借助脈沖激光射線對(duì)工件進(jìn)行去料切割的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于借助脈沖激光射線對(duì)尤其可透光工件進(jìn)行去料或去料切割 的方法。在運(yùn)類去料切割方法中，借助激光射線相繼從工件去除工件材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 在借助激光器對(duì)工件進(jìn)行切割加工時(shí)，尤其在對(duì)例如由玻璃、藍(lán)寶石或類似材料 構(gòu)成的薄基體進(jìn)行激光切割時(shí)，眾所周知，不僅在面向激光射線的工件上側(cè)面上的直接材 料去除區(qū)域中出現(xiàn)損傷，而且通常也與此隔開(kāi)間距地在工件材料內(nèi)部中或者在工件下側(cè)面 上形成所謂的副加工區(qū)，在所述副加工區(qū)中工件材料由于激光過(guò)程而受損(局部改性，例如 烙化）。此外，形成副加工區(qū)的原因估計(jì)是在待分離的光學(xué)可透光工件材料內(nèi)部進(jìn)行激光切 割時(shí)的不希望的光學(xué)效應(yīng)，例如激光射線的反射。副加工區(qū)的構(gòu)成程度也根據(jù)工件的材料 和/或尺寸W及激光切割時(shí)的參數(shù)而發(fā)生變化。
[0003] 上述副加工區(qū)不僅在所加工的工件上形成外觀缺陷，而且對(duì)工件穩(wěn)定性也產(chǎn)生不 利影響。例如，由于副加工區(qū)而使所加工工件的機(jī)械負(fù)荷能力下降并從而尤其使該工件的 最大可承受彎曲應(yīng)力（斷裂彎曲應(yīng)力)減小。一般，損傷在離真正的切割區(qū)域越遠(yuǎn)的地方出 現(xiàn)，則損傷顯現(xiàn)得越不明顯。
[0004] 為了減小材料加工對(duì)真正加工區(qū)域的相鄰區(qū)域的影響，由EP 1 945 401 B1已知 一種用于借助激光進(jìn)行材料分離的方法，在該方法中，用激光脈沖序列照射待加工的材料 區(qū)域。在此，至少兩個(gè)在時(shí)間上彼此相繼的激光脈沖的照射區(qū)域可W在空間上在從10%到 99%的范圍內(nèi)重合。在沿著切縫切斷工件時(shí)，可W在分離過(guò)程開(kāi)始時(shí)首先施加高激光能量， 并且隨后施加減小的激光能量。
[0005] 還由EP 2 258 512 B1已知用于分解基體的方法和裝置，其中，將多個(gè)能夠使所述 基體局部烙化的脈沖指向該基體。由此在基體內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)變薄弱的區(qū)域，其中，各個(gè)激光 脈沖可在空間上重疊。隨后可W通過(guò)在所述變薄弱的區(qū)域中施加機(jī)械作用來(lái)分離(折斷)或 者切割所述基體。
[0006] 此外，US 6 552 301 B2公開(kāi)了將激光脈沖序列射到工件材料上的方法。在此，所 述激光脈沖具有很短的脈沖持續(xù)時(shí)間W及具有大于工件材料改性闊值的通量密度。
[0007] 最后，由W0 2012/006736 A2已知一種用于為分割基體做準(zhǔn)備的方法，其中，用一 個(gè)或多個(gè)激光脈沖照射該基體，從而首先在該基體中形成第一光絲。通過(guò)基體和激光射線 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在基體中在另一部位上產(chǎn)生附加的第二光絲，使得所述光絲形成一個(gè)圖樣，沿 著該圖樣分割基體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種用于對(duì)工件進(jìn)行去料切割的方法，該方法克服現(xiàn)有技 術(shù)缺點(diǎn)。尤其應(yīng)該提供一種方法，通過(guò)該方法在理想情況下完全防止或者至少減少副加工 區(qū)或者損傷區(qū)的形成。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過(guò)具有W下方法步驟的方法解決：
