專利名稱：切割材料的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用固體激光器切割材料，尤其是可磁化材料的方法及裝置。
自六十年代首次建成用于工業(yè)的激光裝置以來，設計、實驗并成功地使用了許多以紅寶石或尤其以NdiYAG棒為激光介質的固體激光器。在制造微電子的、尤其是鐘表的微小元件中激光裝置一般用于焊接及打孔。一般用化學氣體激光器，尤其是CO2激光器，切割及加工大的另件，這點本發(fā)明不予以討論。
我們知道，固體激光器有許多不同工作方式，比如其中有脈沖工作方式以及在所說CW工作方式下的所謂調Q激光器。在這種情況下，激光腔內的反射狀況周期性變化，因此，雖然從燈發(fā)出的激光能量從不間斷，但激光輻射卻以脈沖方式而不是連續(xù)方式發(fā)射。如用轉鏡尤其是聲光盒等不同方法可使腔的Q因子發(fā)生周期性的變化，請參閱基本文章“高重復頻率調QNdiYAG激光器的實驗及理論研究”IEEE文集，第58，第12期，1970年12月。這種調Q激光器一般用于理論研究或產生所謂巨脈沖。
在把鐘表另件或微電子元件加工成一定形狀，尤其是在鐘表鉆石或在微形馬達轉子磁鐵上打孔時，比如對鐘表也一樣，切割輪廓的質量或者孔的圓度或精度明顯不夠好是一很大缺點。為了在鐘表鉆石或磁環(huán)上打出尺寸很精確的孔，必須用金屬絲拋光和擴孔，這種作法很費時間。從這點出發(fā)，本發(fā)明的第一個目的是提供一種切割材料的方法及裝置，尤其是打孔的方法及裝置，其中不再需要精加工。當在可磁化材料上打孔時，要當心不要因熱作用使其性能遭受破壞。因此，根據實施例的例子，本發(fā)明的第二個目的是用可保持材料的磁化能力的方法在可磁化材料上打孔。
本發(fā)明的方法是這樣實現的，即使用頻率大于1KHz的脈沖激光器，按所需的路徑切割所述材料，把此路徑線度短的重疊孔并列起來，重復地通過所述路徑以使各所述孔之間的邊緣光滑，實現本發(fā)明方法的裝置包括一個有聲光Q開關盒的連續(xù)波NdiYAG激光器，一個光學處理系統(tǒng)以及使所述激光束相對于所述材料位移的裝置。
下面參照實施例的附圖較詳細地說明本發(fā)明。


圖1示意表示本發(fā)明的激光裝置的實施例。
圖2表示適用于一定加工種類的脈沖形狀;
圖3表示光學處理系統(tǒng)的第一個實例;
圖4示意放大表示打孔過程;
圖5表示用圖1到圖3的裝置加工的最終產品。
圖6示意表示加工圖5產品的方法的生產步驟;
圖7表示光學系統(tǒng)處理的另一實施例。
在圖1中，由1表示的方框中有一個連續(xù)波NdiYAG激光器，其腔內有一個使激光器的Q因子周期變化的聲光盒。換句話說，它是一臺人們熟知的連續(xù)波調Q激光器，其元件可從市場上買到，或者用已知技術制造。在目前的情況，如圖4到圖6所示切割成形或應用中，按照圖2的圖形調整激光腔的Q因子。用輸出功率約為650瓦的氪燈泵浦NdiYAG棒。將圖2b的射頻信號加到聲光Q開關回路上，其重復頻率f＝ 1/(T) 在2500Hz到3500Hz之間。如果使用如釤-鈷合金可磁化材料，發(fā)現較長的冷卻時間有益于不讓溫度超過居里點。在本例中選取了T∶T1的比值為300∶1，這就是說，每隔300微秒讓聲光盒打開1微秒。當然，該比值T∶T1是可調節(jié)的，比如在250∶1到350∶1之間可調。作為時間t的函數的反轉密度Ni的變化示于圖2a，圖2c示意表示激光器的輸出功率。激光脈沖的平均寬度T約為100納秒，輸出功率約為1MW。這些窄脈沖可使材料快速蒸發(fā)而不致使周圍部分變熱。
為了能在材料上加工出一定的形狀，特別是圓孔，需要在激光束和待加工工件之間有相對運動，例如為了加工圓孔，可讓工件相對于在工作臺上的激光束作偏心轉動，或者可以想像用如圖1所示的偏轉鏡或棱鏡或光偏轉器3使激光束發(fā)生偏轉(偏移)。為了產生其它平移，一般使用在兩個座標方向上受到控制的在平臺內可移動的工作臺。當然也可把偏轉鏡、光偏轉器及作標工作臺的運動組合在一起，以及使用附加的光偏轉器。
