CN108911532A - 工件表面损伤修复方法及*** - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种工件表面损伤修复方法及***，涉及光学元件加工技术领域。所述方法包括：将激光聚焦到待修复工件表面；将聚焦激光的光斑在待修复工件表面移动以扫描整个待修复工件表面，以使激光能量作用于待修复工件表面使待修复工件表面产生热效应，以熔合待修复工件表面的微裂纹损伤层，生成微裂纹熔合层；向待修复工件表面输出等离子体射流；控制等离子体射流在待修复工件表面运动，以去微裂纹熔合层。本申请利用微裂纹的熔合来改善所述待修复工件表面的裂纹深度、分布等初始状态，再利用等离子体射流对熔合改善后的微裂纹熔合层进行快速去除，提高了工件的寿命，也提高了工件的可靠性和使用性能。

Description

工件表面损伤修复方法及***
技术领域
本申请涉及光学元件加工技术领域，具体而言，涉及一种工件表面损伤修复方法及***。
背景技术
目前，在对光学元件进行加工制造的过程中，主要采用超精密磨削成型技术，来实现光学元件表面的面形精度收敛。超精密磨削成型技术主要是以脆性断裂的形式实现材料的去除，在超精密磨削成型的过程中，光学元件的面形能够基本成型，但容易产生表面微裂纹损伤。
表面微裂纹损伤不仅会影响后续镀膜质量，并且在高功率、短脉冲激光等高冲击载荷作用下，表面损伤会产生局部能量集中，从而引发光学元件抗激光损伤阈值下降而产生元件宏观破坏，导致光学***寿命、可靠性以及使用性能下降。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种工件表面损伤修复方法及***。
第一方面，本申请实施例提供一种工件表面损伤修复方法，所述方法包括：
将激光聚焦到待修复工件表面；
将聚焦激光的光斑在所述待修复工件表面移动以扫描整个所述待修复工件表面，以使激光能量作用于所述待修复工件表面使所述待修复工件表面产生热效应，以熔合所述待修复工件表面的微裂纹损伤层，生成微裂纹熔合层；
向所述待修复工件表面输出等离子体射流；
控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动，以去所述微裂纹熔合层。
可选地，向所述待修复工件表面输出等离子体射流的步骤之后，所述方法还包括：
检测预设时间内，所述等离子体射流静止作用于所述待修复工件表面形成的蚀点深度及蚀点面积；
检测所述微裂纹熔合层的面积及深度；
根据所述蚀点深度、蚀点面积、所述微裂纹熔合层的面积及深度，得到所述等离子体射流的运动函数。
可选地，控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动的步骤，具体包括：
根据所述运动函数，控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动。
第二方面，本申请实施例还提供一种工件表面损伤修复***，所述***包括：
夹持部件，用于固定待修复工件；
聚焦器，用于将激光聚焦到待修复工件表面；
扫描振镜，用于将聚焦激光的光斑在所述待修复工件表面移动以扫描整个所述待修复工件表面，以使激光能量作用于所述待修复工件表面使所述待修复工件表面产生热效应，以熔合所述待修复工件表面的微裂纹损伤层，生成微裂纹熔合层；
等离子体发生器，用于产生等离子体射流，并向所述待修复工件表面输出所述等离子体射流；
传动部件，用于控制所述夹持部件带动所述待修复工件表面相对于所述等离子体射流运动，以去除所述微裂纹熔合层。
可选地，所述***还包括：
检测器，用于获取预设时间内，所述等离子体射流静止作用于所述待修复工件表面形成的蚀点深度及蚀点面积；
所述检测器还用于检测所述微裂纹熔合层的面积及深度；
计算机，用于根据所述蚀点深度、蚀点面积、所述微裂纹熔合层的面积及深度，得到所述等离子体射流的运动函数。
可选地，所述计算机还用于根据所述运动函数控制所述传动部件，以使所述传动部件控制所述夹持部件带动所述待修复工件表面相对于所述等离子体射流运动，以去除所述微裂纹熔合层。
可选地，所述扫描振镜的扫描速率范围为2～8m/s。
可选地，所述激光能量的能量范围为800～2000W。
可选地，当所述激光能量作用于所述待修复工件表面时，所述待修复工件表面对所述激光能量的吸收深度范围为8～12μm。
可选地，所述等离子体射流对所述微裂纹熔合层的去除速率范围为5～30mm3/min，去除深度范围为1～1000μm。
