專利名稱：對具有高裝飾質量的不銹鋼進行激光微加工的方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種用以在由不銹鋼制成的消費品的激光微加工中維持高裝飾精整 質量的低成本高效率的方式。
背景技術：
大多數(shù)消費品需要不銹鋼具有持久的裝飾精整，所述裝飾精整還被賦予上等的性 能特性，所述性能特性包含高等級的抗劃傷性、易于清洗的屬性、抗變色性等。已使用機械 方法來制造例如小孔和狹槽等特征，而沒有較多地關注對裝飾精整造成破壞。隨著特征尺 寸變得越來越小，引入激光微加工技術。當應用激光微加工技術以在具有持久的裝飾精整 的不銹鋼上產生精密特征時，由于熱過程對于激光金屬相互作用的性質的緣故，裝飾精整 可易于因變色而受到破壞且因氧化和熱應力而發(fā)生分層。直到現(xiàn)在，在強調裝飾性能的情 況下應用于不銹鋼的激光微加工技術仍是一項相對較新的技術，且在此領域中公開的內容 很少。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例提供多種用以對具有高裝飾精整質量表面和相對表面的金屬零 件進行激光微加工的方法或工藝。一個實施例包含在用激光對所述零件進行微加工之前， 向高裝飾精整質量表面和/或相對的加工表面施加保護涂層。在用以對具有高裝飾質量表面和相對表面的不銹鋼零件進行激光微加工的工藝 的另一實施例中，改進包含在用激光對所述零件進行微加工之前向所述表面中的待加工的 一者施加保護涂層，且用激光對所述表面進行微加工。所述激光是毫微秒脈沖寬度激光或 微秒脈沖寬度激光。保護涂層包括包含鋁、銅和不銹鋼中的至少一者的金屬材料。當結合附圖閱讀以下描述時，所屬領域的技術人員將容易明白本發(fā)明的這些和其 它應用的變化和細節(jié)。


本文的描述參考了附圖，其中在若干視圖中相同參考標號始終指代相同部分，且 在附圖中圖1是具有高質量裝飾表面的不銹鋼零件和用于對所述零件進行微加工的激光 的簡化示意圖；圖2是具有高質量裝飾表面的不銹鋼零件、在所述零件的至少一個表面上的保護 層以及用于對所述零件進行微加工的激光的簡化示意圖3是說明本發(fā)明的實施例的簡化工藝流程圖；圖4是在沒有本文所教示的保護層的情況下鉆有直徑為350 μ m的通孔的500 μ m 厚的不銹鋼零件的處理后零件表面的放大圖像；以及圖5是在使用本文所教示的保護層的情況下鉆有直徑為350 μ m的通孔的500 μ m 厚的不銹鋼零件的處理后零件表面的放大圖像。
具體實施例方式在使用激光來對具有裝飾精整的不銹鋼進行微加工時的一個挑戰(zhàn)是在所產生的 特征周圍發(fā)生變色，這使得消費品的外觀不受歡迎。人們認為變色是由于在激光微加工過 程期間發(fā)生氧化引起的，所述激光微加工過程使金屬表面變得足夠熱，從而顯著增強來自 空氣中的氧氣和氮氣對金屬表面的氧化或氮化。盡管人們可將待加工的零件放入真空中或 放入充滿惰性氣體的腔室中以將所述零件與氧氣或氮氣隔離，或者使用脈沖寬度極短的激 光(例如PS激光源或fs激光源)以顯著限制熱過程，但成本可能會很高。這些解決方案 還可能會使過程很不方便。另一個挑戰(zhàn)是碎片飛濺物。也就是說，如圖1中所展示，當高功率激光22對金屬襯 底或零件10 (在此情況中為不銹鋼)進行激光加工時，大量熔融材料IOa從處理區(qū)域噴出， 且沉積在襯底表面16的緊鄰處。熔融材料IOa是碎片飛濺物，且包括以很高速度移動且/ 或處于或超過零件10的熔融溫度的小顆粒。由于通常需要維持處理表面的裝飾質量，所以 此碎片飛濺物的存在還可能使所得的消費品的外觀不受歡迎。