一種雷射微凹坑陣列製造裝置和方法
2023-05-30 08:33:21
一種雷射微凹坑陣列製造裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種雷射微凹坑陣列製造裝置和方法，涉及雷射微凹坑製造領域。本發明首先在工件上表面向上依次覆蓋柔性貼膜和噴塗有吸收層的平網，並一起裝夾在工作檯上，噴水裝置向平網表面噴射水層。雷射束透過水層，一部分雷射穿過平網的網孔，燒蝕柔性貼膜和工件表面，形成微凹坑和大量飛濺的熔渣；另一部分雷射束被吸收層阻擋和吸收，產生等離子體爆炸形成衝擊波，衝擊波使平網、柔性貼膜和工件表面三者緊貼一起，相互間不留縫隙，阻止熔渣進入非雷射輻照區的工件表面。本發明可提高微凹坑表面質量，避免熔渣粘附在微凹坑周邊，提高加工效率，保證微凹坑尺寸的重複性，同時可以在工件表面加工各種形狀和分布的微凹坑陣列。
【專利說明】一種雷射微凹坑陣列製造裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射微凹坑陣列製造領域，特指一種能避免熔渣粘附的雷射微凹坑陣列製造技術。
【背景技術】
[0002]摩擦副表面的微凹坑陣列具有提高承載能力，降低摩擦係數，減少摩擦損耗，同時也可起到存儲潤滑油和收集磨粒的作用，因此，微凹坑的加工成為了摩擦學方面的研究熱點。
[0003]雷射加工因其具有加工速度快、對環境無汙染、易於控制等優點而成為目前應用最廣的微凹坑加工技術。雷射微凹坑加工分為雷射誘導衝擊波微凹坑加工和雷射燒蝕微凹坑加工。其中雷射誘導衝擊波微凹坑加工因其加工的微凹坑深度較小，現階段僅限於研究階段；而雷射燒蝕微凹坑加工已經廣泛地應用於工業實踐。但是，雷射燒蝕微凹坑加工面臨的最大問題是雷射燒蝕過程中會產生大量的熔渣，熔渣從凹坑中噴濺而出粘附在凹坑邊緣附近的表面形成大量的極難去除的凸起，這些凸起對後續的表面的摩擦極為不利，需增加去除工序。凹坑周圍的熔渣粘附面積越大，去除工序的加工時間和加工成本就越大。同時，當去除熔渣粘附操作不當時，會在表面產生額外的破壞，如劃痕和平面度的改變等。因此，避免和減少雷射燒蝕微凹坑加工產生的熔渣粘附具有極大的意義。
[0004]D.K.Y.Low等人在論文Spatter-free laser percuss1n drilling of closelyspaced array holes (DOI 標示符為 10.1016/S0890-6955 (00) 00078-X)中提出了用複合材料製成的貼膜緊貼工件，進行雷射打孔加工，該方法能有效避免熔渣粘附，但是，製造該複合材料貼膜時需添加直徑為90μπι的特種陶瓷顆粒，造價高，限制了該方法的推廣，不適合應用於需要大面積微凹坑加工的情況。水環境下進行雷射燒蝕微凹坑或孔被認為是減少熔渣粘附的有效途徑，但熔渣粘附面積仍然比較大。例如，Ze Liu等人在論文 Ultrasound-assisted water-confined laser micromachining: A novel machiningprocess (DOI標示符為10.1016/j.mfglet.2014.06.001)中發現水下雷射加工仍不可避免熔洛粘附，同樣的結果在Hewei Liu等人發表的論文Inf luence of liquidenvironments on femtosecond laser ablat1n of silicon (DOI 標不符為 10.1016/j.tsf.2010.04.043)也有發現。同時目前的微凹坑加工技術，一般採用逐點雷射加工的方式對工件表面進行加工，效率較低。
【發明內容】
[0005]本發明目的在於提供一種雷射微凹坑陣列製造裝置和方法，以避免熔渣粘附，並提高微凹坑製造效率。
[0006]為了解決以上技術問題，本發明採用的具體技術方案如下:
一種雷射微凹坑陣列製造裝置，其特徵在於:包括脈衝雷射器(I)、全反鏡(4)、會聚透鏡(5)、噴水裝置(6)、吸收層(8)、平網(9)、柔性貼膜(10)、夾具(12)、工作檯(13)、信號線(14)和控制器(15);脈衝雷射器(I)的出光口處設有全反鏡(4)，全反鏡(4)與水平方向成45°，全反鏡(4 )下方設有會聚透鏡(5 )，會聚透鏡(5 )下方正對工作檯(13 )，工件(11)上表面從下往上依次放置柔性貼膜(10)和表面噴塗有吸收層(8)的平網(9)，保證平網(9)有吸收層(8)的一面朝上，柔性貼膜(10)、平網(9)和工件(11)通過夾具(12)裝夾在工作檯
