薄且脆的材料的气助激光切割制造技术

一种用于激光切割薄且脆的材料的改进方法和装置，其采用辅助气体排除熔化的材料和激光产生的碎屑，其特征在于高速辅助气体施加在被切割的材料上的净力基本上为零。本发明专利技术还提供一种改进的激光辅助气体喷嘴的形式，其形状确定成可达到一超音速气体流速，其有利地用于实现喷射的气体和其它材料的迅速排除。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是在美国政府的转包合同NO.ZAF-6-14271-13中完成的。附图说明图1示出代表现有技术设计的辅助气体喷嘴的端部2的结构。该喷嘴具有一内通道4，其终止于一出口孔，该孔包括一锥形上游部分6和一直径不变的窄口部分8。喷嘴端部的端面具有一平面的较宽的环形端表面14。外表面16为锥形渐缩。图中示出喷嘴端部2以其端面面对一薄板形工件18。一总体以20表示的聚焦的激光束垂直对向工件。应该指出，作为实例但不限于如此，工件18可以是一EFG生长的硅管的一个侧面，该硅管具有八边形的横截面结构。虽然未示出，应该理解通道4的另一端终止于一入口孔，其与出口孔部分6和8是共轴线的。一辅助气流在压力下经由一个或更多个气体入口22引入喷嘴并穿过射出孔6、8射向工件受激光切割的区域。从喷嘴射出的一些气体穿过由激光束在工件上形成的切口，而其余的气体侧向偏转以离开冲击区，从喷嘴与工件之间向外流出。外表面16以锐角向端面部分14延伸的原因是为了便于径向地散开辅助气体并使其离开工件。气流喷射在材料上的速度取决于气体在喷嘴孔的上游端的压力和喷嘴射出孔的形状。不管喷嘴孔结构或气压如何，当辅助气体冲击在由激光被切割的材料上时其施加一局部的力。通过增加流动(增加有效的孔尺寸)和/或气体流速可以增加该力。根据冲击在被切割的板材上的辅助气体的流量和速度，由辅助气体施加在被切割的材料上的局部力可能是相当大的。在薄而脆的材料情况下，这个力可能导致不合要求的材料裂缝。在激光切割薄的EFG生长的硅管以生产用于制造光电太阳能电池的晶片的情况中存在这样的麻烦情况。由一熔体生长结晶材料的EFG方法用于生长选定的截面形状的掺杂质的硅管，例如八边形或圆柱形截面形状的管。这些管由激光切成矩形晶片，并且这些晶片然后经过不同的加工工序而使之转变为光电电池。用EFG方法生长硅管和加工硅片以生产光电电池的方法是众所周知的，如下列文件的公开内容中所说明的，这些文件包括1990年6月26日授予给D.S.Harvey的U.S.专利NO.4937053，1988年6月14日授予给R.C.Gonsiorawski等人的U.S.专利NO.4751191，1997年12月16日授予给J.I.Hanoka的U.S.专利NO.5698451，1992年4月21日授予给B.R.Bathey等人的U.S.专利NO.5106763，1991年8月6日授予给D.S.Harvey等人的U.S.专利NO.5037622，1993年12月14日授予给M.D.Rosenblum等人的U.S.专利NO.5270248以及1993年9月14日授予给B.H.Machintosh的U.S.专利Re.34375。由于种种原因，要求EFG生长的硅管的壁厚为15密耳(mil)(0.015英寸)或更小，优选为约6-7密耳。虽然可以采用其他的激光器，但优选一掺钕钇铝石榴石(NdYAG)激光器用来将EFG生长的硅管切成矩形晶片。激光束在其焦点平面上形成一小的圆形图象或细长的图象。为了优化切割速度，必须将激光束聚焦在被切割的硅管表面上。可惜这样的管的表面不是精确平面的，而由于波纹和/或随机的凸峰和凹陷势必是不平坦的，其平面度偏差一般在约3密耳至约7密耳的范围内。因此，必须采用一自动聚焦系统用于激光器，以便当激光束相对于管移动时保持激光束聚集在硅管表面上。除了具有不平的表面外，厚度为15密耳或更小的硅管是很脆的。虽然如图1所示的喷嘴将气流限制于激光束冲击的直接区域(这是为限制由辅助气体施加在硅管上的力的任何努力的一个基本要求)，仍需要具有快速而充足的辅助气流来从切缝内排除熔化的材料。然而，要达到快速的气流需要一充足的供气压力，并且在提高气压的同时将增加由喷嘴射出的气量，其也增加由辅助气体施加在被切割的材料上的力。因此，薄硅管的激光切割的特点在于在管上切出的晶片的常见的裂缝。由于这个原因，有必要在激光切割操作的过程中限制由辅助气体施加在硅管上的局部力，同时保持足够高的气速以有效地从由激光产生的切缝内喷射出熔化的材料。