專利名稱：利用例如由金剛砂制成的屏蔽裝置激光加工工件的主表面的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種屏蔽裝置，更具體地，涉及一種用于激光加工系統(tǒng)和方法的屏蔽
裝置。
背景技術(shù)：
工業(yè)激光器被用于各種加工操作。這些操作中的一種包括利用激光器來形成完全 或部分地穿過工件的孔。在工件為薄壁殼體的情況下，通常希望利用激光器來形成延伸穿 過工件的壁的孔。由于一些工件的幾何形狀，會(huì)出現(xiàn)在工件的第一表面中形成期望的孔之 后用于鉆孔的激光束沖擊在工件的第二表面上的情況。如圖l所示，例如，激光束2用于在 工件6的第一表面4中形成孔。在激光束2穿透第一表面4之后，激光束2沖擊在第二表 面8上。以這種方式?jīng)_擊在第二表面8上會(huì)不希望地影響第二表面8。特別地，第二表面8 會(huì)被無意識(shí)且不希望地加工或熱處理。例如，用于在燃料噴射器噴嘴中鉆孔的激光束會(huì)沖 擊在燃料噴射器噴嘴的內(nèi)部表面上并且不希望地影響該內(nèi)部表面。 阻止激光束沖擊在工件的表面上的一種方式是利用屏蔽阻擋激光束。2000年6 月6日授予Durheim的美國專利No. 6070813 ( '813專利)中描述了這種策略的一個(gè)例子。 '813專利描述了將襯底材料插入在第一內(nèi)部表面和非目標(biāo)的第二內(nèi)部表面之間，以阻止激 光束穿過第一內(nèi)部表面并沖擊在非目標(biāo)的第二內(nèi)部表面上。襯底材料是以下材料組中的一 種材料的材料塊鎢、碳化鎢、陶瓷、或其它高溫材料。這些材料具有吸收大量激光能量而不 分裂的能力。襯底材料通過氣隙與第一內(nèi)部表面隔開，這允許激光束發(fā)散，由此減小激光束 沖擊襯底材料的功率密度。另外，氣隙允許對(duì)流空氣流冷卻襯底材料。如果在第一內(nèi)部表 面中形成的通道損傷了襯底材料，使其不能阻擋激光束和保護(hù)非目標(biāo)的第二內(nèi)部表面，則 需要替換襯底材料。 現(xiàn)有技術(shù)中其它類型的屏蔽具有圓柱形并且由散射和吸收激光束能量的玻璃纖 維制成。玻璃纖維通常為圓柱形且具有基本上平的端部。 雖然'813專利的襯底材料和現(xiàn)有技術(shù)中其它類型的屏蔽起初可以保護(hù)非目標(biāo)的 內(nèi)部表面不受用于形成孔的激光束的影響，但它們?cè)陂L且/或反復(fù)的加工操作過程中會(huì)失 效。特別地，用于'813專利的材料塊和/或其它現(xiàn)有技術(shù)的屏蔽(玻璃)的材料的分子和 /或原子之間的化學(xué)鍵不能承受長且/或反復(fù)的加工操作。另外，激光束會(huì)圍繞'813專利 的襯底材料通過'813專利的氣隙泄漏。類似地，激光束能夠圍繞圓柱形玻璃纖維泄漏。泄 漏的激光束會(huì)沖擊在非目標(biāo)的表面上，致使這些非目標(biāo)的表面被不希望地加熱和加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述的一個(gè)或多個(gè)問題和/或本領(lǐng)域中的其它問題。 在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種制造屏蔽裝置用于保護(hù)工件的副表面不受用于加工
工件的主表面的激光束能量影響的方法。該方法可以包括選擇材料，該材料包括金剛砂、立
3體氧化鋯、尖晶石、金剛石或氧化鋁陶瓷中的至少一種。該方法也可以包括使所選擇的材料 塊成形，使得工件的表面部分近似地對(duì)應(yīng)于工件的主表面的內(nèi)側(cè)的輪廓。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種激光加工工件的主表面的方法。工件也可以包括副 表面。該方法可以包括提供具有由材料形成的末端的屏蔽裝置，該材料包括金剛砂、立體氧 化鋯、尖晶石、金剛石或氧化鋁陶瓷中的至少一種。該方法還可以包括定位屏蔽裝置，使得 屏蔽裝置的末端的表面部分靠近工件的主表面的內(nèi)側(cè)。另外，該方法可以包括使工件的主 表面與激光束接觸，以加工穿過主表面的孔。該方法還可以包括通過利用屏蔽裝置的末端 吸收激光束能量的至少一部分來保護(hù)副表面不受激光束能量的影響。 在又一方面，本發(fā)明涉及一種用于加工工件的激光加工系統(tǒng)。該工件可以包括主 表面和副表面。該系統(tǒng)可以包括能夠發(fā)射激光束的激光發(fā)射器。該系統(tǒng)也可以包括具有由 金剛砂形成的吸收部分的屏蔽裝置。吸收部分可以包括表面部分，該表面部分的形狀近似 地對(duì)應(yīng)于工件的主表面的內(nèi)側(cè)的輪廓。


