使用超短脈衝雷射束的雷射加工方法
2023-04-29 10:16:06
專利名稱：使用超短脈衝雷射束的雷射加工方法
技術領域：
本發明涉及一種使用超短脈衝雷射束的雷射加工法。
背景技術：
近幾年，在雷射工業中具有對能夠以高精度精密加工工件的雷射加工技術的需求。具體來說，使用短脈衝雷射束的精密加工正在引起公眾的注意。
各種需要此種精密加工的應用也正在增加。比如，其中一種應用就是用在噴墨頭中的噴嘴板。隨著目前列印速度的提高，噴墨印表機的圖像質量的改善，噴嘴板的管嘴被縮小，需要高性能雷射加工技術來生產高精度的微小噴嘴。
在微加工過程中，因為即使是加工精度的微小降低也會導致產品質量的顯著下降，所以迫切需要提高加工精度。然而，傳統的雷射加工是一個熱加工過程，被加工工件的加工部分被熔化，這樣就很難獲得想要的精度和形狀。
考慮到這一點，本發明的發明人對在相對低頻的情況下具有短脈衝寬度和高強度的雷射脈衝的使用進行研究。結果，我們實現了一種使用超短脈衝雷射束的加工工藝作為高精度雷射加工技術，該雷射束的振動脈衝寬度約為0.1ps到100ps。使用此種超短脈衝雷射束的加工過程是冷加工過程，這樣就能避免與熱加工相關的上述問題。
然而，我們通過使用超短脈衝雷射束來對實際工件進行加工發現，僅僅通過減少振動脈衝的寬度，工件表面將會粗糙並出現微米量級的不規則的突起。這種不規則表面和粗糙表面是不利的，因為它們降低了工件的質量。
具體來說，在噴墨頭噴嘴板的噴嘴中出現的這種不規則表面或粗糙表面將堵塞墨水向噴嘴出口的流動。這樣，在某些情況下，造成了墨水流動的不良擾動，因此使墨水釋放方向發生偏離，或改變了預設的墨水釋放速度。這樣就會造成噴墨頭噴嘴釋放的墨滴落點的偏差，以及列印位置的偏差等，導致了列印缺陷等問題。因此，只是應用超短脈衝雷射束會導致列印質量降低這樣的問題。
發明內容
本發明的一個目的是用超短脈衝雷射束減小工件的表面不規則度或表面粗糙度，來實現高質量的雷射加工。
本發明的一種雷射加工方法是這樣一種雷射加工方法，其包括用超短脈衝雷射束加工金屬工件的步驟，其中施加在工件的被加工面上的能量是300mJ/cm2或更大。
這樣，被加工部分只有很少部分融化，並且被加工的部分瞬間蒸發，這樣就減小了工件的表面粗糙度或表面不規則度。
優選地，工件包含有氧化物，該氧化物是氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；並且施加在工件被加工表面的能量是400mJ/cm2或更大。
優選地，氣體以15pis或更大的吹氣壓力被吹到加工工件上。
優選地，工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；並且工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的數目是20或更少。
優選地，工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；施加在工件的加工表面的能量是400mJ/cm2或更大；並且氣體以15psi或更大的吹氣壓力吹到工件的加工表面。
優選地，工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；施加在工件的加工表面的能量是300mJ/cm2或更大；並且工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的數目是20或更少。
優選地，工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的數目是20或更少；並且氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到工件加工表面。
優選地，工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；施加在工件加工表面的能量是300mJ/cm2或更多；工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的數目是20或更少；並且氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到工件加工表面。
本發明的另一種雷射加工方法是這樣一種雷射加工方法，其包括用超短脈衝雷射束來加工工件的步驟，其中，工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；施加在工件加工表面的能量是400mJ/cm2或更多。
這樣，可以減小工件加工表面的粗糙度和不規則度。
並且氣體優選地以15psi或更大的除氣壓力被吹到工件加工表面。
優選地，工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種，工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的數目是20或更少。
優選地，工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的數目是20或更少；並且氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到工件加工表面。
