具有改善的后部空间保护的激光钻孔或激光切割的制作方法

1.本发明涉及一种用于工件的激光钻孔或激光切割的方法，在所述方法中，更好地保护激光束穿透工件的点后方的后部空间免受激光束的聚集作用。


背景技术：

2.在工件的激光钻孔或激光切割时，工件材料被非常短暂且对此非常强烈的激光脉冲照射。在瞬时强度足够高时，材料原子的电子壳层被直接电离，使得材料可以在不引入过多热量到工件中的情况下被去除。
3.如果激光辐射在一部位处已经穿透工件，该激光辐射在没有足够防护措施的情况下可能不希望地从工件的其它区域去除材料或不受控制地逸出到周围环境中。因此，在ep 3 013 517 b1中提出一种用于激光钻孔或激光切割的方法，在该方法中，将载有纳米颗粒的流体引入到在工件后方的后部空间中。侵入到后部空间中的激光辐射的能量大部分被转化为纳米颗粒的积累激发并且以这种方式消散。


技术实现要素：

4.在本发明的范畴内，已经开发一种用于工件的激光钻孔或激光切割的方法。在该方法中，利用脉冲激光辐射去除工件材料。在沿射束方向位于工件的待穿透区域后方的后部空间中设置流体，当激光辐射已经穿透该区域时，激光辐射侵入到后部空间中。该流体至少部分地阻止激光辐射的通过。流体包括分散在溶剂中的颗粒。
5.选择在进入到后部空间中的激光辐射的作用下形成等离子体的颗粒，使得该等离子体至少部分地阻止激光辐射的通过。
6.在此，术语“颗粒”本身关于它们的大小没有限制。形成所需等离子体的颗粒尺寸例如取决于颗粒的材料和进入到后部空间中的激光辐射的强度。
7.此外，术语“颗粒”不应如下受限地理解为，相应材料在室温下处于固态的聚集状态中。例如，在室温下液态的含金属液滴也可以用作颗粒。例如，镓或镓铟锡合金可以在超声波作用下分散在溶剂中。
8.等离子体由非常高的瞬时强度产生，该瞬时强度首先从颗粒原子的电子壳层中除去电子并且从而使这些原子电离。之后，剩余的离子也从颗粒中分离，使得离子和电子一起形成准中性的等离子体。等离子体对于进一步的激光辐射很大程度上不能透过。以进一步的激光脉冲出现的能量被部分地漫反射和/或散射和部分地吸收。尤其，漫反射和/或散射的部分以大的空间角度偏转并且因此可以特别有效地导出。由此可以将激光脉冲在原始射束方向上的能量流密度减小到阈值以下，从该阈值起，工件的其它材料会被去除或存在否则对工件造成热损坏的危险。
9.当辐射结束时，分离的离子的一部分又沉积在颗粒上，并且可以重新用于形成等离子体。然而，离子最终也会进入到流体中并且从而“丢失”。因此，颗粒随着时间损耗。然而，在其它基于颗粒的针对后方空间保护的方案中也是这种情况。当以所描述的方式形成
等离子体时，阻止颗粒材料的每个公式单元直至其不再可使用的时间点穿过后部空间的激光能量的总量是最大的。
10.此外，等离子体增大了在流体内的相互作用体积，在该流体中，激光辐射沿着辐射路径的传播被中断。与此相应地，能量流密度在原始射束方向上减少得更多。
11.原则上，如果激光辐射的瞬时强度足够大，则能够促使任何材料的颗粒形成等离子体。然而，对于后部空间保护决定性的是，等离子体的形成正好在激光辐射穿透工件之后在颗粒位置处产生的瞬时强度已经出现，还是该具体的瞬时强度过低，以致于不能促使该具体的颗粒形成等离子体。瞬时强度由激光辐射的参数得出，即尤其由脉冲能量、脉冲持续时间、重复率和脉冲的时间走势得出。对于形成等离子体所需的最小瞬时强度又由颗粒的相应材料的特性与颗粒尺寸结合地确定。因此，对于每种材料和每种颗粒尺寸具有所需的最小瞬时强度。相反地，这意味着在某些瞬时强度将进入到在工件后方的后部空间中的具体应用情况中，本领域技术人员可以有针对性地选择在该瞬时强度下形成等离子体的颗粒，并且因此防止激光辐射以尖锐聚束的形状不受控制地传播。
12.表述“选择颗粒”通常不应受限地理解为，流体仅包含分别满足给定条件的颗粒。只是要求存在满足该条件的颗粒，但不能排除在流体中还存在其它颗粒。
13.例如可以根据脉冲随时间的强度分布确定用于瞬时强度的阈值。该阈值例如可以是在脉冲期间强度的平均值、最大强度的特定百分比或在脉冲持续时间的特定部分期间超过的强度。选择最迟在相应于该阈值的瞬时强度时形成等离子体的颗粒。