另一目的是提供一种采用气体排除熔化的材料和激光产生的碎屑的激光切割脆性材料的方法，其特征在于一高速气流施加在被切割的材料上的净力基本为零。还有一目的是提供一用于激光切割的辅助气体喷嘴，其形状确定成使辅助气体可以以音速或超音速流动，从而可以有效地实现从切割区排除熔化的材料同时气流施加在被切割的材料上的净力基本上为零。又一目的是提供一用于激光器的辅助气体喷嘴，其特征在于其端部可使其在喷嘴与被切割的材料之间的足够大的间隙1.0mm或更大(即不同的间隔距离)处实现零净力。上述目的和其它一些目的由以下描述会变得显而易见的，这是由一辅助气体喷嘴实现的，该辅助气体喷嘴射出高速辅助气体并且其定位成使流动的辅助气体在被切割的材料上基本上施加无净力。在一优选的形式中，喷嘴的特征在于其端部具有一负锥形的(凹形的)端表面，并且设计成起超音速气流装置的作用。本专利技术的其它一些特征和优点由以下参照诸附图的详述公开或变得显而易见的。从具有图1中所示端部的喷嘴射出的气流所施加的力随间隔距离而改变。采用具有按图1中所示形状的端部包括窄口部分8的直径1.0mm的辅助气体喷嘴和30psi(磅/平方英寸)的供气压力时，已发现如果该间隔距离设定为等于约0.4mm的值，则流入喷嘴端部与工件之间的间隙内的气体在间隙内迅速径向扩展时，其产生一局部的真空。由于该局部的真空，产生一力将工件拉向喷嘴端部并且正好在喷嘴孔的前面基本上消除了气体冲击作用在工件上的力。这种状态称为“零净力状态”或“力平衡的状态”。在该流动状态中，在喷嘴入口并在恒定的供气压力下测定的气体流速保持常数并且等于在喷嘴不受阻碍时的流速。此时喷嘴以空气轴承的方式基本上在工件邻近表面的顶面上浮动。也已发现，进一步减小间隔距离，即小于0.4mm，同时保持供气压力不变，产生一显著增加的真空产生的力而气体流量保持不变。该真空产生的力施加于工件上。然而，再将间隔距离减到约为有效的孔直径的十分之一，即约0.1mm时，再次产生一力平衡的状态，但显著地减小了气体流量。同样，当喷嘴端部再进一步接近工件表面时，由气体施加在基片上的力迅速地变为正压。已确定关于间隔距离的最符合要求的操作点是作用在工件上的正压力和负压力是相等的和平衡的，即零净力状态，并且其中间隔距离为最大。因此，对于图1中所示具有1.0mm有效的射出孔的喷嘴来说，这个条件由间隔距离约为0.4mm来满足。然而，如图3所示，已确定力随间隔距离的变化率在间隔距离小于而不是大于力平衡的状态的约0.4mm时是更大的。因此，由于主要目的是避免使脆的材料例如薄的EFG硅管承受过度的压力，并且由于力随间隔距离的变化率在间隔距离小于而不是大于力平衡的状态的约0.4mm时是更大的，优选稍大的间隔距离(例如在约0.5与0.6mm之间)。一1.0mm直径的孔口从约0.5或0.6mm减小间隔距离比从约0.4mm的距离减小一同样的距离不大可能使脆的材料如薄的EFG管承受过度的压力。然而，虽然当采用图1中所示喷嘴在间隔距离在0.4至0.6mm范围内激光切割脆的硅管时可以得到满意的切割结果，实际上优选更大的间隔距离以免喷嘴端部与工件碰撞，特别是在切割EFG管的情况下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从工件上切割部段的激光切割装置，其包括： 一用于产生激光束的激光器； 一喷嘴组件，其包括一喷嘴和光学装置，所述喷嘴具有入口孔和出口孔以及一用于使辅助气体进入所述喷嘴的内部以便经所述出口孔射出的气体入口，所述光学装置设置在所述入口孔与出口孔之间，其用于（ａ）使经所述入口孔进入的激光束指向并通过所述出口孔，以及（ｂ）将所述激光束聚焦在需由该激光束切割的工件上； 一提供光路径的装置，该光路径用于所述激光束从所述激光器经所述入口孔至所述光学装置； 一用于在一选定的压力下向所述气体入口供应气体的装置，由此产生一从所述出口孔射出的所述气体的高速气流； 一喷嘴定位装置，其包括用于在大致平行于待切割工件的平面的平面内沿Ｘ轴和Ｙ轴方向移动所述喷嘴的第一装置和第二装置，并且包括用于沿与Ｘ轴和Ｙ轴方向正交的Ｚ轴方向移动所述喷嘴的第三装置；以及 一用于操纵所述第三装置的控制装置，其使所述喷嘴位于相对于工件的一选定的切割位置处，在该位置处由所述高速气流施加在所述工件上的净力大致为零。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：BP皮夫茨克，
申请(专利权)人：RWE肖特太阳公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]