本發明的另外一個加工方法是這樣一種雷射加工方法，其包括使用超短脈衝雷射束加工金屬工件的步驟，其中氣體以15psi或更大的吹氣壓力吹到工件的加工表面上。
這樣，可以減小加工表面的粗糙度或不規則度。
優選地，工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的數目是20或更少。
本發明的另外一個加工方法是這樣一種雷射加工方法，其包括使用超短脈衝雷射束加工工件的步驟，其中工件包含氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；工件的任意截面上每1000mm2上暴露氧化物的位置的數目是20或更少。
這樣，可以減小工件加工表面的表面粗糙度或表面不規則度。
工件可以是噴墨頭的噴嘴板。
這樣，可以減小噴嘴板的噴嘴表面的表面粗糙度和表面不規則度，可以得到高質量的噴嘴板。
優選地，超短脈衝雷射束的脈衝寬度為0.1ps到100ps。
這樣，工件的融化被克服，可以進行有效的冷加工。
如果脈衝寬度是4ps或更大，在雷射加工裝置中應用的全息圖(hologram)的限制被減少。因此，超短脈衝雷射束的脈衝寬度較優選的為4ps或更大，並且更優選的是10到20ps。
圖1是表示噴墨頭一部分的剖面圖。
圖2是表示噴嘴板一部分的剖面圖。
圖3是表示雷射加工裝置的構造。
圖4是被加工的噴嘴板一部分的放大透視圖。
圖5是表示加工能量和表面粗糙度最大值之間關係的曲線圖。
圖6是表示加工能量和突起數之間的關係的曲線圖。
圖7是表示在提供吹入氣體的情況下進行的雷射加工過程的示意圖。
圖8是表示吹入的氣體壓力和表面粗糙度最大值之間關係的曲線圖。
圖9是表示暴露在噴嘴板上的氧化物微粒的示圖。
圖10是表示氧化物數和突起數之間關係的曲線圖。
具體實施例方式
下面將根據附圖對本發明的一個實施例進行說明。
在本實施例中，本發明的一種雷射加工方法被用來加工噴墨頭上噴嘴板的噴嘴。
如圖1所示，噴墨頭1包括層壓在一起的一個噴嘴板8，一個通過將多層不鏽鋼板層壓獲得的噴頭本體4，一個光感玻璃製成的壓力室形成板(pressure chamber forming plate)3，和一個壓電執行元件2。噴嘴板8包括一個噴嘴9，儘管沒有表示在圖1中，噴嘴板8包括了多個垂直於圖1的紙面方向排列的噴嘴9。
在噴墨頭內提供有多個通過墨水通道7與各個噴嘴9連通的壓力室6，和一個與壓力室6相通的普通墨水壓力室5。
如圖2所示，噴嘴9的上部分呈錐形，其內徑沿著向上的方向而增大，在下部為具有恆定內徑的通孔。儘管噴嘴板8的形狀和噴嘴9不局限於任何具體形狀，作為例子，在適於使用的噴嘴板8和噴嘴9中，噴嘴板8的厚度L1為50μm，具有恆定內徑的通孔的長度L2為10μm，通孔的內徑d1為20μm，錐形部分的最大內徑是85μm，並且錐角φ為80°。
圖3表示使用超短脈衝雷射束的雷射加工裝置10的結構。雷射加工裝置10包括用於輸出脈衝寬度至少為0.1到100ps(皮秒)超短脈衝雷射束的超短脈衝雷射器11，一個光閘12，一個衰減器13，一個第一反射鏡14，一個射束放大器15，一個PZT掃描鏡16，一個衍射光柵DOE17，和一個遠心鏡18。這些元件按照這樣的順序排列。包括了相板21和偏光鏡22的衰減器13的用來調整雷射束20的強度，該雷射束由超短脈衝雷射器11發射出來。這樣，雷射加工裝置10就構造成形，以便調整加工能量。
工件19按照下面描述的方法用雷射加工裝置10進行加工。從超短脈衝雷射器11發射出的雷射束20通過光閘12，隨後通過衰減器13。雷射束20穿過了衰減器13，被第一發射鏡14反射並通過雷射束放大器15放大到合適的倍數來形成平行光束。然後，該平行雷射束20被PZT掃描鏡16反射並穿過DOE17。該雷射束20被DOE17衍射成為多個雷射束。
衍射束通過遠心鏡18被會聚來垂直到達被加工工件19的表面，因此加工工件19。在加工工件19被加工時，可以通過移動掃描鏡16使雷射束相對於工件19移動。因此，加工位置可以通過移動掃描鏡16來按需要進行調整，從而可以將工件19加工為需要的形狀。
如上所述，利用本雷射加工裝置10，雷射束20的強度可以用衰減器13來進行調整。在本實施例中，在加工實際的工件19之前，在工件19上安置一個功率表，並且根據功率表的測量結果來調整能量的水平。
接下來說明加工作為工件19的噴嘴板8並在其中形成噴嘴9的加工方法。
在本加工方法中，執行一個通過用雷射束20來掃描噴嘴板8上表面的研磨過程來將噴嘴板8的一部分從上表面剝離。雷射束20的掃描運動通過擺動掃描鏡16來完成。
具體來講，被雷射束20照射的位置23以噴嘴9為圓心做圓周運動，如圖4所示。重複雷射束20的環形掃描，以便形成以噴嘴9為圓心的半徑連續增大或縮小的圓環。隨著加工的進行和打孔深度的增加，被雷射束20掃描的圓周半徑逐漸減小。這可以通過這樣來完成，即在加工初始時將掃描鏡16的擺動角設置得較大，然後隨著加工的進行，逐漸減小擺動角。這樣，形成了具有臼狀錐形部分的噴嘴9。
在形成噴嘴9的錐形部分後，局部修整噴嘴9的中心部分，以形成具有恆定內徑的通孔。