相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例提供的工件表面损伤修复方法及***，采用激光熔合微裂纹并结合等离子体射流去除微裂纹熔合层的方式，利用微裂纹的熔合来改善所述待修复工件表面的裂纹深度、分布等初始状态，再利用等离子体射流对熔合改善后的微裂纹熔合层进行去除，使加工过程中不会出现裂纹复制等现象，快速去除工件表面损伤，避免由于表面损伤而产生的宏观破坏，提高了工件的寿命，也提高了工件的可靠性和使用性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应该看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的工件表面损伤修复方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的具有表面微裂纹损伤的待修复工件的局部切面示意图；
图3为本申请实施例提供的经激光扫描后的待修复工件表面的局部切面示意图；
图4为本申请实施例提供的等离子体射流去除微裂纹熔合层的效果示意图；
图5为本申请实施例提供的工件表面损伤修复***的一种简易结构框图。
图标：100-工件表面损伤修复***；110-夹持部件；120-聚焦器；130-扫描振镜；140-等离子体发生器；150-传动部件；160-检测器；170-计算机。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
现有技术中，为了解决超精密磨削成型过程中光学元件表面产生的表面微裂纹损伤的技术问题，通常是采用确定性抛光技术，在后续的抛光过程中采用颗粒更细的抛光颗粒，在微小材料去除工艺下的不断重复和循环迭代来实现。另一种去除表面微裂纹损伤的技术手段是采用等离子体射流，基于化学反应原理的非接触式加工技术，使深度较浅的裂纹形成刻蚀坑点并且边界交叠重合，最终去除裂纹。
然而，申请人发现，在上述方案中，一方面，确定性抛光技术对表面微裂纹损伤的去除速率较低，无法满足数量巨大的光学元件制造需求。另一方面，采用等离子体射流技术虽然能够提高去除速率，但等离子体射流对表面微裂纹损伤的去除效果与表面微裂纹的深度、分布、密度及表面粗糙程度等因素直接相关，当裂纹深度较大时，在加工过程中形成的刻蚀坑点的边界将不会随着材料的进一步去除发生移动，会出现表面复制加工的现象，导致需要耗费巨大的材料去除量和极长的加工迭代时间才能完整去除表面微裂纹损伤。
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，申请人经过研究提供了下面实施例给出的解决方案。
请参照图1，是本申请实施例提供的工件表面损伤修复***100的简易结构框图，所述工件表面损伤修复***100包括夹持部件110、聚焦器120、扫描振镜130、等离子体发生器140、传动部件150、检测器160及计算机170。
请参照图2，本申请实施例还提供一种工件表面损伤修复方法，应用于图1所示的工件表面损伤修复***100。所述方法包括：
步骤S11，将激光聚焦到待修复工件表面。
请参照图3，图3是具有表面微裂纹损伤的待修复工件的局部切面示意图。采用聚焦器120将激光聚焦到上述具有表面微裂纹损伤的待修复工件表面，以聚拢激光能量，形成激光光斑。
步骤S12，将聚焦激光的光斑在所述待修复工件表面移动以扫描整个所述待修复工件表面，以使激光能量作用于所述待修复工件表面使所述待修复工件表面产生热效应，以熔合所述待修复工件表面的微裂纹损伤层，生成微裂纹熔合层。
通常情况下，对聚焦激光的光斑只能实现在一维直线上的移动扫描，若要实现对整个工件表面的扫描，还需通过传动部件150控制夹持所述待修复工件的夹持部件110，使所述待修复工件表面相对于激光光斑做二维或三维的运动。例如，对于平整的待修复工件表面，通过传动部件150控制夹持部件110，带动所述平整的待修复工件表面在二维平面内平移；对于曲面的待修复工件表面，通过传动部件150控制夹持部件110，带动所述曲面的待修复工件表面在三维立体空间内转动或平移。
作为一种优选的实施方式，采用长波长脉冲激光，通过聚焦使激光能量集中，将集中的激光能量作用于所述待修复工件表面，再通过调节，使激光能量达到制成所述工件的原材料的软化点，使所述待修复工件表面产生热效应。在热熔合的作用下，所述待修复工件表面的局部材料重新分配，实现表面微裂纹的高低互补填充，消除过深或分布不均的裂纹，改善所述工件表面的裂纹深度、分布等初始状态，为后续步骤打下基础。
并且，采用激光熔合的方式可以直接代替确定性抛光技术中的微小颗粒去除方式，使经超精密磨削成型后的光学元件的粗糙表面变成平滑表面，同时生成微裂纹熔合层。激光熔合方式对比确定性抛光技术，具有速率更快，抛光效果更好等优势。
请参照图4，是经过激光扫描后的所述待修复工件表面的局部切面示意图。对比图3可知，经激光扫描后，所述待修复工件表面生成微裂纹熔合层，原表面中过深的裂纹得到一定程度的修复，但无法全部消除，需要进行后续步骤的处理。