14.附加地，也可以确定极限温度，并且可以选择最迟在相应于阈值的瞬时强度时和在相应于极限温度的温度下形成等离子体的颗粒。所基于的想法是，由某些颗粒形成等离子体所需的瞬时强度在颗粒的冷却的固态下最大，并且当颗粒已经加热和/或软化时显著降低。如果确定了极限温度，则更多颗粒材料逐渐地能够用于具体应用中。那些在可用的瞬时强度时已经在室温下形成等离子体的材料与那些在相同瞬时强度时仅在直至极限温度的较高温度下才形成等离子体的材料相结合。
15.极限温度例如可以是颗粒的熔点或沸点。当颗粒例如熔化时，颗粒材料的热导率逐渐降低。因此，在激光辐射的作用下，颗粒的随时间的平均表面温度与其固态相比提高，这又有利于在颗粒附近形成等离子体。
16.在一个特别有利的构型中，颗粒可以选自如下材料，该材料在尚不存在等离子体的条件下对于激光辐射的波长具有0.9或更大的透射度、反射度或吸收度。所基于的想法是，关于激光辐射的波长以任何方式在光学上表现特别优异的材料是对于被激光辐射促使形成等离子体的良好选项。当等离子体存在时，该材料与原始材料相比表现完全不同。
17.由例如可用作颗粒的镓铟锡合金构成的液滴具有以下优点：镓铟锡合金比固体材料如碳具有明显更低的沸点。与此相应地，在明显较低的瞬时强度下已经可以预期与形成等离子体伴随的非线性散射效应。
18.镓铟锡合金例如可以借助超声波非常细地分散在溶剂中。如果超声源强度足以克服由镓铟锡合金的表面张力预给定的极限，则也可以达到液滴的纳米数量级。这对于在扫掠入射下的吸收或积累的表面部分以及关于由于密度差而导致的相分离是有利的。
19.为了精细雾化含金属的液滴，例如可以利用液滴的瑞利不稳定性为此，例如可以将含金属的液体通过在足够高的负电位下的导
电毛细管压到溶剂中，从而在相同超声强度的情况下形成较小的液滴。此外，含金属的液滴之间的静电排斥力内在地抵抗这些液滴的凝结，而无须为此对液滴或其它颗粒的表面进行特殊官能化(funktionalisiert)。
20.例如可以选择由硫酸钡baso4、硫酸钙caso4、氧化铝al2o3、氧化钛tio2、氧化锆zro2和/或氮化硼bn构成的颗粒。这些材料在用白色可见光照射时呈白色或透明。因此，它们对于许多波长具有良好的反射度或良好的透射度。
21.替代地或组合地，例如可以选择由碳、碳化硅sic、碳化硼b4c和/或碳化钨wc构成的颗粒。这些材料在用白色可见光照射时呈黑色。因此，它们对许多波长具有良好的吸收度。在此，碳尤其可以以各种形式存在，例如作为金刚石、作为石墨或作为炭黑。
22.尤其，在非等离子体状态下反射或透明的材料与在非等离子体状态下吸收的材料的组合是有利的。流体中的相互作用配合物越多样化或者说越不同，侵入到后部空间中的激光脉冲就越难以在那里穿透，并且必要时根据相互作用配合物的数量密度在原始射束方向上传播。激光脉冲的波前正好能够与不同相互作用配合物组合地脱相(dephasieren)，因为颗粒随机分布在辐射场中，并且与激光的相互作用取决于材料。因此，不同的材料例如需要不同的瞬时强度，以形成等离子体。内部激发的寿命也取决于材料。然而，在原始射束方向上的高能量流密度很大程度上取决于激光辐射的波前是同相的。所基于的想法是，不同的相互作用配合物局部地改变光速，其中，该变化尤其与(局部)强度以及与激光所使用的波长的相关性对于不同类型的相互作用配合物是不同的。
23.在另一特别有利的构型中，选择具有表面活性剂的溶剂。以这种方式，更大量的颗粒可以分散在溶剂中，使得可以阻止更大部分的激光辐射被等离子体在原始射束方向上传播。
24.在另一特别有利的构型中，选择具有碳氢化合物的溶剂。该碳氢化合物不会侵蚀工件材料，并且在激光辐射的作用下也不会转化为侵蚀工件材料的物质。尤其，纯碳氢化合物不含任何氧气，氧气在分子分解时释放并且可能损坏工件材料。此外，与水性溶剂相比，更多种类的颗粒逐渐分散在碳氢化合物中。
25.替代地或也与此组合地，溶剂可以包含醇。与水性溶剂相比，更多种类的颗粒也可以分散在醇中。例如也可以选择由极性液体如醇、非极性液体如烷烃和表面活性剂组成的乳液作为溶剂。
26.例如可以选择具有烷烃或烷烃混合物的溶剂。根据链长，烷烃具有较高的沸点。基于烷烃的溶剂的一个示例是石蜡油。其是分子式为c
nh2n 2
的高级烷烃的混合物，n介于18和32之间。
27.在另一特别有利的构型中，选择具有碳氢化合物的溶剂，该碳氢化合物包含在至少一端上封端和/或官能化的碳链。封端或官能化(funktionalisierung)可以有利于某些颗粒在溶剂中的分散。然后，仅需要较低浓度的附加的表面活性剂，以便分散颗粒，或甚至可以完全取消这种附加的表面活性剂。因此，例如苯环作为官能化物质有利于碳颗粒的分散。
