CN103302399B - 一种基于高能脉冲激光力效应的微平整装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高能脉冲激光力效应的微平整装置，包括激光驱动控制***、靶材***和靶材装夹位移***。激光驱动控制***包括计算机、控制器、纳秒激光器、平面反射镜和聚焦透镜；靶材***装夹于所述靶材装夹位移***上；靶材装夹位移***包括控制器、三维移动平台、L型底座和夹具体。本发明可实现靶材表面缺陷的微平整而且改善靶材性能，使靶材能抵抗缺陷；本发明具有激光热平整的优势，同时，作为非热平整过程，通过在目标表面产生的残余应力可以使材料性能保持甚至提高，这可以在工业行业生产中提高目标的抗腐蚀和抗疲劳能力以防止产生微小裂纹。基于高能脉冲激光力效应的微平整是容易实现的，且非常有用的高精度平整技术。

Description

一种基于高能脉冲激光力效应的微平整装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种适用于金属靶材表面的微平整装置及其方法，特别涉及一种基于高能脉冲激光力效应的金属板材缺陷的微平整装置及其方法，属于微机电***(MEMs)微平整技术和激光微成形技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，产品微型化的趋势日趋加快，对微、小型零件的需求量也越来越大，特别是微机电***(MEMS)领域的飞速发展。在这些行业和领域中，金属板材的平整度要求很高。而金属板材成形方法无法避免的会在金属表面形成各种缺陷，典型的有：点缺陷，线缺陷与面缺陷。虽然，这些表面缺陷可以通过锻压机赋予较小的力来缓慢压平，或置于低进给压力机来减小乃至消除表面缺陷，但是，由于这些传统的平整方法存在加工耗时，加工效率低的缺点，使其在工业生产中受到很多限制。

而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研究基础。由于激光加工质量好，加工精度高，激光能量密度高，可以瞬间完成加工，能够成形常规方法难以加工的材料，与传统加工方式相比，加工质量显著提高，将激光加工技术应用在微小零件的加工上已逐渐提到日程上来。

论文Experimental investigation on laser flattening of sheet metal 报道了一种利用激光诱导的热效应实现金属板材的平整方法，可以在不使用工具或加载外力的情况下减小乃至消除表面缺陷。该技术被认为是一种温度场与形变场相互影响相互作用的过程，属于复杂的热力耦合问题，即通过产生温度梯度在金属靶材表面来产生残余应力。当激光束照射到金属表面缺陷时，目标表面被加热，并在厚度方向上产生非均匀的温度场。产生的热应力可以实现塑性变形，进而消除表面缺陷。文中介绍了三种典型的缺陷（点缺陷，线缺陷，面缺陷）的平整方法，如：金属板材的点缺陷可通过利用激光束在缺陷处进行圆周扫描与径向扫描来克服。

然而，由于热成形机制取决于由激光诱导产生的温度场，这种温度场是被工件的几何形状，激光功率，激光束直径，扫描速度，扫描路径等所影响决定的，这会使平整过程变得很难控制。此外，热效应会导致不良的微观结构产生，包括在此过程中产生非预期的相变和再结晶。它可能会熔化或烧蚀目标表面，甚至在其表面上产生小裂缝。因此，利用激光热平整技术很难保持金属板材材料的性能。

发明内容

针对现有技术中激光热平整存在的温度效应大、变形量难以控制、难实现微平整、接触式机械微平整精度难以控制等问题，本发明提供一种非接触的基于高能脉冲激光力效应的微平整的方法及装置。

本发明的技术方案是：

一种基于高能脉冲激光力效应的微平整装置，包括激光驱动控制***、靶材***和靶材装夹位移***。

所述激光驱动控制***包括计算机、控制器、纳秒激光器、平面反射镜和聚焦透镜，计算机和纳秒激光器分别与控制器相连，计算机用于控制控制器，控制器用于控制纳秒激光器发出的激光光束经过平面反射镜反射至聚焦透镜聚焦后直接作用于所述靶材***；

所述靶材***装夹于所述靶材装夹位移***上；

所述靶材装夹位移***包括控制器、三维移动平台、L型底座和夹具体，所述靶材***放于夹具体中，夹具体安装在三维移动平台上，三维移动平台安装在L型底座上，靶材装夹位移***的移动通过控制器调控三维移动平台的移动来实现，所述控制器受控于计算机。

作为本发明的进一步改进，所述靶材***由从下至上依次分布的靶材层、黑漆层、水层组成。

一种基于高能脉冲激光力效应的微平整方法，具体包括如下步骤：

首先，采用无水酒精清洗具有点、线或面缺陷的靶材表面，保证靶材的清洁；

其次，在靶材表面涂上黑漆形成不透明涂层，以保证靶材对激光的吸收率；

第三，将涂有黑漆的靶材放入水中，利用水作为约束层，覆盖于黑漆表面；

第四，将靶材用夹具夹紧以固定位置；

第五，开启纳秒激光器，调节好光路，使由纳秒激光器输出的激光经平面反射镜和聚焦透镜聚焦于靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次或多次发射操作，从而实现靶材的单或多次脉冲激光冲击；