[0010] a)通過(guò)用脈沖激光射線沿著表面軌跡經(jīng)過(guò)工件表面來(lái)對(duì)該工件表面進(jìn)行預(yù)處理， 其中，該脈沖激光射線的彼此相繼的激光脈沖在工件表面上沿軌跡方向具有第一脈沖重 疊;并且
[0011] b)通過(guò)用脈沖激光射線沿著所述表面軌跡多次經(jīng)過(guò)工件表面來(lái)對(duì)預(yù)處理過(guò)的工 件表面進(jìn)行去料，其中，該脈沖激光射線的彼此相繼的激光脈沖在工件表面上沿軌跡方向 具有小于第一脈沖重疊的第二脈沖重疊。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)W第一方法步驟a)對(duì)工件表面進(jìn)行預(yù)處理來(lái)使表面附近的工件 區(qū)域的透射率減小，其方式例如是，借助強(qiáng)激光福射使工件表面粗糖化。即，在表面附近的 工件區(qū)域中產(chǎn)生散射中屯、，所述散射中屯、防止:在第二方法步驟b)中，具有在此時(shí)更小的路 段能量(S化eckenene巧ie)的激光福射可能侵入到位于預(yù)處理過(guò)的工件表面下方的可透光 工件材料中并且尤其可能侵入直到工件下側(cè)面，運(yùn)可能在那里導(dǎo)致工件材料的不希望的受 損或改性。在此，所述路段能量定義為激光功率除W進(jìn)給速度。尤其可W防止或減少激光切 割期間在可透光的工件材料中形成有害反射，使得在切割區(qū)域中或遠(yuǎn)離該區(qū)域的地方不出 現(xiàn)工件損傷或者僅出現(xiàn)減小的損傷。也可W防止在工件背面上形成損傷區(qū)。因此，被切割邊 沿的后加工是多余或者至少使該后加工量最小化。此外，通過(guò)本發(fā)明的方法來(lái)切割的工件 的穩(wěn)定性、尤其彎曲負(fù)荷能力提高。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的方法在一定程度上是局部預(yù)處理工件的第一方法步驟和起真正切 割工件作用的第二方法步驟組成的混合過(guò)程。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，借助具有不同脈沖 重疊的激光射線逐層地從工件表面越來(lái)越深地朝工件內(nèi)進(jìn)行去除材料。根據(jù)W下公式計(jì)算 激光參數(shù)"脈沖重疊"：
[0014]
[001引其中：?=脈沖重疊[%]，
[0016] ν =進(jìn)給速度[m/s]，
[0017] f =激光射線的脈沖頻率陽(yáng)Z]，W及 [001引 d0f =焦斑直徑[m]，
[0019] 在此，所述"脈沖重疊"從最初較高的、用于沿著之后的切割輪廓對(duì)工件進(jìn)行預(yù)處 理的值隨后被降低到低得多的、用于切割工件材料的值。為此，例如可W在從第一方法步驟 變到第二方法步驟時(shí)，在激光射線的脈沖頻率保持不變的情況下提高激光射線的進(jìn)給速 度，或者在進(jìn)給速度保持不變的情況下減小激光射線的脈沖頻率。
