CN115379922A - 使用激光束进行材料加工、特别是用于激光钻孔的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使用激光束进行材料加工的组件、特别是用于激光钻孔的组件，包括用于激光束(LS)的动态偏转装置(AE)和光学组件，离开该光学组件的该激光束(LS)通过偏转装置(AE)聚焦在加工平面(W)上。光学组件沿着光轴具有第一光学***(OS1)和第二光学***(OS2)，它们设计和布置为使得激光束(LS)在第一和第二光学***之间形成居间焦点(ZF)，并且当激光束与光轴成角度并与其间隔开地进入第一光学***(OS1)时，在第二光学***(OS2)和加工平面(W)之间与光轴相交。所提出的组件包括简单且稳定的结构，通过该结构可以更有效地在工件中制造大而深的钻孔或切口。

Description

使用激光束进行材料加工、特别是用于激光钻孔的组件
技术领域
本发明涉及一种使用激光束进行材料加工的组件、特别是用于激光钻孔的组件，该组件包括用于激光束的动态偏转装置，其设计为偏转激光束到彼此垂直的两个方向上，以及光学组件，通过该组件，可以将离开偏转装置的激光束聚焦到加工平面上。
在使用短和超短激光脉冲进行激光束切割或激光钻孔的材料加工技术中，不可能通过垂直照射产生具有典型加工参数的陡壁角。烧蚀侧面的可实现的壁角通常在高达85°的范围内。这是由于当投射到倾斜的烧蚀侧面时脉冲强度降低，结果烧蚀在临界角之后停止。然而，对于许多应用来说，这是不可取的，因为例如没有垂直切割侧面可取，或者只有锥形钻孔是可能的。在深度烧蚀、切割或钻孔中，壁角的限制也会导致可实现的纵横比(烧蚀深度相对于表面直径)的限制。
背景技术
对于使用激光束进行钻孔和精密切割，可以使用特殊的光学装置，通过这些装置可以执行各种程序来排列激光束，从而可以产生圆柱形甚至负锥形钻孔。通过这些光学装置，由垂直入射光束产生的壁角通过激光束在工件上的入射得到补偿。在精密切割的情况下，光学***和工件之间的相对运动在钻孔期间启动，从而产生与钻孔直径相同宽度的切割。根据用于引导激光束的方法的功能原理，可用的光学装置可分为两组。在第一组中，光束在旋转光学元件、例如旋转棱镜、柱面透镜或光楔的帮助下被引导。第二组使用可旋转反射镜进行全光束引导，即用于偏移、入射和偏转。
激光钻孔的一个经典应用领域是在厚度通常远小于1毫米的薄箔上创建极其精确的直径约10至100μm的微孔。钻孔通常在沿钻孔壁的多道次切削过程中进行，因此不会发生完全烧蚀。在这种情况下，钻孔光学***通常设计为最大钻孔直径约为1毫米。对于更大的钻孔直径，必须增加可旋转光学元件的尺寸，其中偏转速度非线性地降低。
EP1188509B1公开了一种使用激光束钻孔的光学设备，其中迎角和偏转角可以彼此分开调节以限定开孔半径。该组件具有带有两个偏转镜的偏转装置，通过该偏转装置，至少一个偏转镜的光学距离可以相对于平行于光学主轴的聚焦光学器件改变。这使得激光束能够以不同的角度被引导到聚焦光学器件上，从而根据偏转镜的定位产生不同的迎角。该组件中的聚焦光学器件由聚焦透镜形成，激光束通过该聚焦透镜聚焦在加工平面上。在这种布置中，迎角不能变得大于偏转装置的偏转角。因此，只有大轮廓才能实现大迎角。
发明内容
本发明的目的在于描述一种用于使用激光束进行材料加工的组件，通过该组件可以以简单且非常便宜且稳定的结构来制造大而深的钻孔或切口，并且还能够实现相对小的钻孔具有大迎角。
该目的通过根据权利要求1的组件来解决。组件的有利变体是从属权利要求的主题，或者可以从以下描述和示例性实施例中得出。