第六、高能量的脉冲激光束照射到靶材表面，不透明涂层瞬间产生汽化变成高温高压等离子，伴随着不透明涂层的烧蚀，产生的等离子体体积逐渐扩大，产生冲击波，进而对靶材表面施加机械压应力；当激光束照射到靶材的表面缺陷处时，向下的冲击载荷赋予靶材冲击区域以向下的惯性，当激光束停止照射时，由于惯性，导致局部塑性变形，局部塑性变形的产生引发冲击区域的物质流流动，致使靶材塑性变形，以克服靶材表面缺陷，实现靶材表面的微平整。

本发明的有益效果是：

1、本发明是一种精确、非接触式的使用激光诱导的冲击波进行平整的技术，是一种基于高能脉冲激光诱导冲击波产生力效应以实现目标靶材缺陷的消除的方法。它具有激光热平整的优势，如非接触式，免工具和高效率。此外，作为非热平整过程，通过在目标表面产生的残余应力可以使材料性能保持甚至提高，这可以在工业行业生产中提高目标的抗腐蚀和抗疲劳能力以防止产生微小裂纹；

2、本发明的基于高能脉冲激光力效应的微平整技术本身具有独特的优越性，作为一种无模具、无外力的非接触式的调平整技术，具有生产周期短，柔性大，精度高等特点。由于吸收层和约束层的热障保护，使得整个过程仅是力作用下冷冲压变形，与激光热平整相比，靶材表面质量好、无表面烧蚀微裂纹产生。激光冲击处理具有可叠加性，材料的多次冲击不仅可提高平整效果，而且可增大冲击处理区域，实现大面积的冲击处理，多次冲击也可对首次冲击的效果进行修补，提高处理的柔度；

3、本发明相较于传统的机械微平整技术，另一个明显的优势就是激光强化作用带来的材料使金属结构表面改性，极大地扩展了该技术的研究与应用。激光强化作用能提高微靶材表面硬度，改善靶材性能，致使靶材能抵抗更大的弯矩。

4、本发明可通过调节激光作用参数，对金属板材进行单点冲击，多次冲击，或多点冲击以期获得理想的平整效果的基于高能脉冲激光力效应的微平整技术，将是一种低成本、高效率、少污染的新型激光平整技术，工业应用前景广阔。

附图说明

图1是本发明一种基于高能脉冲激光力效应的微平整装置的结构示意图；

图2是消除点缺陷的激光冲击平整加载示意图；

图3是消除线缺陷的激光冲击平整加载示意图；

图4是消除面缺陷的激光冲击平整加载示意图。

图中：1、L型底座，2、三维移动平台，3、夹具体，4、靶材层，5、黑漆层，6、水层，7、聚焦透镜，8、平面反射镜，9、纳秒激光器，10、计算机，11、控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明一种基于高能脉冲激光力效应的微平整装置如图1所示：

一种基于高能脉冲激光力效应的微平整装置由激光驱动控制***、靶材***和靶材装夹位移***组成。其中：

激光驱动控制***由计算机10、控制器11、纳秒激光器9、平面反射镜8和聚焦透镜7组成，计算机10控制控制器11，控制器11控制纳秒激光器9发出的激光光束经过平面反射镜8后反射至聚焦透镜7聚焦后直接进入靶材***；靶材***由水层6、黑漆层5和靶材4组成，水层作为约束层覆盖于涂有黑漆层的靶材上表面；

整个靶材***装夹于靶材装夹位移***上；

靶材装夹位移***由控制器11、三维移动平台2、L型底座1和夹具体3组成，靶材***放于夹具体3中，夹具体3安装在三维移动平台2上，三维移动平台2安装在L型底座1上，靶材装夹位移***的移动由控制器11调控三维移动平台2移动实现，控制器11受控于计算机10。