[0020] 待切割的工件尤其設(shè)及薄的、最大厚度為1mm的可透光基體，例如玻璃、藍(lán)寶石或 類似基體。在W第一方法步驟沿著表面軌跡對(duì)工件進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，激光射線的作用深度典 型地為10M1到20μπι。在待切割工件或者說(shuō)基體的剩余厚度上進(jìn)行將預(yù)處理過(guò)的工件表面W 第二方法步驟加深成槽(切縫）。為了產(chǎn)生脈沖激光射線，優(yōu)選使用其脈沖持續(xù)時(shí)間或者說(shuō) 脈沖寬度在皮秒范圍內(nèi)的激光器?？蒞由具有脈沖激光器的激光加工設(shè)備執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明 的方法，其中，可W借助控制程序改變上述參數(shù)(進(jìn)給速度、脈沖頻率、焦斑直徑、激光功率、 經(jīng)過(guò)次數(shù)等等）。在此優(yōu)選，在第一和第二方法步驟中使用同一個(gè)激光器產(chǎn)生激光射線。
[0021] 特別優(yōu)選，在第一和第二方法步驟中，激光脈沖分別具有相等的脈沖功率并且在 工件表面上分別具有相等的直徑。
[0022] 視待切割的工件材料及其幾何形狀而定，可能有利或者需要的是，產(chǎn)生更寬的痕 跡或者說(shuō)更寬的槽，W切斷工件。為了擴(kuò)寬預(yù)處理過(guò)的表面軌跡，可W在第一方法步驟和/ 或第二方法步驟中用脈沖激光射線在軌跡方向上在多個(gè)相互橫向錯(cuò)開(kāi)的表面軌跡中經(jīng)過(guò) 工件表面，所述表面軌跡可W在橫向上相互重疊。
[0023] 在第一方法步驟中，第一脈沖重疊優(yōu)選大于90%，尤其大于95%，而在第二方法步 驟中第二脈沖重疊小于70%，尤其小于50%。即，在激光脈沖功率相等并且工件表面上的激 光射線直徑相等的情況下，在第二方法步驟中大致僅將約第一方法中激光功率一半大小的 激光功率引入到工件中。
[0024] 優(yōu)選，在第一方法步驟中工件最多被激光射線經(jīng)過(guò)兩次，W防止過(guò)高的能量輸入 并進(jìn)而防止工件過(guò)強(qiáng)的熱負(fù)荷或熱力學(xué)負(fù)荷。
[0025] 為了切斷工件，多次重復(fù)第二方法步驟，直至工件被沿著表面軌跡完全切斷或者 直至工件可通過(guò)機(jī)械去料法、尤其通過(guò)劃刻法切斷。
[00%]在一種特別優(yōu)選的方法變型中，在工件上分別在兩側(cè)執(zhí)行第一和第二方法步驟， W從兩側(cè)產(chǎn)生槽(切縫），所述槽然后可補(bǔ)充成完整的分離切割。與單側(cè)的工件加工相比，W 該方式能夠?qū)崿F(xiàn)工件的需要更快且更少材料去除的切斷。尤其可W在工件兩側(cè)選擇比單側(cè) 加工時(shí)更小的槽寬。兩側(cè)的工件加工原則上可W同時(shí)借助兩個(gè)激光器來(lái)進(jìn)行。然而優(yōu)選首 先在一個(gè)工件側(cè)上執(zhí)行第一和第二方法步驟，然后在翻過(guò)來(lái)的另一個(gè)工件側(cè)上執(zhí)行第一和 第二方法步驟。W該方式可W僅借助唯一一個(gè)激光器在兩側(cè)對(duì)工件進(jìn)行加工。在此，為了特 別快地切斷工件，在所述一個(gè)工件側(cè)上執(zhí)行第一和第二方法步驟直至槽深為工件厚度的 50%，接著在翻轉(zhuǎn)工件后，在另一工件側(cè)上執(zhí)行第一和第二方法步驟運(yùn)么長(zhǎng)時(shí)間，直至兩個(gè) 槽補(bǔ)充成為完整的分離切割并且工件被切斷為止。
[0027] 本發(fā)明的主題的其它優(yōu)點(diǎn)和有利實(shí)施方式由說(shuō)明書、權(quán)利要求書和附圖得知。同 樣，之前提到的W及還會(huì)進(jìn)一步說(shuō)明的特征可W單獨(dú)地使用或者對(duì)于多個(gè)特征W任意組合 使用。所示出的W及所說(shuō)明的實(shí)施方式不理解為窮舉，而更確切地說(shuō)是具有用于描述本發(fā) 明的示例特征。附圖的圖很示意性地示出本發(fā)明的主題，并且不要理解為按比例尺繪制。