在打直徑例如為300um的孔的本實施例中，研制了一種如圖3所示的光學處理系統(tǒng)，參照圖3予以詳細說明。因為光學處理系統(tǒng)3用于在工件4上打孔(該工件在本例中為由釤-鈷合金制成的小片)，所以該系統(tǒng)基本上呈圓柱形，即設計成旋轉對稱的。由若干透鏡組成的，聚焦合適的光學系統(tǒng)5被安裝在可轉動的支架6中，用兩個軸承7，8把支架6固定在板9上，板9屬于工作臺或工作桌或類似裝置，并且它可相對于工件4的支架10旋轉。馬達11經齒輪12和13使支架6以例如每秒20轉的高速轉動。在支架6里，聚焦光學系統(tǒng)5的上方有一個照像機光楔14，它使激光束LB產生平移，如圖3所示。通過讓聚焦光學系統(tǒng)5的焦點F相對激光束的軸LB平移等于待加工孔直徑一半的距離，如150um，使光學系統(tǒng)5的光軸OA與位移后的光束同心。由于聚焦光學系統(tǒng)的光軸一與位移后的光束同心(當然是精確的同心)，所以可以獲得精確的圓孔。
圖4示意地表示在工件4上打孔35的過程。以使各個孔之間的斷面平滑的方式加工出彼此重疊的各個孔34，并可得到質量如此之高的孔35，以致于無需再用以前的打孔法中所需的擴孔工藝，就可把該可磁化片直接安裝到轉子軸36上并焊在其上。在本例中，各個孔的直徑大約等于最終孔徑的四分之一。當然，一方面可以通過選擇聚焦光學系統(tǒng)的聚焦，另一方面可以通過選擇光楔的設計來改變和調整這個值。
在一個例子中，釤-鈷合金片的直徑為1.25mm，厚度為0.5mm，孔的直徑為0.3mm，而這些片的外徑無關緊要。盡管應用范圍無限制，但實際使用范圍是孔的直徑大于0.08mm，厚度為0.2到2mm。如上所述，光學系統(tǒng)的轉速為每秒10到30轉，Q開關系統(tǒng)的頻率定為2500Hz以上，因為這種材料要較長冷卻時間，聲光盒以1∶250到1∶350的比打開。如果用其它材料，可以改變發(fā)光與不發(fā)光的時間比，同時如果使用不同數值，就要根據這些數值得出Q開關盒的開關頻率及光學支架的轉速。
馬達16例如安裝在支架上方的光學處理系統(tǒng)15上是另一個實施例，示于圖7?？赊D動支架17包括一個與馬達16的驅動齒輪19相嚙合的齒輪18，該支架內安裝著聚焦光學系統(tǒng)20，20的光軸與激光束的軸LB相一致。在聚焦光學系統(tǒng)20的下面有一個固定在可動支架22里的偏轉板21。把支架22的一端鉸接在軸23上，另一端與球24相連，球24裝在固定在支架17上的調節(jié)螺釘25上。用調節(jié)螺釘25，可以調節(jié)可動支架的傾斜度，相應地調節(jié)偏轉板21的傾斜度亦即可以調節(jié)聚焦光學系統(tǒng)的焦點F1相對于激光束的光軸LB及工件4的軸的偏移。這個光學系統(tǒng)可以加工精密的圓孔，其質量也取決于支架17的同心度。
從圖3或圖7可以看出，象打孔或焊接裝置中通常的那樣，提供不可轉動的光學聚焦系統(tǒng)，以及使工件和固定工件的支架相對于固定的或可調節(jié)的激光束的光軸LB偏心地旋轉，在光學上是等同的。對于某種特定應用，即可以安裝可轉動的光學系統(tǒng)又可以安裝可轉動的工件支架。按照另外的設計，可以使偏轉鏡2是可移動的，其方式使激光束以及光學焦點沿圓形路徑移動。然而，這表示激光束通過聚焦系統(tǒng)的不同部分，從而可能損害孔的質量。當然如前所述，可以選擇其它形狀如方形代替圓形路徑。這時一般要用合適的工件支架讓工件相對于光束移動。
圖5和圖6表示將小磁片4進一步加工成最終產品。圖5表示裝在齒輪26上的在三個點27處由另外的激光器把磁片4焊上的轉子齒桿36。在這個具體例子中，目的是打一個即精密又光滑的孔35以使磁片4不需再加工，尤其不需再擴孔就能裝在齒桿36的軸上并把它焊在其上。在這種情況下，不用為此加工特殊的齒桿，只要使用市場上可以買到的通常所用的小公差商品齒桿就行。
圖6示意表示一種焊接裝置，它也適合于焊接用已知技術打了孔的磁片。在位置Ⅰ，貯存容器8送來的齒桿36裝在臺子29上，然后讓轉子臺30轉過90℃。在位置Ⅱ，裝上打了孔的磁片4，該磁片即可以從貯存容器31取出，也可通過自動處理裝置或類似裝置直接從打孔裝置送入。在目前情況下，小磁片4直接從打孔裝置送來并存在貯存容器31中，在位置Ⅲ，當加工臺29轉到三個不同位置時，激光器32把該磁片焊到該齒桿上。在位置Ⅳ，把焊上磁片的齒桿卸到貯存容器33供進一步加工。顯然，加工臺及傳送裝置可以設計成各種不同形式，但它們有一共同點，即從打孔裝置送入的帶孔35的小磁片4不用任何再加工就能安裝在齒桿上并焊在其上。