圖1是穿透工件的第一表面并且沖擊在工件的第二表面上的激光束的視圖；
圖2是一種示例性公開的具有屏蔽裝置的激光加工系統(tǒng)的視圖；
圖3是與圖2的屏蔽裝置一起使用的末端的視圖；以及 圖4是圖3的末端被定位用于吸收穿透工件的主表面的激光束能量的至少一部分 的視圖。
具體實(shí)施例方式
圖2示出了用于加工工件15的示例性的激光加工系統(tǒng)IO。特別地，加工系統(tǒng)IO 可以包括用于加工工件15的激光發(fā)射器20。激光發(fā)射器20例如可以包括超脈沖激光器、 飛秒激光器、或可操作用于加工工件15的另外的激光器。具體而言，激光發(fā)射器20可以發(fā) 射激光束25形式的能量，該能量可以接觸并加工工件15。可以想到，激光束25可以接觸工 件15的主表面30并加工穿過工件15的主表面30的孔。在加工孔之后，激光束25可以穿 透主表面30。為此，加工系統(tǒng)10也可以包括用于保護(hù)工件15的副表面40不受激光束25 的能量的影響的屏蔽裝置35。另外，加工系統(tǒng)10可以包括夾具(未示出)，該夾具可以保 持工件15和屏蔽裝置35且相對(duì)于工件15定位屏蔽裝置35。 屏蔽裝置35可以包括末端45形式的吸收部分，該吸收部分可以至少部分地吸收 激光束25的能量，由此掩蔽或保護(hù)工件15的副表面40?？梢允菬崮苄问降囊恍┍晃盏?能量可以通過桿50傳導(dǎo)遠(yuǎn)離末端45，該桿50可以保持末端45。例如，末端45可以經(jīng)由機(jī) 械壓配合連接到桿50。在一些實(shí)施方式中，屏蔽裝置35也可以包括位于殼體60內(nèi)的柱塞 55。柱塞55和殼體60連同夾具一起可使桿50和末端45相對(duì)于工件15定位，如以下更加 詳細(xì)的描述。 末端45可以由能夠在加工工件15的過程中吸收激光束25的能量的材料形成。 例如，材料可以包括金剛砂、立體氧化鋯、尖晶石、金剛石或氧化鋁陶瓷中的至少一種。在一 些實(shí)施方式中，材料可以具有多晶狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以使激光束25在末端45中散射。這可 以阻止激光束25離開末端45并以束的形式?jīng)_擊在副表面40上。末端45也可以經(jīng)由加工成形，以阻止激光束25在末端45周圍泄漏并且沖擊在副表面40上。該成形可以根據(jù)工件 15而變化，并在以下進(jìn)行更詳細(xì)的討論。另外，末端45可以被成形為阻止或降低激光束25 在末端45的內(nèi)部聚焦，從而防止或降低激光束25的能量在末端45的內(nèi)部集中，同時(shí)延長 末端45的使用壽命。例如，末端45可以成形為非球形，其中，激光束25可以沖擊在末端45 上。 如前所述，由末端45吸收的能量可以通過桿50傳導(dǎo)遠(yuǎn)離末端45。因此，桿50可 以由具有高導(dǎo)熱率的金屬，例如銅或鋁形成。該高導(dǎo)熱率可以允許桿50將熱能形式的能量 快速遠(yuǎn)離末端45傳遞，阻止激光束25的能量在末端45中聚積，并且延長末端45的使用壽 命。如圖2所示，桿50可以具有第一桿端65，該第一桿端65能夠保持末端45。桿50也可 以具有第二桿端70，該第二桿端70可以具有球形印痕，用于經(jīng)由連接器75將桿50與柱塞 55連接。 連接器75可以具有兩個(gè)球形端部。 一個(gè)球形端部的尺寸為可以配合在第二桿端 70的球形印痕中，而另一個(gè)球形端部的尺寸為可以配合在柱塞55的球形印痕中。連接器 75的這些球形端部可以允許桿50和末端45相對(duì)于柱塞55和殼體60旋轉(zhuǎn)和樞轉(zhuǎn)。連接 器75也可以允許柱塞55相對(duì)于殼體60橫向地定位桿50和末端45 (即，沿著桿50的軸線 80使桿50和末端45移動(dòng))。該橫向定位可以響應(yīng)于由偏置裝置提供的力。例如，橫向定 位可以響應(yīng)于彈簧85的壓縮和/或展開，彈簧85可以連接到柱塞55并且位于殼體60內(nèi)。 特別地，當(dāng)桿50和末端45相對(duì)于工件15定位時(shí)，彈簧85可以壓抵殼體60的端部或者從 殼體60的端部展開，使得彈簧85推動(dòng)柱塞55并且橫向定位桿50和末端45。然而，應(yīng)當(dāng)注 意到，第二桿端70可以定位在殼體60中，以限制桿50和末端45運(yùn)動(dòng)。特別地，第二桿端 70可以定位在殼體60中且位于殼體60的第一開口 90和第二開口 95之間。第一開口 90 可以比第二桿端70小，從而防止第二桿端70行進(jìn)超出第一開口 90。并且，第二開口 95可 以由帽97密封，帽97可以阻止第二桿端70行進(jìn)超出第二開口 95。