激光扫描完成后，进入步骤S13。
步骤S13，向所述待修复工件表面输出等离子体射流。
可选地，采用电感耦合的方式，向等离子体发生器140中通入惰性气体及反应气体，等离子体发生器140被激发生成等离子体射流。可选地，所述惰性气体可以是He(氦气)、Ne(氖气)、Ar(氩气)、Kr(氪气)、Xe(氙气)等，用作等离子体产生的载体；所述反应气体可以是CF4(四氟化碳)、SF6(六氟化硫)、NF3(三氟化氮)等，用作等离子体产生的材料。
在本实施例中，在所述步骤S13之后，所述方法还包括以下步骤：
首先，检测预设时间内，所述等离子体射流静止作用于所述待修复工件表面形成的蚀点深度及蚀点面积。
等离子射流加工属于小工具数控加工(即加工工具尺寸远小于工件尺寸)的一种，本实施例中通过等离子射流与待修复工件表面的相对运动来实现对整个待修复工件表面的修复，当所述等离子射流静止并作用于所述待修复工件表面一定时间，例如5s，所述待修复工件表面形成一个蚀刻点。
其次，检测所述微裂纹熔合层的面积及深度。
通过检测所述微裂纹熔合层的面积及深度，获取修复所述待修复工件表面所需的去除量。可以理解的是，本申请实施例还可以根据所述去除量调整所述等离子射流的输出数据，所述输出数据包括输出功率、气体配比、射流口径等，例如，当去除量较大时，提高所述等离子射流的输出功率并增大射流口径，当去除量较小时，降低所述等离子射流的输出功率并缩小射流口径。
然后，根据所述蚀点深度、蚀点面积、所述微裂纹熔合层的面积及深度，得到所述等离子体射流的运动函数。
本申请实施例可以根据所述蚀点深度及蚀点面积得到等离子体射流的去除函数，然后根据所述去除函数及去除量，采用反卷积算法得到所述等离子体射流在所述待修复工件表面各点的驻留时间，从而得到所述等离子体射流的运动函数。可选地，当所述待修复工件表面为平面时，所述等离子体射流可以沿光栅路径均匀运动；当所述待修复工件表面为球面或曲面时，所述等离子体射流沿所述待修复工件表面的法线方向运动。
步骤S14，控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动，以去所述微裂纹熔合层。
在本实施例中，所述控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动的步骤，具体包括：
根据所述运动函数，控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动。
作为一种可选的实施方式，与上述激光扫描的步骤类似，若要实现去除所述待修复工件表面的微裂纹熔合层，可以通过所述运动函数控制传动部件150，从而控制夹持部件110，使夹持部件110带动所述待修复工件表面相对于所述等离子体射流运动。作为另一种可选的实施方式，可以通过运动函数控制所述等离子射流发生器的等离子体输出口相对于所述待修复工件表面运动，以实现对所述微裂纹熔合层的去除。
请参照图5，是所述等离子体射流去除所述微裂纹熔合层的效果示意图。对比图4可知，经激光扫描后仍没有完全消除的微裂纹，基本被包含在所述微裂纹熔合层中，采用等离子体射流作用于所述待修复工件表面，使所述微裂纹熔合层被去除，经步骤S14处理后的工件表面即为平滑无裂纹。
可以理解的是，若所述待修复工件表面存在的裂纹深度较深，经上述步骤S11-步骤S14处理后，仍然无法完全修复，可对一次修复后的工件表面再次重复上述步骤S11-步骤S14进行多次迭代处理，直到所述待修复工件表面的微裂纹被完全去除。
请再参照图1，本发明实施例还提供一种工件表面损伤修复***100。可以理解的是，所述***的各个模块或器件的具体功能在上面实施例中已经介绍，现在仅对所述工件表面损伤修复***100的各个模块或器件做简要介绍。
所述工件表面损伤修复***100具体包括：
夹持部件110，用于固定待修复工件。
聚焦器120，用于将激光聚焦到待修复工件表面。
扫描振镜130，用于将聚焦激光的光斑在所述待修复工件表面移动以扫描整个所述待修复工件表面，以使激光能量作用于所述待修复工件表面使所述待修复工件表面产生热效应，以熔合所述待修复工件表面的微裂纹损伤层，生成微裂纹熔合层。
在本实施例中，所述扫描振镜130的扫描速率范围为2～8m/s，所述激光能量的能量范围为800～2000W，当所述激光能量作用于所述待修复工件表面时，所述待修复工件表面对所述激光能量的吸收深度范围为8～12μm。
等离子体发生器140，用于产生等离子体射流，并向所述待修复工件表面输出所述等离子体射流。
传动部件150，用于控制所述夹持部件110带动所述待修复工件表面相对于所述等离子体射流运动，以去除所述微裂纹熔合层。
