专利名称：切割材料的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用固体激光器切割材料，尤其是可磁化材料的方法及装置。
自六十年代首次建成用于工业的激光装置以来，设计、实验并成功地使用了许多以红宝石或尤其以NdiYAG棒为激光介质的固体激光器。在制造微电子的、尤其是钟表的微小元件中激光装置一般用于焊接及打孔。一般用化学气体激光器，尤其是CO2激光器，切割及加工大的另件，这点本发明不予以讨论。
我们知道，固体激光器有许多不同工作方式，比如其中有脉冲工作方式以及在所说CW工作方式下的所谓调Q激光器。在这种情况下，激光腔内的反射状况周期性变化，因此，虽然从灯发出的激光能量从不间断，但激光辐射却以脉冲方式而不是连续方式发射。如用转镜尤其是声光盒等不同方法可使腔的Q因子发生周期性的变化，请参阅基本文章“高重复频率调QNdiYAG激光器的实验及理论研究”IEEE文集，第58，第12期，1970年12月。这种调Q激光器一般用于理论研究或产生所谓巨脉冲。
在把钟表另件或微电子元件加工成一定形状，尤其是在钟表钻石或在微形马达转子磁铁上打孔时，比如对钟表也一样，切割轮廓的质量或者孔的圆度或精度明显不够好是一很大缺点。为了在钟表钻石或磁环上打出尺寸很精确的孔，必须用金属丝抛光和扩孔，这种作法很费时间。从这点出发，本发明的第一个目的是提供一种切割材料的方法及装置，尤其是打孔的方法及装置，其中不再需要精加工。当在可磁化材料上打孔时，要当心不要因热作用使其性能遭受破坏。因此，根据实施例的例子，本发明的第二个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。
本发明的方法是这样实现的，即使用频率大于1KHz的脉冲激光器，按所需的路径切割所述材料，把此路径线度短的重叠孔并列起来，重复地通过所述路径以使各所述孔之间的边缘光滑，实现本发明方法的装置包括一个有声光Q开关盒的连续波NdiYAG激光器，一个光学处理系统以及使所述激光束相对于所述材料位移的装置。
下面参照实施例的附图较详细地说明本发明。
图1示意表示本发明的激光装置的实施例。
图2表示适用于一定加工种类的脉冲形状;
图3表示光学处理系统的第一个实例;
图4示意放大表示打孔过程;
图5表示用图1到图3的装置加工的最终产品。
图6示意表示加工图5产品的方法的生产步骤;
图7表示光学系统处理的另一实施例。
在图1中，由1表示的方框中有一个连续波NdiYAG激光器，其腔内有一个使激光器的Q因子周期变化的声光盒。换句话说，它是一台人们熟知的连续波调Q激光器，其元件可从市场上买到，或者用已知技术制造。在目前的情况，如图4到图6所示切割成形或应用中，按照图2的图形调整激光腔的Q因子。用输出功率约为650瓦的氪灯泵浦NdiYAG棒。将图2b的射频信号加到声光Q开关回路上，其重复频率f＝ 1/(T) 在2500Hz到3500Hz之间。如果使用如钐-钴合金可磁化材料，发现较长的冷却时间有益于不让温度超过居里点。在本例中选取了T∶T1的比值为300∶1，这就是说，每隔300微秒让声光盒打开1微秒。当然，该比值T∶T1是可调节的，比如在250∶1到350∶1之间可调。作为时间t的函数的反转密度Ni的变化示于图2a，图2c示意表示激光器的输出功率。激光脉冲的平均宽度T约为100纳秒，输出功率约为1MW。这些窄脉冲可使材料快速蒸发而不致使周围部分变热。
为了能在材料上加工出一定的形状，特别是圆孔，需要在激光束和待加工工件之间有相对运动，例如为了加工圆孔，可让工件相对于在工作台上的激光束作偏心转动，或者可以想像用如图1所示的偏转镜或棱镜或光偏转器3使激光束发生偏转(偏移)。为了产生其它平移，一般使用在两个座标方向上受到控制的在平台内可移动的工作台。当然也可把偏转镜、光偏转器及作标工作台的运动组合在一起，以及使用附加的光偏转器。
