CN102653031B - 一种激光驱动组合飞片成形方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械制造技术领域，特指一种激光驱动组合飞片成形方法及其装置。该发明首次提出利用脉冲激光驱动载能飞片高速运动，载能飞片飞行一段距离后与静止的成形飞片发生碰撞，根据两个飞片之间的速度增益关系，成形飞片获得远大于载能飞片的超高速度，成形飞片飞行一段距离与工件发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波，高压冲击波向工件材料内部传播，使得材料在微模具内产生超快塑性变形，从而实现工件的精确成形。该发明能够在现有的实验条件下明显提高成形飞片的速度，从而增强激光驱动飞片技术的成形能力，适用于对表面质量要求较高或者难成形材料的精密成形，同时可用于微器件制造等领域。
Description
技术领域
本发明属于激光加工微机电***制造技术领域，特指一种激光驱动组合飞片成形方法及其装置，能够精确复制微模具上的微细特征到工件上，适用于微尺度下常规方法难以成形或无法成形的复杂工件微体积成形。
背景技术
随着现代科学技术的发展和微零件、微器件需求量的不断增加，微型化成为当代科技发展的一个重要方向；由于微成形装置一般体积较小，内部结构相对复杂，零件要求精度较高，目前的微成形装置存在加工操作难度较高，加工效率较低等问题，使得传统成形方法与装置难以满足现代微零件加工的要求；同时准静态塑性微成形受到尺度效应的影响，材料成形能力下降，难以满足一些高硬度高脆性等难成形材料的加工，使其在工业生产中受到很多的限制；因此，国内外学者在传统微成形的基础上积极寻找新的微成形方法，近年来迅速发展的激光加工技术为我们解决这一难题提供了较好的研究基础；由于激光加工质量好，加工精度高，与传统加工方式相比，加工质量和效率显著提高，激光加工技术日益广泛的应用在微小零件加工上。
激光驱动飞片成形技术是一种新型高压高应变率成形技术，即通过激光驱动飞片加载的方式代替激光直接冲击，将激光能量转化为飞片的动能，利用激光驱动飞片高速运动，高速运动的飞片作为激光能量的载体，飞行一段距离后与工件材料发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波使材料在微型模具内产生超快塑性变形，从而实现工件在微模具中的精确成形；与传统的高速驱动方式如气体炮、爆轰驱动以及电磁驱动等相比，激光驱动飞片技术可以显著提高飞片的速度，从而能够产生TPa量级的冲击压力；激光驱动飞片成形技术的可重复性较高，装置简单，是一种低成本、高效率的新型激光微加工技术，对其所涉及的诸多研究领域都具有极大的理论研究和潜在应用价值。
飞片速度是激光驱动飞片技术中一个主要的性能指标，直接反映激光能量的利用率和飞片的动态加载性能，是激光驱动飞片成形技术的研究重点；但是目前激光驱动飞片成形技术由于激光器性能、飞片的材料选择和制备工艺等诸多条件的限制，飞片能量耦合效率较低，飞片驱动速度较低，从而导致激光驱动飞片技术的成形能力不高；如发明专利申请号为200810023264.3的中国专利一种微器件的激光冲击微体积成形方法和装置以及申请号为201010505882. 9的中国专利一种激光间接复合微塑性成形装置及方法，为提高飞片的驱动速度，均提出采用水或硅油将约束层和飞片粘附在一起制备成飞片靶的方法，该方法由于涂层材料的粘结性问题，容易产生粘结不牢固或者不均匀等问题，导致在激光冲击过程中产生等离子体泄露现象，导致飞片的能量耦合效率下降，激光驱动出去的飞片无法达到很高的速度，降低了飞片与工件碰撞所产生的冲击压力，从而导致激光驱动飞片的成形能力大大下降；相比以上专利提出的激光驱动飞片成形方法，本发明所述的一种激光驱动组合飞片成形方法能够在现有的实验条件下较好地解决其存在的驱动飞片速度不高、成形能力较差等问题，是一种低成本、高效率的新型激光微加工技术。