检测器160，用于检测预设时间内，所述等离子体射流静止作用于所述待修复工件表面形成的蚀点深度及蚀点面积。
所述检测器160还用于检测所述微裂纹熔合层的面积及深度。
计算机170，用于根据所述蚀点深度、蚀点面积、所述微裂纹熔合层的面积及深度，得到所述等离子体射流的运动函数。
所述计算机170还用于根据所述运动函数控制所述传动部件150，以使所述传动部件150控制所述夹持部件110带动所述待修复工件表面相对于所述等离子体射流运动，以去除所述微裂纹熔合层。
在本实施例中，所述等离子体射流对所述微裂纹熔合层的去除速率范围为5～30mm3/min，去除深度范围为1～1000μm。
综上所述，本申请实施例提供的工件表面损伤修复方法及***，采用激光熔合微裂纹并结合等离子体射流去除微裂纹熔合层的方式，快速去除工件表面损伤，避免由于表面损伤而产生的宏观破坏，提高了工件的寿命，也提高了工件的可靠性和使用性能。对比现有技术中的确定性抛光技术或单纯采用等离子体射流的去除方式，本申请利用微裂纹的熔合来改善所述待修复工件表面的裂纹深度、分布等初始状态，再利用等离子体射流对熔合改善后的微裂纹熔合层进行去除，使加工过程中不会出现裂纹复制等现象，从而提高了对工件表面损伤的修复效果和修复速率，并且降低了材料损耗率，节约成本，节省加工时间。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工件表面损伤修复方法，其特征在于，所述方法包括：
将激光聚焦到待修复工件表面；
将聚焦激光的光斑在所述待修复工件表面移动以扫描整个所述待修复工件表面，以使激光能量作用于所述待修复工件表面使所述待修复工件表面产生热效应，以熔合所述待修复工件表面的微裂纹损伤层，生成微裂纹熔合层；
向所述待修复工件表面输出等离子体射流；
控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动，以去所述微裂纹熔合层。
2.如权利要求1所述的工件表面损伤修复方法，其特征在于，向所述待修复工件表面输出等离子体射流的步骤之后，所述方法还包括：
检测预设时间内，所述等离子体射流静止作用于所述待修复工件表面形成的蚀点深度及蚀点面积；
检测所述微裂纹熔合层的面积及深度；
根据所述蚀点深度、蚀点面积、所述微裂纹熔合层的面积及深度，得到所述等离子体射流的运动函数。
3.如权利要求2所述的工件表面损伤修复方法，其特征在于，控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动，包括：
根据所述运动函数，控制所述等离子体射流在所述待修复工件表面运动。
4.一种工件表面损伤修复***，其特征在于，所述***包括：
夹持部件，用于固定待修复工件；
聚焦器，用于将激光聚焦到待修复工件表面；
扫描振镜，用于将聚焦激光的光斑在所述待修复工件表面移动以扫描整个所述待修复工件表面，以使激光能量作用于所述待修复工件表面使所述待修复工件表面产生热效应，以熔合所述待修复工件表面的微裂纹损伤层，生成微裂纹熔合层；
等离子体发生器，用于产生等离子体射流，并向所述待修复工件表面输出所述等离子体射流；
传动部件，用于控制所述夹持部件带动所述待修复工件表面相对于所述等离子体射流运动，以去除所述微裂纹熔合层。
5.如权利要求4所述的工件表面损伤修复***，其特征在于，所述***还包括：
检测器，用于获取预设时间内，所述等离子体射流静止作用于所述待修复工件表面形成的蚀点深度及蚀点面积；
所述检测器还用于检测所述微裂纹熔合层的面积及深度；
计算机，用于根据所述蚀点深度、蚀点面积、所述微裂纹熔合层的面积及深度，得到所述等离子体射流的运动函数。
6.如权利要求5所述的工件表面损伤修复***，其特征在于，所述计算机还用于根据所述运动函数控制所述传动部件，以使所述传动部件控制所述夹持部件带动所述待修复工件表面相对于所述等离子体射流运动，以去除所述微裂纹熔合层。
7.如权利要求6所述的工件表面损伤修复***，其特征在于，所述扫描振镜的扫描速率范围为2～8m/s。
8.如权利要求7所述的工件表面损伤修复***，其特征在于，所述激光能量的能量范围为800～2000W。
9.如权利要求8所述的工件表面损伤修复***，其特征在于，当所述激光能量作用于所述待修复工件表面时，所述待修复工件表面对所述激光能量的吸收深度范围为8～12μm。
10.如权利要求9所述的工件表面损伤修复***，其特征在于，所述等离子体射流对所述微裂纹熔合层的去除速率范围为5～30mm3/min，去除深度范围为1～1000μm。
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