在打直径例如为300um的孔的本实施例中，研制了一种如图3所示的光学处理系统，参照图3予以详细说明。因为光学处理系统3用于在工件4上打孔(该工件在本例中为由钐-钴合金制成的小片)，所以该系统基本上呈圆柱形，即设计成旋转对称的。由若干透镜组成的，聚焦合适的光学系统5被安装在可转动的支架6中，用两个轴承7，8把支架6固定在板9上，板9属于工作台或工作桌或类似装置，并且它可相对于工件4的支架10旋转。马达11经齿轮12和13使支架6以例如每秒20转的高速转动。在支架6里，聚焦光学系统5的上方有一个照像机光楔14，它使激光束LB产生平移，如图3所示。通过让聚焦光学系统5的焦点F相对激光束的轴LB平移等于待加工孔直径一半的距离，如150um，使光学系统5的光轴OA与位移后的光束同心。由于聚焦光学系统的光轴一与位移后的光束同心(当然是精确的同心)，所以可以获得精确的圆孔。
图4示意地表示在工件4上打孔35的过程。以使各个孔之间的断面平滑的方式加工出彼此重叠的各个孔34，并可得到质量如此之高的孔35，以致于无需再用以前的打孔法中所需的扩孔工艺，就可把该可磁化片直接安装到转子轴36上并焊在其上。在本例中，各个孔的直径大约等于最终孔径的四分之一。当然，一方面可以通过选择聚焦光学系统的聚焦，另一方面可以通过选择光楔的设计来改变和调整这个值。
在一个例子中，钐-钴合金片的直径为1.25mm，厚度为0.5mm，孔的直径为0.3mm，而这些片的外径无关紧要。尽管应用范围无限制，但实际使用范围是孔的直径大于0.08mm，厚度为0.2到2mm。如上所述，光学系统的转速为每秒10到30转，Q开关系统的频率定为2500Hz以上，因为这种材料要较长冷却时间，声光盒以1∶250到1∶350的比打开。如果用其它材料，可以改变发光与不发光的时间比，同时如果使用不同数值，就要根据这些数值得出Q开关盒的开关频率及光学支架的转速。
马达16例如安装在支架上方的光学处理系统15上是另一个实施例，示于图7。可转动支架17包括一个与马达16的驱动齿轮19相啮合的齿轮18，该支架内安装着聚焦光学系统20，20的光轴与激光束的轴LB相一致。在聚焦光学系统20的下面有一个固定在可动支架22里的偏转板21。把支架22的一端铰接在轴23上，另一端与球24相连，球24装在固定在支架17上的调节螺钉25上。用调节螺钉25，可以调节可动支架的倾斜度，相应地调节偏转板21的倾斜度亦即可以调节聚焦光学系统的焦点F1相对于激光束的光轴LB及工件4的轴的偏移。这个光学系统可以加工精密的圆孔，其质量也取决于支架17的同心度。
从图3或图7可以看出，象打孔或焊接装置中通常的那样，提供不可转动的光学聚焦系统，以及使工件和固定工件的支架相对于固定的或可调节的激光束的光轴LB偏心地旋转，在光学上是等同的。对于某种特定应用，即可以安装可转动的光学系统又可以安装可转动的工件支架。按照另外的设计，可以使偏转镜2是可移动的，其方式使激光束以及光学焦点沿圆形路径移动。然而，这表示激光束通过聚焦系统的不同部分，从而可能损害孔的质量。当然如前所述，可以选择其它形状如方形代替圆形路径。这时一般要用合适的工件支架让工件相对于光束移动。
图5和图6表示将小磁片4进一步加工成最终产品。图5表示装在齿轮26上的在三个点27处由另外的激光器把磁片4焊上的转子齿杆36。在这个具体例子中，目的是打一个即精密又光滑的孔35以使磁片4不需再加工，尤其不需再扩孔就能装在齿杆36的轴上并把它焊在其上。在这种情况下，不用为此加工特殊的齿杆，只要使用市场上可以买到的通常所用的小公差商品齿杆就行。
