。速度V1及V2之測量，例如可藉由使光掃描裝置14之雷射掃描及多邊形鏡35之旋轉中之一者停止而執行。

於以多邊形鏡35之一個反射面反射雷射之期間，反射面之相對於雷射之角度係隨著多邊形鏡35旋轉而逐漸變化。其結果，雷射之行進方向係逐漸變化。換言之，藉由多邊形鏡35掃描雷射。例如，於多邊形鏡35為十六邊形之情況下，1面之中心角為22.5度，掃描角度為45度。其中，由於cos22.5°=0.923而近似於1，因此多邊形鏡35之雷射掃描係大致等速。此外，多邊形鏡35之邊數不限於十六條。若多邊形鏡35之邊數為十六以上，則多邊形鏡35之雷射掃描係大致等速。

透射光學系統30及多邊形鏡35之旋轉方向，係以光掃描裝置14掃描雷射之方向與多邊形鏡35掃描雷射之方向相反之方式確定。具體而言，透射光學系統30之旋轉方向係與多邊形鏡35之旋轉方向相反。此外，透射光學系統30及多邊形鏡35之旋轉速度係以藉由光掃描裝置14之掃描對工件100掃描雷射之速度與藉由多邊形鏡35之掃描對工件100掃描雷射之速度大致相同之方式確定。藉此，由於光掃描裝置14之雷射掃描與多邊形鏡35之雷射掃描相互抵消，因此於雷射穿過一個透光構件31之期間，雷射被照射於工件100之大致相同之部位。

此外，藉由切換供雷射穿過之透光構件31，如第一實施形態中所示，雷射之照射位置係自終端位置返回至初始位置。其結果，照射於工件100之雷射之位置也變化。藉此，於藉由多邊形鏡35之一個反射面反射雷射之期間，每次切換供雷射穿過之透光構件31，則雷射之照射位置係於第一方向變化。於第二實施形態中，以此方式於第一方向掃描雷射。然後，藉由切換反射雷射之多邊形鏡35之反射面，雷射之照射位置係自第一方向之加工終點(圖7)返回至加工起點(圖7)。

第二實施形態之加工頭13係朝與圖7之紙面正交之方向移動。亦即於第二實施形態中，加工頭13之移動方向係與第一方向(掃描光之方向)正交。藉此，如圖8所示，只需將加工頭13自工件100之第一端移動至第二端，即可於2個方向(加工頭13之移動方向及光掃描方向)形成孔。然後，於加工頭13到達工件 100之第二端之後，使工件100沿光掃描方向移動。較佳為該移動量係與加工頭13掃描光之長度相同。然後，使加工頭13自第二端朝第一端移動。此時，不需要使加工頭13反轉。藉由重複該作業，可於工件100之整個表面形成孔。

如以上說明，於前述實施形態中，藉由以下所示之雷射加工方法對工件100進行開孔。第一實施形態之雷射加工方法具備準備步驟及加工步驟。於準備步驟中，將加工對象亦即工件100設定於加工位置。於加工步驟中，自自加工頭13對設定於加工位置之工件100照射經穿過光掃描裝置14之脈衝雷射，於工件100形成複數個孔。藉由使用光掃描裝置14掃描脈衝雷射，周期性地重複進行使脈衝雷射之照射位置以掃描速度自初始位置依序變化至終端位置，然後返回至初始位置之動作。於加工步驟中，藉由以脈衝雷射之相對於工件100之相對位置於照射一周期之脈衝雷射之期間不變化之方式，以與光掃描裝置之脈衝雷射之掃描相反之方向且大致相同之速度使脈衝雷射之對工件100之照射位置變化，將一周期之脈衝雷射照射於工件100之大致相同之部位。

藉此，於工件100之大致相同之部位照射一周期之脈衝雷射。藉此，與使加工頭13及工件100停止而於工件100形成孔之方法比較，可提高雷射之有效照射率。

於前述實施形態中，光掃描裝置14係具備透射光學系統30，該透射光學系統30具有使脈衝雷射穿透之複數個透光構件31。藉由透射光學系統30旋轉，切換供脈衝雷射穿過之透光構件31。於脈衝雷射穿過一個透光構件31之期間，脈衝雷射之照射位置係根據光掃描裝置14之旋轉相位，於大致恆定之掃描速度內自初始位置變化至終端位置。

藉此，可以簡單之構造實現光掃描裝置，該光掃描裝置係使脈衝雷射之照射位置自初始位置依次變化至終端位置，然後返回初始位置之構成。

於第一實施形態之加工步驟中，藉由使工件100或加工頭13以抵消光掃描裝置14之脈衝雷射之掃描之方向且與掃描速度大致相同之速度移動，於工件100之大致相同之部位照射一周期之脈衝雷射。

於第二實施形態之加工步驟中，對旋轉之多邊形鏡35照射脈衝雷射，藉由以多邊形鏡35反射之脈衝雷射於工件100形成複數個孔。於加工步驟中，藉由將以光掃描裝置14掃描脈衝雷射之方向與以多邊形鏡35掃描脈衝雷射之方向設為相反且大致相同之速度，於工件100之大致相同之部位照射一周期之脈衝雷射。

以上，對本發明之較佳實施形態進行了說明，但前述構成例如可變更如下。

使雷射朝第一方向掃描之構造係一例，也可使用前述構造以外之光掃描裝置。

前述實施形態之雷射加工裝置1，係對工件100進行2個方向(寬度方向及長度方向)之開孔。也可取代此，雷射加工裝置1也可為對工件100進行一個方向之開孔之構成。

13:加工頭

31-1:透光構件

31-2:透光構件

100:工件

Claims

一種雷射加工方法，係包含以下之步驟：準備步驟，於前述準備步驟中將加工對象亦即工件設定於加工位置；及加工步驟，於前述加工步驟中對旋轉之多邊形鏡照射經穿過光掃描裝置之脈衝雷射，藉由以前述多邊形鏡反射之前述脈衝雷射於前述工件形成複數個孔；前述光掃描裝置係具備透射光學系統，前述透射光學系統係具有使前述脈衝雷射穿透之複數個透光構件；前述雷射加工方法中，藉由前述透射光學系統旋轉，切換供前述脈衝雷射穿過之前述透光構件；周期性地重複進行：於前述脈衝雷射穿過一個前述透光構件之期間，前述脈衝雷射之照射位置，根據前述光掃描裝置之旋轉相位，於大致恆定之掃描速度內自初始位置變化至終端位置；於前述加工步驟中，藉由將以前述光掃描裝置掃描脈衝雷射之方向與以前述多邊形鏡掃描脈衝雷射之方向設為相反之方向且大致相同之速度，將一周期之前述脈衝雷射照射於前述工件之大致相同之部位。