也可使用短脈沖寬度激光來 解決此問題，其中材料移除過程較多地通過升華且較少地通過熔融。還可使用上文所提及 的真空或輔助氣體來防止碎片落回到處理區(qū)域上。如所提及，這些解決方案增加了成本且 降低了便利性。一種選擇是在處理后清洗零件以移除仍然停留在表面上的碎片。然而，這 又增加了成本且降低了便利性，且其并不解決變色問題。本發(fā)明的一個實施例提出在金屬零件的裝飾側面上施加保護涂層，以在激光微加 工過程期間使零件與空氣在物理上隔離。還可向零件的相對側面施加保護涂層以減少碎片 和變色。在施加有機保護涂層的情況下，所述有機保護涂層還充當用以通過由于強烈的激 光照射引起的碳化和氧化來阻隔/消耗空氣中的氧氣的犧牲層，即使在低強度下保護涂層 對激光束相對較透明，也是如此。所述保護涂層可為有機材料(例如粘性聚合物)或無機材料(例如陶瓷)?？梢?剛性形式(借助于實例而非限制，例如干膜膠帶)或以液體形式(借助于實例而非限制，例 如粘合劑、蠟或厚抗蝕劑)來施加保護涂層。取決于零件的幾何形狀，可經(jīng)由旋涂或噴射來 施加保護涂層。透明膠帶是合適的保護涂層的良好實例。在半導體行業(yè)中使用透明藍色帶 來固持晶片，且所述透明藍色帶是合適的保護涂層的另一良好實例。在一個實施例中，涂層 應對所施加的激光束高度透明，相對于零件提供足夠的粘附強度，且具有介于大約5密耳 與大約10密耳之間(包含大約5密耳和大約10密耳)的厚度。根據(jù)本發(fā)明實施例的工藝 顯著減輕了對激光的要求，使得規(guī)則的毫微秒脈沖寬度激光或微秒脈沖寬度激光將滿足用 于對具有高質量裝飾表面精飾的金屬零件進行微加工的目的的要求。所述工藝已在實驗室 中用來對具有裝飾精整的不銹鋼零件進行鉆孔和切割，且已證明是成功的。所述工藝提供 一種不需要昂貴的短脈沖寬度激光的容易且低成本的方法。
參看圖2，金屬零件10 (借助于實例而非限制，例如不銹鋼零件)的簡化示意圖被 展示為在第一或前方側面14上具有高質量裝飾表面12且在第二、后部或背側側面18上具 有另一表面16。保護涂層20位于零件10的至少一個表面12、16上。使用激光22來對具 有保護涂層20的零件10進行微加工。盡管激光22被展示為對第二表面16進行鉆孔，但 在一些實施例中，激光22對第一表面12進行鉆孔?？稍谟眉す?2對零件10進行微加工 之前向零件10的高裝飾精整質量表面12施加保護涂層20以使表面12與空氣在物理上隔
1 O保護涂層20在來自激光22的低強度下可對激光束相對較透明。保護涂層可為有 機材料或無機材料，其充當用以通過由于強烈的激光照射引起的碳化和氧化來阻隔/消耗 空氣中的氧氣的犧牲層。借助于實例而非限制，有機材料保護涂層20為粘性聚合物。借助 于實例而非限制，無機材料保護涂層20為陶瓷材料。取決于特定零件幾何形狀的處理成本，可用多種方式來向零件10施加保護涂層 20。借助于實例而非限制，以剛性干燥形式(例如干膜膠帶)施加保護涂層20，或可以液體 形式施加保護涂層20。干膜膠帶保護涂層20可選自由透明膠帶、透明藍色膠帶及其任何 組合所組成的群組。借助于實例而非限制，液體形式的保護涂層20是選自由粘合劑、蠟、厚 抗蝕劑及其任何組合所組成的群組。可經(jīng)由選自由旋涂、噴射及其任何組合所組成的群組 的施加工藝來施加保護涂層20。保護涂層20對來自激光22的所施加的激光束高度透明。 舉例來說，保護涂層20具有介于大約5密耳與大約10密耳之間(包含大約5密耳和大約 10密耳)的厚度。保護涂層20可具有固有的粘附屬性，或者可使用額外粘附界面M，其具 有足夠的粘附強度來粘附到零件10而在處理期間不發(fā)生分層?？