图6示意表示一种焊接装置，它也适合于焊接用已知技术打了孔的磁片。在位置Ⅰ，贮存容器8送来的齿杆36装在台子29上，然后让转子台30转过90℃。在位置Ⅱ，装上打了孔的磁片4，该磁片即可以从贮存容器31取出，也可通过自动处理装置或类似装置直接从打孔装置送入。在目前情况下，小磁片4直接从打孔装置送来并存在贮存容器31中，在位置Ⅲ，当加工台29转到三个不同位置时，激光器32把该磁片焊到该齿杆上。在位置Ⅳ，把焊上磁片的齿杆卸到贮存容器33供进一步加工。显然，加工台及传送装置可以设计成各种不同形式，但它们有一共同点，即从打孔装置送入的带孔35的小磁片4不用任何再加工就能安装在齿杆上并焊在其上。
本方法能按预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，其方式是这些工件无需诸如对边缘抛光或扩孔到一定直径等任何中间处理，而直接进入下一道工序进一步加工。
权利要求
1.一种利用固体激光器切割材料，尤其是在可磁化材料上打孔的方法，其中使用频率大于1KHz的脉冲激光器，按所需路径切割所述材料，把比所述路径线度短的重叠孔并列起来，重复地通过所述路径以使所述各个孔之间的边缘光滑。
2.如权利要求1的方法，其中即可用光学偏转系统或光学处理系统使光束偏转，也可使工件相对于照射在可动工作台上的所述激光束移动或者把这两种移动结合在一起来实现工件与光束之间的相对位移。
3.如权利要求1的方法，其中使用腔内设有声光盒的连续波激光器。
4.如权利要求1的方法，为了在可磁化材料上打孔，其中在所述Q开关盒上加上频率大于2500Hz的射频信号，不发光时间与发光时间的比调整在250-350∶1以防该材料达到居里温度。
5.如权利要求4的方法，其中使用由光学系统聚焦系统及偏转元件构成的光学处理系统，该系统可以转动，并且按其焦点相对于孔中心偏心位移所需孔径的一半距离来调节系统的焦点，同时，该光学处理系统以每秒10到30转的转速转动。
6.如权利要求4的方法，为了在微型马达转子片上打孔，其中所述孔的加工是连续的，直到其边缘光滑到该片无需任何用加工就能装到转子齿杆并焊在其上的程度为止。
7.实现权利要求4至6中任何一个的方法的装置，为了在可磁化材料上打孔，其中所述装置包括一个有声光Q开关盒(1)的连续波NdiYAG激光器，一个光学处理系统以及使所述激光束相对于所述工件(4)位移的装置。
8.如权利要求7的装置，其中所述光束位移装置包括一个光学处理系统(3)，该系统安装在可转动的支架(6，15)上，而该支架通过齿轮(13，17)与马达(11，16)的齿轮相连。
9.如权利要求8的装置，其中所述光学处理系统(3)有一个照象机光楔的轴与激光束的轴(LB)同心，并且以让随后的光学聚焦系统(5)的焦点(F)相对该激光束的轴(LB)位移二分之一孔径的方法，使光楔下的光学聚焦系统(5)与偏转的光束同心。
10.如权利要求8的装置，其中所述光学处理系统(15)有一个置于所述聚焦系统(20)下面并安装在支架(22)里的偏转板(21)，该支架铰接在轴(23)上并相对激光束的轴(LB)倾斜，在与轴(23)相对的支架另一端把该支架与球(24)相连，球(24)可借助调节螺钉(25)而位移，以使该支架及该偏转板得到调节。
11.如权利要求7到9中权利要求的装置，其中所述工件(4)装在支架上，该支架是可转动和可平移的。
全文摘要
一种切割材料的方法，把较小孔重叠并列，用频率大于1KHz的脉冲激光器多次通过该路径，使各小孔间的边光滑。在实施例中使用带声光Q开关的连续激光器，Q开关盒工作在2500到3500Hz，发光/不发光间隙比为250—350∶1，以防材料达到居时温度。实现该方法的装置除CWNdiYAG激光器和Q开关盒外，还包括由马达驱动，带有照象机光楔和光学聚焦系统的可旋转光学处理系统。可加工各种形状零件，特别是打孔，无需任何中间加工如扩孔即可进入下道工序。
文档编号B23K26/00GK1068766SQ91104798
公开日1993年2月10日 申请日期1991年7月17日 优先权日1991年7月17日
发明者里纳托·索尼 申请人:R·奥德马尔公司