本发明一种基于高能脉冲激光力效应的微平整方法，包括以下步骤：

首先，采用无水酒精清洗具有点，线，面缺陷靶材表面，保证靶材的清洁；

其次，在靶材表面涂上黑漆形成不透明层涂层，以保证靶材对激光的吸收率；

第三，将涂有黑漆的靶材放入作为约束层的水中，利用水作为约束层，覆盖于黑漆表面；

第四，将靶材用夹具夹紧以保证位置，开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经平面反射镜和聚焦透镜聚焦于靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次或多次发射操作，从而实现靶材的单或多次脉冲激光冲击；当高能量的脉冲激光束照射到靶材表面，不透明涂层瞬间产生汽化变成高温高压等离子；伴随着不透明涂层的烧蚀，产生的等离子体体积逐渐扩大，产生冲击波，进而对靶材表面施加机械压应力；不透明的涂层作为牺牲材料，用以避免短脉冲激光照射靶材表面产生的热效应作用，透明的约束层延迟了热膨胀和限制了等离子体空间位置，从而产生更高的压力，因为靶材具有表面缺陷，当激光束照射到靶材的表面缺陷处时，向下的冲击载荷赋予靶材冲击区域以向下的惯性，当激光束停止照射时，由于惯性，导致局部塑性变形的产生，局部塑性变形的产生引发冲击区域的物质流流动，致使靶材塑性变形，以克服靶材表面缺陷，实现靶材表面的微平整。

图2至图4是激光冲击平整加载示意图：图2为消除点缺陷的激光冲击平整加载示意图；图3为消除线缺陷的激光冲击平整加载示意图（其中箭头方向为多次多点冲击路径）；图4为消除面缺陷的激光冲击平整加载示意图（其中箭头方向为多次多点冲击路径）。可见，对于不同的缺陷，可通过不同的加载策略消除。通过实验数据的收集和整理可得出冲击加载策略与不同缺陷之间的关系，用于指导设计和生产。

本发明采用无水酒精清洗具有点、线、面缺陷靶材表面，保证靶材的清洁，靶材表面应涂黑漆，以保证靶材对激光的吸收率，用水作为约束层覆盖于黑漆表面。靶材用夹具紧固以保证位置。开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，使由纳秒脉冲激光器输出的激光经平面反射镜和聚焦透镜聚焦于靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次或多次发射操作，靶材在单或多次脉冲激光冲击下产生微平整形变，通过调整激光参数与加载区域，可实现金属板材缺陷的微平整。本发明能对靶材产生极高的压应力和应变率，不仅可实现靶材表面缺陷的微平整而且改善靶材性能，使靶材能抵抗缺陷。本发明具有激光热平整的优势，如非接触式，免工具和高效率。此外，作为非热平整过程，通过在目标表面产生的残余应力可以使材料性能保持甚至提高，这可以在工业行业生产中提高目标的抗腐蚀和抗疲劳能力以防止产生微小裂纹。基于高能脉冲激光力效应的微平整是容易实现的，且非常有用的高精度平整技术。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1. 一种基于高能脉冲激光力效应的微平整装置的微平整方法，所述微平整装置包括激光驱动控制***、靶材***和靶材装夹位移***；

所述激光驱动控制***包括计算机（10）、控制器（11）、纳秒激光器（9）、平面反射镜（8）和聚焦透镜（7），计算机（10）和纳秒激光器（9）分别与控制器（11）相连，计算机（10）用于控制控制器（11），控制器（11）用于控制纳秒激光器（9）发出的激光光束经过平面反射镜（8）反射至聚焦透镜（7）聚焦后直接作用于所述靶材***；

所述靶材***装夹于所述靶材装夹位移***上；

所述靶材装夹位移***包括控制器（11）、三维移动平台（2）、L型底座（1）和夹具体（3），所述靶材***放于夹具体（3）中，夹具体（3）安装在三维移动平台（2）上，三维移动平台（2）安装在L型底座（1）上，靶材装夹位移***的移动通过控制器（11）调控三维移动平台（2）的移动来实现，所述控制器（11）受控于计算机（10）；

所述微平整装置的微平整方法具体包括如下步骤：

首先，采用无水酒精清洗具有点、线或面缺陷的靶材表面，保证靶材的清洁；

其次，在靶材表面涂上黑漆形成不透明涂层，以保证靶材对激光的吸收率；

第三，将涂有黑漆的靶材放入水中，利用水作为约束层，覆盖于黑漆表面；

第四，将靶材用夹具夹紧以固定位置；

第五，开启纳秒激光器，调节好光路，使由纳秒激光器输出的激光经平面反射镜和聚焦透镜聚焦于靶材表面，然后对纳秒脉冲激光进行单次或多次发射操作，从而实现靶材的单或多次脉冲激光冲击；

第六、高能量的脉冲激光束照射到靶材表面，不透明涂层瞬间产生汽化变成高温高压等离子，伴随着不透明涂层的烧蚀，产生的等离子体体积逐渐扩大，产生冲击波，进而对靶材表面施加机械压应力；当激光束照射到靶材的表面缺陷处时，向下的冲击载荷赋予靶材冲击区域以向下的惯性，当激光束停止照射时，由于惯性，导致局部塑性变形，局部塑性变形的产生引发冲击区域的物质流流动，致使靶材塑性变形，以克服靶材表面缺陷，实现靶材表面的微平整。