建议的组件包括用于激光束的动态偏转装置，其设计用于将激光束偏转到彼此垂直定向的两个方向，以及位于偏转装置和加工平面之间的光学组件，离开偏转装置的激光束通过该光学组件聚焦在加工平面上。动态偏转装置可以是例如二维检流计扫描仪。当然，也可以使用其它类型的这种用于激光束的偏转装置。用于将离开偏转装置的激光束聚焦到加工平面上的光学组件沿着光学组件的光轴配备有至少两个光学***。在本文中，光学***被理解为一个或多个光束引导和/或光束整形光学元件、例如一个或多个透镜的组件。光轴表示光学组件的对称轴，进入的激光束在该对称轴上穿过光学组件而没有偏转。在建议的组件中，第一和第二光学***的设计和布置使得聚焦在加工平面上的激光束在第一和第二光学***之间形成居间焦点，并且当激光束与光轴成一定角度(非0°)并与其间隔开地进入光学***时，在第二光学***与加工平面之间与光轴相交。以与光轴成角度并与其间隔开地进入光学***是由动态偏转装置引起的，并且代表了用于在工件中产生切口或钻孔的组件的所需操作模式，其待加工的表面区域被布置在加工平面中，以这样的方式实现激光束相对于工件的表面区域的入射(与表面法线的角度>0°)。在本专利申请中，激光或激光束以与光轴成角度并与其间隔开的方式进入，以及激光束与光轴的相交以已知方式理解为意味着激光束的束轴与光轴成角度延伸并与其间隔开或与光轴相交。
在所建议的组件中，相对于光学组件的光轴的角偏移由动态偏转装置产生。因此，激光以与光轴成角度并与其间隔开的方式照射在第一光学***上，并通过第一光学***聚焦在第一和第二光学***之间的居间焦点上。激光束在居间聚焦后发散，然后由第二光学***聚焦在加工平面或工件表面上。在建议的组件中，激光束与光轴的偏移导致激光束以螺旋点(Wendelpunkt)处于加工平面或焦点上方的方式入射。以这种方式，在加工平面或工件表面上实现了适合于产生钻孔的预期陡壁角的照射方向。使用所建议的光学结构，激光束的角偏转因此被分成偏移角和入射角或照射角。仰角与从光轴的偏移量成比例，并且比例因子取决于光学结构和/或其尺寸。通过激光束在加工平面上方与相应光轴相交的螺旋点，还可以形成具有大迎角的小钻孔。
与中继***的已知用途不同，在建议的组件中，通过使用两个具有限定距离的光学***，激光照射已经聚焦在加工平面上，这样当激光束与光轴成角度并与其间隔开地进入第一光学***，它在第二光学***和加工平面之间与光轴相交。
与此相反，中继***仅将偏转平面成像到光学***之后的平面上。然后可以通过附加的聚焦光学器件实现激光辐射的聚焦，该附加的聚焦光学器件的入射光瞳位于成像的偏转平面中。这对应于由偏转装置和聚焦透镜组成的传统结构，其中光轴在聚焦光学器件和加工平面之间不相交。在这种情况下，中继***仅用于将偏转装置和聚焦光学器件在空间上彼此分离或用于在居间焦点中***空间滤光器。
待生产的钻孔直径和扫描速度由动态偏转装置的偏转和旋转速度决定。根据两个光学***之间、偏转装置与第一光学***之间、第二光学***与加工或聚焦平面之间的间距和各个光学***的选择的焦距来设置或定义比例因子和焦点直径。可以使用建议的组件通过切割或完全烧蚀来制造钻孔。因此，激光束可以通过动态偏转装置的相应致动被引导以在钻孔的轮廓上行进并且在多道次中逐层去除材料。这种钻孔的多道次切割对应于钻孔光学***中的典型方法。另一方面，也可以通过以各种扫描运动扫描钻孔的截面来执行整个钻孔表面的层烧蚀，即完全烧蚀。在这个过程中，可以通过动态偏转装置的相应致动来不同地扫描表面，例如以同心圆或螺旋运动扫描。对于这种完全烧蚀，其它扫描路径也是可能的。
使用建议的组件，可以创建直径达几毫米的正锥形、圆柱形以及负锥形钻孔。通过完全烧蚀，可以将聚焦平面推进到钻孔中，而不会在此过程中遮挡激光辐射。此外，也可以产生三维形成的钻孔，即具有非圆柱形形状的钻孔。示例是钻探漏斗的创建、沙漏形钻孔的创建或具有拉伐尔喷嘴形状的钻孔的创建。通过使用工件相对于建议组件的运动，该组件也可用于螺旋切割。此外，这还可以在微结构化时使用垂直烧蚀侧面或甚至底切来执行表面烧蚀。
在一个优选变型中，第一光学***和第二光学***均由透镜或透镜装置构成。透镜或光学***之间的间距以及它们与偏转装置和加工平面的距离可以在本文中固定地指定。在一个有利的变型中，这些间距中的一个或多个也可以通过光学***和/或偏转装置中的一个或两个上的合适的机械定位元件或位移机构来调节。