蓪⒈Ｗo涂層20施加到任 一表面12、16，以減少碎片和/或變色。用于對零件10進行微加工的激光22可選自由毫微 秒脈沖寬度激光和微秒脈沖寬度激光所組成的群組?，F(xiàn)在參看圖3，其說明簡化的工藝圖。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的工藝可包含所說 明的工藝步驟中的一者或一者以上。借助于實例而非限制，所述工藝包含在步驟30處，在 用激光22對零件10進行微加工之前，向不銹鋼零件10的至少一個表面12、16施加保護涂 層20，以使表面12、16與空氣在物理上隔離。如步驟32中所展示，可犧牲保護涂層20以 通過由于強烈的激光照射引起的碳化和/或氧化來阻隔和/或消耗空氣中的氧氣。在步驟 34處，用激光22 (例如，選自由毫微秒脈沖寬度激光和微秒脈沖寬度激光所組成的群組的 激光)來處理零件10。根據(jù)某些實施例，在此激光處理期間需要包含常規(guī)的惰性氣體輔助。 在步驟36處，可接著依據(jù)保護涂層20的材料和零件10的材料而根據(jù)已知方法移除保護涂 層20的任何剩余部分。當將毫微秒激光用作激光22時，可在任一表面(即，裝飾表面12或其相對的背側 表面16)中對零件10進行鉆孔。以上描述內容規(guī)定保護涂層20可被施加到零件10的一 個或兩個表面12、16，包含表面12、16中的接收來自激光22的激光照射的一者。然而，最 需要向鉆孔表面施加保護涂層20，而不管鉆孔表面是裝飾表面12還是背側表面16。因此， 為此目的而將保護涂層20的材料選擇成對激光束基本上透明。實例包含粘性聚合物、某種 透明帶等。通過并入有此類保護涂層20且使用惰性輔助氣體，減少了上文所描述的變色問 題。然而，在表面16 (在測試中其為經(jīng)鉆孔表面)上將這些材料用于保護涂層20不足以保 護表面免受熔融顆粒IOa的影響。這些顆粒IOa導致較薄的保護涂層20發(fā)生熔融。用于表面16的較厚保護層20是一種可能的解決方案。另一種解決方案是針對保護涂層20改為使用不同材料(此處為金屬材料)。與所 描述的先前方法相反，金屬材料對激光束不透明。如此，當向鉆孔表面施加了金屬保護涂層 20時，激光22必須實際上割穿保護涂層20，而不是經(jīng)過保護涂層20。因此，保護涂層20的 金屬材料應該足夠薄，使得必須通過其到達零件10來進行處理大致上不增加整個工藝時 間。另外，金屬材料應與激光22耦合得足夠好，使得激光22可加工通過保護涂層20且到 達下方的零件10。最后，材料足夠厚且/或具有足夠高的熔點以經(jīng)受住碎片飛濺物。也就 是說，所述材料不讓包括碎片飛濺物的極熱顆粒IOa —路燒透且將其自身嵌入在位于保護 涂層20下方的零件10上。所述材料可為金屬箔或帶，例如，銅箔、鋁箔、不銹鋼薄片或類似物?？蓪⒔饘俦Ｗo 涂層20制造得足夠薄以用于加工，且具有高熔點以經(jīng)受住顆粒10a。舉例來說，鋁的熔點是 660°C，銅的熔點是1084°C，且鋼的熔點是1370°C。最理想的是將保護涂層20施加在鉆孔 表面上，而不管所述鉆孔表面是高質量裝飾表面12還是背側表面16。或者，可在表面12、 16中的一者上不包括保護涂層20，或者可用金屬材料作為保護涂層20來覆蓋表面12、16 兩者。當將毫微秒激光用作激光11時，可在任一表面12、16上對包含金屬保護涂層20 的零件10進行鉆孔，如相對于聚合物型保護涂層20所描述。當使用微秒激光時，優(yōu)選的是 (但不是必須)在鉆孔表面上使用金屬保護涂層20，這與聚合物型保護涂層20相反，且鉆 孔表面為裝飾表面12。