本方法能按預定形式直接切割除了上面所述大小的磁片以外的任何其它工件，其方式是這些工件無需諸如對邊緣拋光或擴孔到一定直徑等任何中間處理，而直接進入下一道工序進一步加工。
權利要求
1.一種利用固體激光器切割材料，尤其是在可磁化材料上打孔的方法，其中使用頻率大于1KHz的脈沖激光器，按所需路徑切割所述材料，把比所述路徑線度短的重疊孔并列起來，重復地通過所述路徑以使所述各個孔之間的邊緣光滑。
2.如權利要求1的方法，其中即可用光學偏轉系統(tǒng)或光學處理系統(tǒng)使光束偏轉，也可使工件相對于照射在可動工作臺上的所述激光束移動或者把這兩種移動結合在一起來實現工件與光束之間的相對位移。
3.如權利要求1的方法，其中使用腔內設有聲光盒的連續(xù)波激光器。
4.如權利要求1的方法，為了在可磁化材料上打孔，其中在所述Q開關盒上加上頻率大于2500Hz的射頻信號，不發(fā)光時間與發(fā)光時間的比調整在250-350∶1以防該材料達到居里溫度。
5.如權利要求4的方法，其中使用由光學系統(tǒng)聚焦系統(tǒng)及偏轉元件構成的光學處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以轉動，并且按其焦點相對于孔中心偏心位移所需孔徑的一半距離來調節(jié)系統(tǒng)的焦點，同時，該光學處理系統(tǒng)以每秒10到30轉的轉速轉動。
6.如權利要求4的方法，為了在微型馬達轉子片上打孔，其中所述孔的加工是連續(xù)的，直到其邊緣光滑到該片無需任何用加工就能裝到轉子齒桿并焊在其上的程度為止。
7.實現權利要求4至6中任何一個的方法的裝置，為了在可磁化材料上打孔，其中所述裝置包括一個有聲光Q開關盒(1)的連續(xù)波NdiYAG激光器，一個光學處理系統(tǒng)以及使所述激光束相對于所述工件(4)位移的裝置。
8.如權利要求7的裝置，其中所述光束位移裝置包括一個光學處理系統(tǒng)(3)，該系統(tǒng)安裝在可轉動的支架(6，15)上，而該支架通過齒輪(13，17)與馬達(11，16)的齒輪相連。
9.如權利要求8的裝置，其中所述光學處理系統(tǒng)(3)有一個照象機光楔的軸與激光束的軸(LB)同心，并且以讓隨后的光學聚焦系統(tǒng)(5)的焦點(F)相對該激光束的軸(LB)位移二分之一孔徑的方法，使光楔下的光學聚焦系統(tǒng)(5)與偏轉的光束同心。
10.如權利要求8的裝置，其中所述光學處理系統(tǒng)(15)有一個置于所述聚焦系統(tǒng)(20)下面并安裝在支架(22)里的偏轉板(21)，該支架鉸接在軸(23)上并相對激光束的軸(LB)傾斜，在與軸(23)相對的支架另一端把該支架與球(24)相連，球(24)可借助調節(jié)螺釘(25)而位移，以使該支架及該偏轉板得到調節(jié)。
11.如權利要求7到9中權利要求的裝置，其中所述工件(4)裝在支架上，該支架是可轉動和可平移的。
全文摘要
一種切割材料的方法，把較小孔重疊并列，用頻率大于1KHz的脈沖激光器多次通過該路徑，使各小孔間的邊光滑。在實施例中使用帶聲光Q開關的連續(xù)激光器，Q開關盒工作在2500到3500Hz，發(fā)光/不發(fā)光間隙比為250—350∶1，以防材料達到居時溫度。實現該方法的裝置除CWNdiYAG激光器和Q開關盒外，還包括由馬達驅動，帶有照象機光楔和光學聚焦系統(tǒng)的可旋轉光學處理系統(tǒng)。可加工各種形狀零件，特別是打孔，無需任何中間加工如擴孔即可進入下道工序。
文檔編號B23K26/00GK1068766SQ91104798
公開日1993年2月10日 申請日期1991年7月17日 優(yōu)先權日1991年7月17日
發(fā)明者里納托·索尼 申請人:R·奧德馬爾公司