28.具有十二烷基苯c
18h30
的溶剂是特别有利的。破碎的碳可以特别好地分散在该例如用作变压器油的物质中。
29.为了将颗粒更好地分散在溶剂中，例如颗粒可以带电荷。
附图说明
30.下面与本发明的优选实施例的描述一起根据附图更详细地示出改进本发明的其它措施。
31.附图示出了：
32.图1：方法100的实施例；
33.图2：激光辐射2在穿透工件1的区域1a之后照射到后部空间3中的颗粒4a上；
34.图3：等离子体5的形成和激光辐射2在等离子体5上的漫散射2a。
具体实施方式
35.图1是方法100的实施例的示意性流程图。在方法100的步骤110中，为了对工件1进行激光钻孔或激光切割，利用脉冲激光辐射2去除该工件1的材料。在步骤120中，流体4设置在沿射束方向位于工件1的待穿透区域1a后方的后部空间3中，该流体至少部分地阻止激光辐射2的通过。工件1、激光辐射2、后部空间3和流体4的几何布置在图2和3中更详细地示出。
36.流体4包括分散在溶剂4b中的颗粒4a。根据方框121，选择在入射到后部空间3中的激光辐射2的作用下形成等离子体的颗粒4a，使得该等离子体5至少部分地阻止激光辐射2的通过。
37.在方框121内示出可以选择颗粒4a的各种示例性的可能性和标准。
38.根据方框121a，可以基于激光辐射2的脉冲的随时间的强度分布确定用于瞬时强度的阈值。然后，根据方框121b可以选择最迟在相应于该阈值的瞬时强度时形成等离子体5的颗粒4a。
39.根据方框121c，这可以通过附加地确定极限温度来进一步细化。然后，根据方框121d可以选择最迟在相应于阈值的瞬时强度时和相应于极限温度的温度下形成等离子体5的颗粒4a。
40.根据方框121e，颗粒4a可以选自如下材料：该材料在尚不存在等离子体5的条件下对于激光辐射2的波长具有0.9或更大的透射度、反射度或吸收度。
41.根据方框121f，颗粒4a可以选自硫酸钡baso4、硫酸钙caso4、氧化铝al2o3、氧化钛tio2、氧化锆zro2和/或氮化硼bn。
42.根据方框121g，可以选择由碳、碳化硅sic、碳化硼b4c和/或碳化钨wc构成的颗粒4a。
43.根据方框121h，可以选择含金属的液滴作为颗粒4a。根据方框121i，这些颗粒例如可以含有镓或镓铟锡合金。
44.此外，在方框120内还记载了可以选择溶剂4b的几种示例性的可能性和标准。
45.根据方框122，可以选择具有表面活性剂的溶剂4b，以便能够将更多颗粒4a分散在给定量的溶剂4b中。
46.根据方框123，可以选择具有碳氢化合物的溶剂，该溶剂不侵蚀工件1的材料并且在激光辐射2的作用下不会转化为侵蚀工件1材料的物质。
47.在此可以选择具有烷烃或烷烃混合物的溶剂4b，尤其例如根据方框123a。
48.替代地或与此组合地，根据方框123b，可以选择具有碳氢化合物的溶剂4b，该碳氢化合物包含在至少一个端上封端的和/或官能化的碳链。例如根据方框123c，溶剂4b尤其可
以包含十二烷基苯c
18h30
。
49.图2以剖视图示意性地示出方法100的示例性的应用情况。在该示例中，工件1是在其壁的区域1a中设有孔的管，而与该孔相对的区域1b不受损坏。为此目的，后部空间3在内部填充有流体4，该流体包含分散在溶剂4b中的颗粒4a。颗粒4a的浓度和大小在图2中以非常夸张的方式示出。
50.在图2所示的瞬态图像中，激光辐射2刚好穿透工件1的区域1a并且因此制成所希望的孔。激光辐射2现在照射到流体4中的颗粒4a上。
51.如在图3中所示的那样，这具有颗粒4a形成等离子体5的效果。在此，等离子体5优选地在颗粒4a的分别面向激光辐射2的一侧上形成，其中，尽管这并不排除非常小的颗粒4a短时间内完全转化为等离子体。
52.如果现在激光辐射2继续照射到该等离子体5上，则激光辐射至少部分地被反射和/或散射，并且因此转换成在所有方向上传播的漫射光2a。该漫射光2a在工件1的区域1b中不再如此强烈，以至于该区域1b被不希望地损坏。
53.相应地形成等离子体的颗粒4a的等离子体区5是否重叠很大程度上取决于颗粒4a的(局部)数量密度、相应的材料以及各个激光脉冲和整个激光辐射2的特性。除了等离子区5外，例如可以形成溶剂4b的蒸汽泡。因此，激光辐射2的能量可以(主要)通过在不同时间刻度上发生的各种过程消散到热过程中。