(13)上，工作檯(13)上設有噴水裝置(6)，脈衝雷射器(I)和工作檯(13)通過信號線(14)與控制器(15)相連。
[0007]還包括均質器(3);均質器(3)固定在脈衝雷射器(I)和全反鏡(4)之間；
所述平網(9)的厚度為18(^111?35(^111，且彈性模量不小於20(^& ;所述柔性貼膜(10)的厚度為150 μ m?300 μ m ;所述吸收層(8)的厚度為100 μ m?250 μ m。
[0008]所述工作檯(13)至少為X，Y方向二軸聯動工作檯。
[0009]根據所述的一種雷射微凹坑陣列製造裝置的方法，其特徵在於包括以下步驟: 步驟一，將吸收層(8)噴塗在平網(9)的其中一面上，用鼓風機對著平網(9)的另一面吹風，確保平網(9)的網孔不被吸收層(8)堵住；
步驟二，對工件(11)進行表面打磨拋光，然後用丙酮和酒精清洗；
步驟三，在工件(11)上表面從下往上依次放置柔性貼膜(10 )和表面噴塗有吸收層(8 )的平網(9)，同時，保證平網(9)噴塗有吸收層(8)的一面朝上；
步驟四，利用夾具(12)將平網(9)和工件(11)裝夾在工作檯(13)上，噴水裝置(6)向平網(9)表面噴水，使平網(9)表面形成厚度為lmnT3mm的水層(7)；
步驟五，利用控制器(15)控制脈衝雷射器(I)輸出的雷射束(2)經過均質器(3)、全反鏡(4)和會聚透鏡(5)後，聚焦在工件(11)表面附近，聚焦的雷射束(2)穿過水層(7)，使一部分雷射束(2)被平網(9)上的吸收層(8)所阻擋和吸收，產生等離子體爆炸形成衝擊波，衝擊波壓緊平網(9)，使平網(9)、柔性貼膜和工件三者緊貼在一起，相互間不留縫隙；另一部分雷射束(2)被平網(9)的網孔分割成多道與網孔形狀一致的雷射束(2)，並輻照在柔性貼膜(10)表面，使柔性貼膜(10)熔化和氣化，接著雷射束輻照在工件(11)表面，產生雷射水下燒蝕現象，在工件(11)表面形成微凹坑陣列；
步驟六，利用控制器(15)控制工作檯(13)的水平移動，使光斑移動到新的位置，重複步驟五和步驟六，直至整個工件(11)表面完成微凹坑製造。
[0010]6.根據權利要求5所述的一種雷射微凹坑陣列製造裝置的方法，其特徵在於:所述脈衝雷射器(I)輸出的雷射脈寬為5niT30nS ;焦點位置的光斑直徑大於3mm，並且焦點位置的雷射功率密度不小於lGW/cm2。
[0011]本發明的工作原理:雷射束穿透水層後，一部分雷射束2被平網9的網孔分割成多道與網孔形狀一致的雷射束2，首先輻照在柔性貼膜10表面，使柔性貼膜10熔化和氣化消失，接著雷射束輻照在工件11表面，產生雷射水下燒蝕現象，在工件11表面形成微凹坑陣列，在此過程中微凹坑底部產生大量的熔融材料向外噴濺；另一部分雷射束作用於平網上的吸收層上，吸收層吸收大量的雷射能量產生強烈的等離子體爆炸形成衝擊波，衝擊波作用在平網上，使平網、柔性貼膜和工件三者間相互緊密貼合，不留縫隙，同時，等離子體爆炸受到水層的約束作用，延長了衝擊波的作用時間和增大了衝擊波的峰值壓力，使得微凹坑底部產生的熔融材料進入不了工件、柔性貼膜和平網之間的縫隙中，即不可能在微凹坑周邊形成熔渣粘附現象。
[0012]本發明具有有益效果。本發明通過雷射誘導產生的衝擊波、平網、柔性貼膜和工件表面之間的作用，可加工出沒有熔渣粘附的微凹坑，提高了微凹坑的表面質量；本發明的微凹坑加工方式為平行加工，即雷射束通過平網的網格的分束可形成多道雷射束，多道雷射束同時進行微凹坑加工，即平行製造，提高了加工效率；本發明採用了均質器對雷射束進行調製，形成能量分布均勻的雷射束，保證了所有微凹坑尺寸的重複性；本發明的平網上可以根據需要刻蝕各種形狀的孔陣列或者不同分布特徵的孔陣列，從而可以在工件表面加工各種形狀和分布的微凹坑陣列。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的雷射微凹坑陣列製造裝置的示意圖。