除了偏转装置和与偏转装置相邻的光学组件之外，用于光束引导和/或光束整形的其它部件也可以布置在激光束的光束路径中。因此，例如，所建议的组件可以包括位于偏转装置之前的光束路径中的伸缩镜，激光束的光束直径以及随之而来的焦点直径也可以在加工平面中调整。还可以安装用于在偏转装置之前对激光束进行预聚焦的光学装置，也可以使得能够在加工平面中调整焦点直径。在加工材料的同时，还可以通过合适的旋转光学元件旋转激光束、例如DOVE棱镜围绕其自身的纵轴旋转，正如从使用激光辐射进行螺旋钻孔的组件中已知的那样。
在另一有利的变型中，提供一个或多个合适的定位元件以使聚焦平面能够在加工期间垂直于光学组件移动或调整。聚焦平面的这种Z位移可以受到机械z轴的移动或通过沿光学组件的光轴移动第一和/或第二光学***的光学元件的影响。在建议的组件中，用于产生激光辐射的线性、圆形或统计分布的偏振的元件也可以安装在激光束的光束路径中。还可能存在使用合适的光学元件、例如λ/2波片、λ/4波片、DOVE棱镜(同步、异步)同时旋转偏振。
当使用建议的组件进行材料加工时，一个或多个加工和/或激光参数可以在加工过程中适应加工流程。在激光参数的情况下，这适用于脉冲能量、脉冲持续时间和重复率，关于加工参数，它适用于扫描几何形状、扫描速度、Z位移速度、各个加工阶段之间的Z位移和等待时间。此外，可以在处理期间以已知方式使用诸如空气、惰性气体或活性气体之类的工艺气体，例如通过使用交叉射流或同轴喷嘴，以实现改进烧蚀颗粒从与激光辐射相互作用的区域中的移除。
使用建议的方法，可以以非常便宜和稳定的结构创建大而深的钻孔或切口。建议的组件可以在许多现有的处理和结构化***中进行改装。该组件能够通过螺旋或圆形横向切割实现完全烧蚀钻孔截面或切割，每个都具有合适的仰角。在最简单的情况下，光学组件只有两个透镜，因此在光束路径中只会出现很小的损耗。由于光学组件中没有设置移动部件，因此所提出的组件具有简单、稳定且廉价的结构。可以用该组件钻出的钻孔尺寸仅受两个光学***的直径限制。对于螺旋切削，由于更大的切缝，也可以实现更大的切削深度。建议的组件可用于涡轮机制造、电子制造或半导体技术中的钻孔、例如用于精密机械、半导体技术或工具制造和飞机制造中的螺旋切割。
附图说明
在下文中，将参考其示例性实施例并结合附图再次更详细地解释所建议的组件。图中：
图1示出了所建议组件的实施例的示例。
具体实施方式
对于所建议的组件，激光束通过偏转装置经由光学组件聚焦到工件表面上，以便从所述工件表面去除材料，特别是为了在工件中形成钻孔或切口。图1是建议的组件的示例性结构的示意图。在该图示中，来自激光束源LA的准直激光辐射LS被偏转装置AE偏转到彼此垂直延伸的两个方向(X方向和Y方向)。所述偏转装置AE例如可以是二维电流计扫描仪。该图示出了偏转单元AE的反射镜之一的三个位置以及由此产生的激光辐射的光束路径。在所表示的三个位置中的两个位置中，激光辐射与光轴成角度地撞击第一光学***OS1，本示例中为聚焦透镜。在偏转装置AE的所示反射镜的中间位置，激光辐射沿光轴传播通过第一光学***OS1。在第一光学***OS1的焦距b处，实现了居间焦点ZF。然后发散的激光辐射通过第二光学***OS2聚焦在工件W上。本例中的第二光学***OS2也仅由一个聚焦透镜构成。偏转装置AE与第一光学***OS1之间、第一光学***OS1与居间焦点ZF之间、居间焦点ZF与第二光学***OS2之间以及第二光学***和工件表面W、在该示例中对应于加工平面之间的间距a、b、c和d被选择为使得激光束在撞击工件表面W之前与光轴相交。这在图的右侧部分A部分的放大图中以较大比例示出。激光束通过具有相应反射镜位置的第一光学***OS1期间形成的相对于中心线或光轴的偏移导致激光束以角度α入射并具有聚焦平面上方的螺旋点。两个光学***OS1、OS2在偏转装置AE上方映射具有虚拟偏转的虚拟点并且因此导致在有利于期望钻孔的锥度的方向上的对准。