发明内容
本发明主要是针对目前在激光驱动飞片成形过程中驱动飞片速度较低，从而导致激光驱动飞片技术成形能力不高的突出问题；为解决这一问题，进一步提升现有实验装置及相关技术的超高速发射能力，本发明首次提出在激光驱动飞片成形技术中采用组合飞片成形方法。
本发明的装置主要由激光加载***、成形***和控制***组成；激光加载***由纳秒激光器、反射镜、聚焦透镜组成，纳秒激光器装有指示光***；成形***包括组合飞片装置、试样装置、夹具体、三维移动平台以及L型底座；控制***由三维移动平台控制器、计算机、激光控制器组成。
成形***中，最下方为L型底座，三维移动平台放置在L型底座上，三维移动平台上方由下到上依次放置试样装置、夹具体和组合飞片装置；微模具位于试样装置下部，通过夹具体来进行定位和夹紧，工件放在微模具上；组合飞片装置由成形***和冲击***组成，成形***中由下到上依次为成型管、成形飞片和缓冲层，成形飞片与缓冲层通过蒸馏水或硅油进行粘结；冲击***整***于成形***上方，由下到上依次为冲击管、载能飞片和约束层，载能飞片与约束层采用蒸馏水进行粘结；所述成形管采用WAl1钨合金作为管壁材料，缓冲层材料选用聚丙烯塑料，约束层采用K9玻璃，载能飞片和成形飞片采用铝箔；冲击管的长度等于成形管长度的1~1.5倍。
本发明所述的方法是在激光驱动飞片成形技术中采用组合飞片装置，利用已被驱动到高速的质量m1的载能飞片去撞击质量为m2的成形飞片，m1与m2比值根据成形飞片所需速度进行调节，一般在6~30：1之间；载能飞片在冲击管中飞行了一段距离并被加速到较大的速度值，高速飞行的载能飞片与缓冲层碰撞，缓冲层材料受压缩后发生离解或气化，由于成形管采用WAl1钨合金作为管壁材料，此时将会从成形管的上端反射一强压缩波或冲击波，使成形管边缘区域的压力大大高于中心处的压力，从而导致缓冲层材料形成的气体发生二维会聚流动，边部的能量不断向中心会聚，进而驱动成形飞片使之加速到超高速度；由于成形飞片的直径和质量比载能飞片小，根据两飞片之间的速度增益关系，成形飞片可以获得高于载能飞片2~5倍的超高速度，从而使成形飞片与工件碰撞后在碰撞界面上产生更强的冲击波，从而增强激光驱动飞片的成形能力。
本发明装置工作时，纳秒激光器发出的脉冲激光经第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜后作用于载能飞片上表面，烧蚀一部分飞片并产生高温高压等离子体，在激光脉宽时间内等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀***，在约束层的约束作用下，***等离子体迅速向飞片方向喷溅，其反冲作用力可形成强冲击波驱动剩余飞片向前运动，在激光脉冲持续时间内，载能飞片将不断吸收激光能量，将其转化成自身的动能，加速向前飞行；当入射激光脉冲结束时，载能飞片已经在冲击管中向成形飞片方向飞行了一段距离，高速飞行的载能飞片与缓冲层碰撞，缓冲层材料受压缩后发生离解或气化，所形成的气体发生二维会聚流动，进而驱动成形飞片运动；根据两飞片之间的速度增益关系，成形飞片能够获得比载能飞片更高的速度，成形飞片在成形管中飞行一段距离后与工件发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波，高压冲击波向工件内部传播, 使得材料在微模具内产生超快塑性变形，从而实现工件的精确成形。