在一個實施方案中，使用具有同軸氮氣輔助的IPG 700W頂激光來在500 μ m厚的 不銹鋼零件上鉆孔。不銹鋼是經(jīng)預先精飾的，使得表面具有高裝飾質量，即，其具有高度拋 光的表面。圖4展示在不使用本文所教示的保護涂層的情況下由于碎片飛濺物引起的表面 損壞。相反，如圖5中所展示，在使用保護涂層執(zhí)行相同的處理時，顯著減少了表面損壞。也 就是說，將變色和碎片飛濺物兩者減到最小程度。與圖5的應用一起使用的保護涂層是抵 靠著鉆孔表面而拉緊的50 μ m厚的鋁箔。此測試證明在有或沒有保護涂層的情況下使用相 同的工藝參數(shù)可鉆出非常相同的孔。因此，金屬材料與工藝激光耦合得足夠好，以加工穿過 保護涂層而大致上不增加整個工藝時間。另外，使用保護涂層能夠幾乎完全從零件表面消 除碎片飛濺物。由于在此測試中零件是不銹鋼，所以包括碎片飛濺物的極熱顆粒至少為1370°C。 然而，熔點僅為660°C的鋁箔能夠“停止”這些顆粒。在不受理論束縛的情況下，人們認為盡 管碎片飛濺物較熱，但包括其的顆粒非常小。所述顆粒的直徑小于500 μ m且可能更小。因 此，隨著所述顆粒撞擊保護涂層20且開始打洞穿過所述保護涂層20，所述顆?？焖偈テ?熱量。只要顆粒被“停留”在保護層內部且沒有成功穿過到達零件表面，金屬材料就被認為 是足夠厚且具有足夠高的金屬熔點。同樣，太厚的金屬材料層也將是不合意的，因為其大致 上將增加鉆孔/切割工作。以0. 001”銅帶和0. 001”不銹鋼箔進行的測試也展示合意地減 少了變色和碎片飛濺物。與改進表面外觀的其它方式相比，本發(fā)明的實施例提供了顯著益處。舉例來說，使 用短脈沖寬度來消除或大致上減少碎片飛濺物出于兩個主要原因而并不總是可行的。第 一，此類激光通常不具有快速處理金屬零件所需要的功率電平，且第二，此類激光往往大致上比其長脈沖寬度對等物昂貴。另一種可能方案是使用空氣/氣體噴射和/或真空來防止 碎片落回到零件表面上。在包括碎片飛濺物的顆粒具有高動量(這使得幾乎不可能僅用空 氣/氣體流來大致上更改顆粒的軌道)的那些情況下，這完全不切實際。最后，在許多情況 下，在處理后清洗零件是不合意的，因為這增加了零件生產的額外步驟，從而降低了整體處 理量。在所討論的零件具有高度拋光的表面的情況下，此方法也可能是行不通的，所述高度 拋光的表面消除了硬“擦凈”的可能性，且往往會加重最微小的表面不完整的情況。本發(fā)明 的實施例相對較便宜、較簡單且較高效。在保護零件的裝飾表面的同時進行高質量切割。
盡管已結合某些實施例描述了本發(fā)明，但應了解，本發(fā)明不應限于所揭示的實施 例，而是相反地，本發(fā)明既定涵蓋所附權利要求書的范圍內所包含的各種修改和等效布置， 所附權利要求的范圍應被賦予最廣泛的詮釋以涵蓋法律所許可的所有此類修改和等效結 構。
權利要求
1.一種用以對具有高裝飾精整質量表面和相對表面的金屬零件進行激光微加工的工 藝，在所述工藝中改進包括在用激光對所述零件進行微加工之前，向所述高裝飾精整質量表面和所述相對表面中 的至少一者施加保護涂層。
2.根據(jù)權利要求1所述的工藝，其中向所述高裝飾精整質量表面和所述相對表面中的 待加工的一者施加所述保護涂層，所述保護涂層足夠薄，使得用于在有所述保護涂層的情 況下加工所述金屬零件的處理時間大約等于用于在沒有所述保護涂層的情況下加工所述 金屬零件的處理時間，所述保護涂層為以下情況中的至少一者足夠厚以防止碎片飛濺物 燃燒穿過所述保護涂層而嵌入在所述相對的加工表面上；以及由熔點足夠高的材料制成以 防止所述碎片飛濺物燃燒穿過所述保護涂層而嵌入在所述相對的加工表面上。