帽97也可以是彈簧85 可以開始擴(kuò)展并且彈簧85可以壓抵的端部。 屏蔽裝置35可以通過首先將桿50穿過第二開口 95插入殼體60中，直到第一開 口 90保持桿50(S卩，阻止桿50進(jìn)一步行進(jìn))來組裝。但是，應(yīng)當(dāng)注意到，第一桿端65可以 在第一開口 90保持第二桿端70之前穿過第一開口 90，從而暴露第一桿端65。連接器75、 柱塞55和彈簧85然后可以通過第二開口 95插入到殼體60中。接著，帽97可以例如經(jīng)由 螺紋或本領(lǐng)域已知的另外類型的緊固件可移除地緊固到第二開口 95。 如前所述，柱塞55和殼體60可以連同夾具相對(duì)于工件15定位桿50和末端45。該 定位可以根據(jù)末端45的形狀和工件15的形式而變化。例如，如圖3和4所示，末端45可以 被成形為保護(hù)副表面40。副表面40可以是燃料噴射器的針閥座形式。特別地，末端45的 最大直徑表面部分100可以被成形為使得其近似地對(duì)應(yīng)于工件15的主表面30的內(nèi)側(cè)105 的輪廓。雖然圖3和4示出的表面部分100為圓形，但應(yīng)當(dāng)理解圖3和4僅僅是示例性的。 表面部分IOO還可以成形為其它形狀，只要其近似地對(duì)應(yīng)于內(nèi)側(cè)105的輪廓即可。 一旦通 過相對(duì)于工件15移動(dòng)殼體60而定位末端45，末端45的這種成形可以阻止激光束25圍繞 末端45泄漏并且沖擊在副表面40上。具體而言，殼體60和/或工件15可以運(yùn)動(dòng)，使得末 端45插入到工件15中直到末端45的表面部分100靠近內(nèi)側(cè)105。特別地，該運(yùn)動(dòng)可以壓 縮彈簧85，致使彈簧85推動(dòng)柱塞55并且使桿50和末端45相對(duì)于內(nèi)側(cè)105橫向定位。該運(yùn)動(dòng)也可以致使桿50和末端45相對(duì)于柱塞55旋轉(zhuǎn)，使得末端45和桿50與工件15同軸 對(duì)準(zhǔn)。 工業(yè)實(shí)用性 本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)可以應(yīng)用于其中激光束會(huì)不期望地沖擊在工件的表面上 的激光加工操作。特別地，本發(fā)明的屏蔽裝置可以在長且/或反復(fù)的加工操作過程中保護(hù) 工件的表面?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2至4描述利用屏蔽裝置的激光加工方法。 該方法可以包括選擇用于形成末端45的材料。如前所述，該材料可以包括金剛 砂、立體氧化鋯、尖晶石、金剛石或氧化鋁陶瓷中的至少一種。該選擇可以基于激光束25的 波長。例如，當(dāng)激光束25的波長在大約490納米和大約570納米之間時(shí)(即，當(dāng)激光束25 是綠色時(shí))，可以選擇紅寶石(金剛砂的一個(gè)類型)。又例如，當(dāng)激光束25的波長在大約 800納米和大約2500納米之間時(shí)(即，當(dāng)激光束25為近似紅外線時(shí))，可以選擇藍(lán)色藍(lán)寶 石(金剛砂的另一種類型)。再例如，可以選擇另外類型的金剛砂，例如粉橙色藍(lán)寶石、黃色 藍(lán)寶石、綠色藍(lán)寶石或另外顏色的藍(lán)寶石。通過基于激光束的波長選擇材料，可以增強(qiáng)末端 45從激光束25吸收能量的能力。 另外，該方法可以包括使選擇的材料成形以形成末端45。具體地，可以使選擇的材 料塊成形，使得末端45包括末端45的表面部分100，該表面部分近似地對(duì)應(yīng)于內(nèi)側(cè)105的 輪廓。所選擇的材料塊也可以成形為非球形，其中，激光束25可以沖擊在其上，阻止或降低 激光束25的能量在末端45的內(nèi)部聚積，并且延長了末端45的使用壽命。
該方法還可以包括將末端45與桿50連接，當(dāng)屏蔽裝置35被組裝好時(shí)，桿50可以 連接到柱塞55。在連接好后，柱塞55和殼體60可以連同夾具一起使用，以相對(duì)于工件15 定位桿50和末端45，如前所述?？梢韵氲?，該定位可以阻止激光束25圍繞末端45泄漏并 且不希望地影響副表面40。 接著，可以從激光發(fā)射器20朝著主表面30發(fā)射激光束25?？梢韵氲?，激光束25 可以加工穿過主表面30的孔并且沖擊在末端45上。末端45可以反射激光束25能量的至 少一部分，阻止激光束25的能量的至少一部分進(jìn)入末端45，同時(shí)延長末端45的使用壽命。 該反射的能量可以散射，使得其不會(huì)不希望地影響工件15的任何表面。末端45也可以吸 收激光束25的能量的至少一部分，阻止該能量不希望地影響副表面40。 