通过用偏转装置AE对激光束LS进行相应的动态偏转，因此可以形成所需的钻孔。工件表面上的照射角度与激光束在两个光学***OS1、OS2之间相对于中心线或光轴的相应偏移量成正比。比例因子和焦点直径都可以通过改变间距a、b、c和d以及选择光学***OS1、OS2的焦距来调整。
通过以下示例性的组件尺寸设计，例如可以在由5mm厚的镍基合金制成的工件中制造直径为500μm的钻孔。在这种情况下，使用约1mJ的脉冲能量，焦点直径为40μm，脉冲持续时间<20ps，并通过螺旋进行完全烧蚀。图1中用于这种的参数选择如下：
a＝50mm
b＝500mm
c＝500mm
d＝80mm
透镜OS1焦距：500mm
透镜OS2焦距：70mm
附图标记列表
AE 偏转装置
LA 激光束源
LS 激光束
OS1 第一光学***
OS2 第二光学***
W 工件表面
ZF 居间焦点
a-d 间距

Claims (9)

1.一种使用激光束进行材料加工、特别是用于激光钻孔的组件，具有：
-用于激光束(LS)的动态偏转装置(AE)，其设计用于将所述激光束(LS)偏转到相互垂直延伸的两个方向，以及
-光学组件，通过所述光学组件将离开所述偏转装置(AE)的激光束聚焦到加工平面(W)上，
-其中，所述光学组件包括沿光学组件的光轴的第一光学***(OS1)和第二光学***(OS2)，所述第一光学***(OS1)和第二光学***(OS2)被设计和布置成使得所述激光束(LS)在第一和第二光学***(OS1、OS2)之间形成居间焦点(ZF)，当所述激光束与所述光轴成角度并与所述光轴间隔开地进入第一光学***(OS1)时，所述激光束在第二光学***(OS2)与所述加工平面(W)之间与所述光轴相交。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，
一个或多个定位元件附接到两个光学***(OS1、OS2)之一或附接到两个光学***(OS1、OS2)两者，通过所述一个或多个定位元件，两个光学***(OS1、OS2)之间的间距，和/或第一光学***(OS1)和所述偏转装置(AE)之间的间距，和/或第二光学***(OS2)和所述加工平面(W)之间的间距能够被设置或改变。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，
在所述激光束(LS)的光束路径中设置有位于所述偏转装置(AE)之前的伸缩镜，通过所述伸缩镜能够改变所述激光束(LS)的光束直径。
4.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，
用于预聚焦所述激光束(LS)的光学装置在所述激光束(LS)的光束路径中设置在所述光学组件或偏转装置(AE)之前。
5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，
用于预聚焦的光学装置设计为使其能够对所述激光束(LS)进行可变的预聚焦。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的组件，其特征在于，
所述光学组件包括一个或多个定位元件，通过所述一个或多个定位元件，所述激光束(LS)的聚焦平面能够在材料加工期间沿着所述光学组件的光轴移动。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于，
所述光学组件包括用于影响偏振的至少一个元件，通过所述至少一个元件能够设置有利于材料加工的偏振。
8.一种根据前述权利要求中的一项或多项所述的组件用于通过分层完全烧蚀来形成钻孔的用途，其中，激光束经过整个钻孔截面。
9.一种根据前述权利要求中的一项或多项所述的组件用于通过利用激光束通过螺旋或圆形切割切出钻孔轮廓来形成钻孔的用途。
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