如上所述，噴嘴9形成在噴嘴板8中。需要注意的是，噴嘴板8被通過DOE17的衍射而得到的多個雷射束20所照射，從而在單獨的噴嘴板8上同時形成多個噴嘴9。
下面將描述加工方法的多個實施例。
實施例1在實施例1中，雷射加工的進行是使用諸如不鏽鋼或鎳等金屬製成的噴嘴板作為工件。加工過程是利用多個加工能量級別來執行，以檢查加工能量和加工表面的表面粗糙度之間的關係。實施例1的檢查結果表示在圖5中。
使用現有技術的加工方法，加工能量為大約80mJ/cm2。然而，在這種情況下，加工表面的表面粗糙度很明顯，並且加工質量較低。考慮到這一點，本實施例中使用了比現有技術能量更高的加工能量級別。因此，業已發現加工表面的表面粗糙度可以通過增加加工能量來減少，舉例來說，通過使用二倍於現有技術的加工能量級別。而且，據發現，被加工表面的表面粗糙度最大值，可以通過將加工能量設置在300mJ/cm2或更多來顯著減少。而且也發現，當加工能量為300mJ/cm2或更高時，加工表面的表面粗糙度基本上保持在恆定的水平。
這樣，當金屬製成的噴嘴板被加工來在其中形成噴嘴的時候，通過將加工能量設置為300mJ/cm2或更大，可以減小表面粗糙度，從而獲得高質量的噴嘴。通過按照上面所述的方法降低表面粗糙度，流過噴嘴的墨水流動更加平緩，並且墨水不良擾動的可能性也更少。而且，減小了由於噴嘴表面的粗糙度的墨水壓力損失。因此，可以獲得高性能的噴嘴。
通過提高噴嘴板中噴嘴的性能，墨水釋放方向和墨水釋放素速度獲得所需的穩定行。因此，可以獲得高性能的噴墨頭，並且可以獲得印刷位置精確、圖像質量很高的印刷品。
實施例2在實施例2中，進行雷射加工使用的工件是包含有氧化鋁和氧化鎂中的一種或兩種都包括的噴嘴板。加工過程是用多個加工能量級別來進行，以檢查加工能量和突起頻率(「突起數目」)之間的關係。實施例2的檢查結果表示在圖6中。
圖6表示了加工能量和加工表面上每10μm2突起數目之間的關係。從圖6中可以看到，已發現通過將加工能量設置為大於現有技術的能量級別(大約80mJ/cm2)，可以顯著減少噴嘴板的加工表面上的突起數目。而且，已發現通過把加工能量設置為400mJ/cm2或更大，突起數目在低水平上保持穩定。
這樣，業已發現，包含氧化鋁和氧化鎂中一種或兩種都包含的噴嘴被加工以在其中形成噴嘴，通過將加工能量設置在400mJ/cm2或更高，可以減小突起數目和表面粗糙度，從而獲得高質量的噴嘴。因此，根據本實施例，可減小現有技術出現的噴嘴表面上的微米大小的突起狀不規則度。這樣就可以防止流經噴嘴的墨水流中的擾動，並使墨水流更加平緩。墨水釋放方向和墨水釋放速度變得穩定，並且可以獲得印刷位置精確的高質量印刷品。
實施例3在實施例3中，在進行雷射加工時同時向工件19吹氣，如圖7所示。加工能量被設置在大約400mJ/cm2。使用多個的吹氣壓力級別來進行加工，以便檢驗吹氣壓力和加工表面的表面粗糙度之間的關係。實施例3的檢驗結果顯示在圖8中。
圖8表示了吹氣壓力和加工表面的表面粗糙度最大值之間的關係。從圖8可以看到，已經發現，通過提供15psi或更大的吹氣壓力，噴嘴板表面粗糙度的最大值明顯地下降。而且，業已發現，表面粗糙度的最大值在吹入氣體壓力為15psi或更大時，保持在基本穩定的狀態。這主要是因為加工過程中產生的碎屑被空氣強行去除，從而提高了去除碎屑的性能。因此，已經發現，通過在加工中向加工表面提供15psi或更大壓力的空氣，可以減少加工表面上突起的出現或表面粗糙度。
因此，在本實施例中，也可以獲得高性能的噴墨頭，並且獲得如實施例1和實施例2的高質量的印品。
實施例4在實施例4中，更改了作為工件的噴嘴板材料的性質。
在實施例4中，噴嘴板包含氧化鋁和氧化鎂中的一種或兩種作為氧化物。在本實施例中，調整了混合在噴嘴板中氧化物的量。在實施例4的實驗中，所混合的氧化物的量對突起數目的影響將被檢驗.「氧化物數目」(噴嘴板8上每1000mm2任意橫截面上暴露氧化物24的位置數目，如圖9所示)被用做代表混合的氧化物量的參數。氧化物數目是通過使用現有技術中公知的圖像處理技術來計算的。該檢測結果表示在圖10中。
如圖10中可以觀察到的，已發現通過設置所要混合的氧化物的量，使得氧化物數目為20或更少，可以顯著減少噴嘴中突起的出現。
這樣，通過將氧化物數目設置為20或更少，就可以獲得高質量的噴墨頭，並得到如實施例1到3的高質量的印品。
本發明並不局限於實施例或上述的第一到第四實施例，在不偏離其實質和主要特徵的情況下，可以用多種其他方式實現。結合使用第一到第四實施例可以獲得更好的加工性能。
這樣，上述實施例只是用來說明各個方面，並不應該被看作是範圍的限制。本發明的範圍是由所附的權利要求來確定，並且不應被限制為上述的說明。並且，任何與權利要求範圍等同的變型和/或修改都落入發明的範圍內。
權利要求
1.一種雷射加工方法，包括利用超短脈衝雷射束來加工由金屬製成的工件的步驟，其中施加在工件加工表面上的能量為300mJ/cm2或更大。
2.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中所述工件是噴墨頭的噴嘴板。
3.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中超短脈衝雷射束的脈衝寬度是0.1ps到100ps。