为验证本专利提出的组合飞片的成形效果，通过一组对比试验观察工件的成形；对比实验采用Spitlight 2000型 Nd:YAG 激光器，脉宽8ns，波长1064nm，约束层为?40mm×1.76mm的K9玻璃，试验工件材料为铜箔（厚度20μm），激光脉冲能量为1380mJ，离焦量为-30cm；对比试验中一组采用如图3所示激光驱动飞片成形技术，飞片为纯度为99.9%的铝箔（厚度17μm），实验飞行腔长度为170μm，用蒸馏水将约束层和飞片进行粘结；另一组采用专利提出的激光驱动组合飞片成形方法，载能飞片和成形飞片均采用纯度为99.9%的铝箔，厚度分别为80μm和17μm，质量比为8：1，冲击管长度为220μm，成型管长度为170μm，缓冲层采用厚度为60μm聚丙烯塑料，成形飞片与缓冲层用蒸馏水进行粘结；图4是采用现有技术的成形工件的三维形貌图，图5是采用本发明技术方案的成形工件的三维形貌图；图4中工件的最大变形深度为105.189μm，而图5中工件的最大变形深度为161.342μm，实验结果说明采用组合飞片成形效果远优于目前的激光驱动飞片成形方法。
本发明的效果：
1. 当载能飞片撞击成形飞片时，因为成形飞片的质量小于载能飞片，所以其速度与载能飞片相比获得2~5倍提高，从而产生增压效果，利用这种超高速成形飞片冲击工件，就可以获得TPa量级的超高压；由此可见，利用激光驱动组合飞片方式实现成形飞片的超高速飞行，可以在现有的实验条件下实现激光驱动飞片成形能力的大幅度提高，具有成本低，工艺简单，效率高的特点，可用于大规模工业推广。
2. 由于载能飞片与成形飞片碰撞时有缓冲层的存在，实现了载能飞片对成形飞片的均匀、非冲击式加载；成形飞片的温升可以显著减少，有效避免传统激光驱动飞片加载过程中由于温升过高导致的飞片烧蚀或者熔化等现象，较好地实现成形飞片“冷”和“快”的加速，同时提高了激光能量的转化效率，有利于飞片速度的提高和激光驱动飞片成形能力的提高。
附图说明
图1所示是根据本发明提出的激光驱动组合飞片成形方法的装置示意图；
图2所示是根据本发明提出的组合飞片装置示意图；
图3所示是传统激光驱动飞片成形工艺中飞片靶***示意图；
图4是采用现有技术的成形工件的三维形貌图；
图5是采用本发明技术方案的成形工件的三维形貌图；
图中，1.L型底座，2.三维移动平台，3.夹具体，4.试样装置，5.组合飞片装置，6.聚焦透镜，7.第二反射镜，8.第一反射镜，9.纳秒激光器，10.激光控制器，11.计算机，12.三维移动平台控制，13.约束层，14.载能飞片，15.冲击管，16.缓冲层，17.成形飞片，18.成形管，19.工件，20.微模具，21.飞片，22.飞行腔。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的技术方案细节和工作情况。
图1为本发明进行激光驱动组合飞片成形装置示意图；激光控制器10分别与纳秒激光器9和计算机11连接，计算机11控制激光控制器10，激光控制器10对纳秒激光器9发出的脉冲激光参数进行调整；纳秒激光器9发出的激光经第一反射镜8、第二反射镜7和聚焦透镜6照射在组合飞片装置5上；夹具体3安放在三维移动平台2上，用于夹紧和定位试样装置4，组合飞片装置5压紧在试样装置4上面；三维移动平台2安装在L型底座上，三维移动平台控制器12与三维移动平台2连接，三维移动平台2的位移调整由计算机11控制的三维移动平台控制器12调控。
图2为本发明提出的组合飞片装置示意图；组合飞片装置由约束层13，载能飞片14，冲击管15，缓冲层16，成形飞片17和成形管18组成；约束层采用K9玻璃，作用是限制***等离子体的发散并使其向吸收层薄膜及工件方向运动，同时保证激光束透过时无明显能量损失，约束层13与载能飞片14之间用蒸馏水或硅油粘附在一起制备成载能飞片靶，缓冲层16选用聚丙烯塑料，缓冲层16受压缩后发生离解或气化，可以减少成形飞片在碰撞过程中的温升，同时能实现载能飞片14对成形飞片17的均匀、非冲击式加载，具有一定的隔热和减震的作用。
实施技术方案的具体过程如下：