3.根據(jù)權利要求2所述的工藝，其中所述保護涂層的所述材料是金屬材料。
4.根據(jù)權利要求1所述的工藝，其中所述保護涂層是銅箔、鋁箔和不銹鋼片中的至少 “"者 ο
5.根據(jù)權利要求1所述的工藝，其中所述金屬零件包括不銹鋼。
6.根據(jù)權利要求1所述的工藝，其中向所述高裝飾精整質量表面施加所述保護涂層， 且所述保護涂層包括有機材料和無機材料中的一者，所述有機材料和所述無機材料充當用 以在激光照射期間為所述高裝飾精整質量表面阻隔/消耗空氣中的氧氣的犧牲層。
7.根據(jù)權利要求6所述的工藝，其中所述有機材料是粘性聚合物。
8.根據(jù)權利要求6所述的工藝，其中所述激光是毫微秒脈沖寬度激光。
9.根據(jù)權利要求1所述的工藝，其中所述保護涂層是施加到所述高裝飾精整質量表面 的第一保護涂層，且包括金屬材料。
10.根據(jù)權利要求9所述的工藝，其中所述激光是微秒脈沖寬度激光。
11.根據(jù)權利要求9所述的工藝，其中所述金屬零件包括不銹鋼，且所述第一保護涂層 包括銅箔、鋁箔和不銹鋼片中的至少一者。
12.根據(jù)權利要求9所述的工藝，其進一步包括向所述相對表面施加第二保護涂層。
13.根據(jù)權利要求12所述的工藝，其中所述第二保護涂層包括透明膠帶和透明藍色膠 帶中的至少一者。
14.根據(jù)權利要求1所述的工藝，其中所述激光包括毫微秒脈沖寬度激光和微秒脈沖 寬度激光中的至少一者。
15.根據(jù)權利要求1所述的工藝，其中所述保護涂層是施加到所述相對表面的第一保 護涂層和施加到所述高裝飾精整質量表面的第二保護涂層，所述第一保護涂層和所述第二 保護涂層中的至少一者包括金屬材料。
16.一種用以對具有高裝飾質量表面和相對表面的不銹鋼零件進行激光微加工的工 藝，在所述工藝中改進包括在用激光對所述零件進行微加工之前，向所述高裝飾質量表面和所述相對表面中的既 定進行加工的一者施加第一保護涂層，所述保護層包括包含鋁、銅和不銹鋼中的至少一者 的金屬材料；以及用所述激光對所述高裝飾質量表面和所述相對的加工表面中的所述一者進行微加工，所述激光包含毫微秒脈沖寬度激光和微秒脈沖寬度激光中的一者。
17.根據(jù)權利要求16所述的工藝，其進一步包括在用所述激光對所述零件進行微加工之前，向所述高裝飾質量表面和所述相對表面中 的另一者施加第二保護涂層。
18.根據(jù)權利要求17所述的工藝，其中所述第二保護涂層包括所述金屬材料和粘性聚 合物中的一者。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用以對具有高裝飾質量表面的金屬零件進行激光微加工的工藝，其包含在用激光對所述零件進行微加工之前向所述零件的至少一個表面施加保護涂層。施加到所述高質量裝飾表面的所述保護涂層可具有介于大約5密耳與大約10密耳之間(包含大約5密耳和大約10密耳)的厚度，且具有足夠的粘附強度以粘附到所述零件而在處理期間不發(fā)生分層。施加到所述零件的加工表面的所述保護涂層可為金屬材料，例如金屬箔或帶。
文檔編號B23K103/02GK102149511SQ200980135827
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權日2008年9月26日
發(fā)明者威爾遜·路, 彼得·皮羅戈夫斯基, 李光宇, 杰弗里·豪爾頓, 松本久, 格倫·西門森, 穆罕默德·E·阿爾帕伊, 類維生 申請人:電子科學工業(yè)有限公司