一旦被吸收，能量 可以經(jīng)由桿50遠(yuǎn)離末端45傳遞，阻止激光束25的能量在末端45內(nèi)積聚，同時(shí)延長末端45 的使用壽命。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將很清楚，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以進(jìn)行多種修正和變 形?？紤]到根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的說明書和實(shí)踐，該方法和系統(tǒng)的其他的實(shí)施方式對(duì) 于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也將是很清楚的。說明書和實(shí)施例僅意于被認(rèn)為是示例性的，本發(fā) 明的真正的范圍由權(quán)利要求書及其等同物來確定。
權(quán)利要求
一種激光加工工件(15)的主表面(30)的方法，所述工件包括所述主表面和副表面(40)，所述方法包括提供具有由一材料形成的末端(45)的屏蔽裝置(35)，所述材料包括金剛砂、立體氧化鋯、尖晶石、金剛石或氧化鋁陶瓷中的至少一種；定位所述屏蔽裝置，使得所述屏蔽裝置的所述末端的表面部分(100)靠近所述工件的所述主表面的內(nèi)側(cè)(105)；使所述工件的所述主表面與激光束(25)接觸，以加工穿過所述主表面的孔；并且通過利用所述屏蔽裝置的所述末端吸收激光束能量的至少一部分來保護(hù)所述副表面不受激光束能量的影響。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供所述屏蔽裝置包括提供具有由金剛砂形成的末端的屏蔽裝置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，提供所述屏蔽裝置包括提供具有由藍(lán)色藍(lán)寶石形成的末端的屏蔽裝置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，還包括確定所述激光束的波長，其中，提供所述屏蔽裝置包括提供具有由基于所述激光束的波長選擇的材料形成的末端的屏蔽裝置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，還包括用所述屏蔽裝置來反射所述激光束能量的至少一部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，還包括經(jīng)由桿(50)使熱能形式的能量遠(yuǎn)離所述末端傳導(dǎo)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，提供所述屏蔽裝置包括使一材料塊成形為所述末端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，使所述材料塊成形包括使具有多晶狀結(jié)構(gòu)的所述材料塊成形。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，使所述材料塊成形包括使所述材料塊成形為非球形。
10. —種用于加工工件(15)的激光加工系統(tǒng)(IO)，所述工件包括主表面(30)和副表面(40)，所述激光加工系統(tǒng)包括激光發(fā)射器(20)，其能夠發(fā)射激光束(25);禾口屏蔽裝置(35)，其包括由金剛砂形成的吸收部分(45)，所述吸收部分包括表面部分(IOO)，該表面部分(100)的形狀近似地對(duì)應(yīng)于所述工件的所述主表面的內(nèi)側(cè)(105)的輪廓。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于加工工件(15)的激光加工系統(tǒng)(10)。工件(15)可以具有主表面(30)和副表面(40)。該系統(tǒng)具有能夠發(fā)射激光束(25)的激光發(fā)射器(20)。該系統(tǒng)具有屏蔽裝置(35)，該屏蔽裝置具有由金剛砂形成的吸收部分(45)。吸收部分(45)可以具有表面部分(100)，該表面部分的形狀近似地對(duì)應(yīng)于工件(15)的主表面(30)的內(nèi)側(cè)(105)的輪廓。
文檔編號(hào)F02M61/16GK101795809SQ200880103093
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月15日
發(fā)明者M·B·格蘭特, 胡兆力 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司