（1）根据所需成形工件的成形要求来设计微模具，通过激光驱动冲击飞片运动的Gurney模型计算得到激光能量、光斑直径、离焦量等加工参数。
（2）根据加工的实际情况，调节三维移动平台2的高度，以便于试样装置4的安装，然后将试样装置4在夹具体3中夹紧，组合飞片装置5压紧在试样装置4上；然后，打开激光控制器10和纳秒激光器9，利用激光控制器10调控装有指示光的纳秒激光器9发出一束指示光，指示光通过第一反射镜8、第二反射镜7、经过聚焦透镜6到达组合飞片装置5，利用三维移动平台控制器12控制三维移动平台2精确动作，在约束层13上获得需要的光斑面积，然后保持各部件位置的固定，关闭指示光。
（3）根据加工要求，由计算机11计算参数并将参数输送到激光控制器10中，激光控制器10控制纳秒激光器9发出一定能量和一定脉宽的脉冲激光，脉冲激光依次通过反射镜8、第二反射镜7、经过聚焦透镜6后穿过约束层13到达载能飞片14上，激光驱动载能飞片14穿过冲击管15后与缓冲层16发生高速碰撞，高速碰撞过程中，缓冲层16材料受压缩后发生离解或气化，由于成形管18采用阻抗很高的WAl1钨合金作为管壁，此时将会从成形管上端反射一强压缩波或冲击波，使成形管18边缘区域的压力大大高于中心处的压力，从而导致缓冲层16材料形成的气体发生二维会聚流动，边部的能量不断向中心会聚，进而驱动成形飞片17使之加速到超高速度；在组合飞片装置中，成形飞片17的直径和质量比载能飞片14小，根据两飞片之间的速度增益关系，成形飞片17获得比载能飞片14更高的速度，成形飞片17在成形管18中飞行一段距离后与工件19发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波，使得工件19在微模具20内产生超快塑性变形，从而实现工件19在微模具20中的精确成形。
Claims (2)
1.一种激光驱动组合飞片成形方法，其特征在于： 纳秒激光器发出的脉冲激光经第一反射镜、第二反射镜、聚焦透镜后作用于载能飞片上表面，烧蚀一部分飞片并产生高温高压等离子体，在激光脉宽时间内等离子体继续吸收激光能量使得等离子体膨胀***，在约束层的约束作用下，***等离子体迅速向飞片方向喷溅，其反冲作用力可形成强冲击波驱动剩余飞片向前运动，在激光脉冲持续时间内，载能飞片将不断吸收激光能量，将其转化成自身的动能，加速向前飞行；当入射激光脉冲结束时，载能飞片已经在冲击管中向成形飞片方向飞行了一段距离，高速飞行的载能飞片与缓冲层碰撞，缓冲层材料受压缩后发生离解或气化，所形成的气体发生二维会聚流动，进而驱动成形飞片运动；根据两飞片之间的速度增益关系，成形飞片能够获得比载能飞片更高的速度，成形飞片在成形管中飞行一段距离后与工件发生碰撞，在碰撞界面上产生高压冲击波，高压冲击波向工件内部传播, 使得材料在微模具内产生超快塑性变形，从而实现工件的精确成形；所述成形管采用WAl1钨合金作为管壁材料，缓冲层材料选用聚丙烯塑料，冲击管的长度等于成形管长度的1~1.5倍，所述载能飞片与成形飞片的质量比为6~30：1。
2.一种激光驱动组合飞片成形装置，由激光加载***、成形***和控制***组成，其特征在于：所述成形***包括组合飞片装置；所述组合飞片装置由成形***和冲击***组成，成形***中由下到上依次为成形管、成形飞片和缓冲层，成形飞片与缓冲层通过蒸馏水或硅油进行粘结；冲击***整***于成形***上方，由下到上依次为冲击管、载能飞片和约束层，载能飞片与约束层采用蒸馏水进行粘结；所述成形管采用WAl1钨合金作为管壁材料，缓冲层材料选用聚丙烯塑料，冲击管的长度等于成形管长度的1~1.5倍，所述载能飞片与成形飞片的质量比为6~30：1。
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