4.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；並且施加在工件的被加工表面上的能量為400mJ/cm2或更多。
5.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到被加工的工件上。
6.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；並且工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置數目是20或更少。
7.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中；工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；施加在工件的被加工表面上的能量為400mJ/cm2或更多；並且氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到工件上。
8.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；施加在工件的被加工表面上的能量為300mJ/cm2或更大；並且工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置數目是20或更少。
9.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置數目是20或更少；並且氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到工件上。
10.如權利要求1所述的雷射加工方法，其中工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；施加在工件的被加工表面上的能量為300mJ/cm2或更大；工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置數目是20或更少；並且氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到工件上。
11.一種雷射加工方法，其包括利用超短脈衝雷射束加工工件的步驟，其中工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；並且施加在工件的被加工表面上的能量為400mJ/cm2或更多。
12.如權利要求11所述的雷射加工方法，其中所述工件是噴墨頭的噴嘴板。
13.如權利要求11所述的雷射加工方法，其中超短脈衝雷射束的脈衝寬度為0.1ps到100ps。
14.如權利要求11所述的雷射加工方法，其中氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到被加工工件上。
15.如權利要求11所述的雷射加工方法，其中工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；並且工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置數目是20或更少。
16.如權利要求11所述的雷射加工方法，其中；工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置數目是20或更少；並且氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到被加工工件上。
17.一種雷射加工方法，其包括用超短脈衝雷射束加工由金屬製成的工件的步驟，其中氣體以15psi或更大的吹氣壓力被吹到被加工工件上。
18.如權利要求17所述的雷射加工方法，其中所述工件為噴墨頭上的噴嘴板。
19.如權利要求17所述的雷射加工方法，其中超短脈衝雷射束的脈衝寬度為0.1到100ps。
20.如權利要求17所述的雷射加工方法，其中；工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；並且工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置數目是20或更少。
21.一種雷射加工方法，其包括利用超短脈衝雷射束來加工工件的步驟，其中工件包含有氧化物，該氧化物包括氧化鋁和氧化鎂中的一種或全部兩種；工件的任意截面的每1000mm2上暴露氧化物的位置數目是20或更少。
22.如權利要求21所述的雷射加工法，其中所述工件為噴墨頭的噴嘴。
23.如權利要求21所述的雷射加工法，其中超短脈衝雷射束的脈衝寬度為0.1ps到100ps。
全文摘要
一種雷射加工裝置(10)包括用來輸出脈衝寬度為0.1ps到100ps的雷射束的超短脈衝雷射器(11)，和用來調整雷射束能量的衰減器(13)。通過使用加工能量為300mJ/cm
文檔編號B23K26/00GK1655937SQ0381168
公開日2005年8月17日 申請日期2003年5月15日 優先權日2002年5月23日
發明者豐福洋介, 水山洋右 申請人:松下電器產業株式會社