[0014]圖2是本發明的雷射光斑輻照區局部放大示意圖。
[0015]圖3是採用本發明進行微凹坑陣列製造的結果。
[0016]圖4是未採用本發明進行微凹坑陣列製造的結果。
[0017]圖中:1.脈衝雷射器,2.雷射束,3.均質器,4.全反鏡,5.會聚透鏡,6.噴水裝置，7.水層，8.吸收層，9.平網，10.柔性貼膜，11.工件，12.夾具，13.工作檯，14.信號線，15.控制器，16.微凹坑，17.熔渣粘附。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體實施例，進一步詳細說明本發明的技術方案。
[0019]本發明裝置如圖1和圖2所示，包括脈衝雷射器1、均質器3、全反鏡4、會聚透鏡
5、噴水裝置6、吸收層8、平網9、柔性貼膜10、夾具12、工作檯13、信號線14和控制器15 ；脈衝雷射器I的出光口處設有全反鏡4，全反鏡4與水平方向成45°，均質器3固定在脈衝雷射器I和全反鏡4之間，全反鏡4下方設有會聚透鏡5，會聚透鏡5下方正對工作檯13，工作檯13為X，Y方向二軸聯動工作檯。工件11上表面從下往上依次放置柔性貼膜10和表面噴塗有吸收層8的平網9，保證平網9有吸收層8的一面朝上，柔性貼膜10、平網9和工件11通過夾具12裝夾在工作檯13上，工作檯13上設有噴水裝置6，脈衝雷射器I和工作檯13通過信號線14與控制器15相連。
[0020]平網9選用的材料為60SiCrVA彈簧鋼帶，厚度為230 μ m,彈性模量為206GPa ;所述柔性貼膜為矽膠，10的厚度為150 μ m ;所述吸收層8為黑漆，厚度約為120 μ m。工件為Ti6V4V鈦合金。
[0021]用本發明的裝置對加工微凹坑陣列的具體工作過程如下:
第一步:吸收層8噴塗在平網9的其中一面上，用鼓風機對著平網9的另一面吹風，確保平網9的網孔不被吸收層8堵住；
第二步:工件11進行表面打磨拋光，然後用丙酮和酒精清洗；
第三步:工件11上表面從下往上依次放置柔性貼膜10和表面噴塗有吸收層8的平網9，同時，保證平網9噴塗有吸收層8的一面朝上；
第四步:夾具12將平網9和工件11裝夾在工作檯13上，噴水裝置6向平網9表面噴水，使平網9表面形成厚度為lmnT3mm的水層7 ；
第五步:控制器15控制脈寬為1ns的脈衝雷射器I輸出的雷射束2經過均質器3、全反鏡4和會聚透鏡5後，聚焦在工件11表面形成3.5mm的光斑，功率密度為5GW/cm2，聚焦的雷射束2穿過水層7，一部分雷射束2被平網9上的吸收層8所阻擋和吸收，產生等離子體爆炸形成衝擊波，衝擊波壓緊平網9，使平網9、柔性貼膜和工件三者緊貼在一起，相互間不留縫隙；另一部分雷射束2被平網9的網孔分割成多道與網孔形狀一致的雷射束2，並輻照在柔性貼膜10表面，使柔性貼膜10熔化和氣化，接著雷射束輻照在工件11表面，產生雷射水下燒蝕現象，在工件11表面形成微凹坑陣列；
第六步:控制器15控制工作檯13水平移動，使光斑移動到新的位置，重複步驟五和步驟六，直至整個工件11表面完成微凹坑製造。
[0022]圖3是採用本發明進行雷射微凹坑陣列製造的結果圖，為單個光斑製造的微凹坑陣列，說明單個光斑即可完成9個微凹坑16製造，效率極大地提高。同時，從圖中可以發現微凹坑16周圍極為乾淨，沒有熔渣粘附17，微凹坑16之間間隔非常清楚，微凹坑16表面質量非常好。
[0023]圖4是採用掩膜板將雷射束調製成9道雷射束進行微凹坑陣列製造，未採用本發明的平網9、柔性貼膜10和水層7等。由圖中可以看出，單個光斑也可完成9個微凹坑16的製造，但是微凹坑16周邊有大量的熔渣粘附17，微凹坑16之間界限被熔渣覆蓋，如果該表面要投入使用，需要投入大量時間和金錢進行表面除渣處理，增加成本。如果在除渣過程中處理不當，有可能會給工件11的表面帶來劃痕以及平面度的改變，不利於後續的使用。
【權利要求】
1.一種雷射微凹坑陣列製造裝置，其特徵在於:包括脈衝雷射器(I)、全反鏡(4)、會聚透鏡(5)、噴水裝置(6)、吸收層(8)、平網(9)、柔性貼膜(10)、夾具(12)、工作檯(13)、信號線(14)和控制器(15);脈衝雷射器(I)的出光口處設有全反鏡(4)，全反鏡(4)與水平方向成45 °，全反鏡(4 )下方設有會聚透鏡(5 )，會聚透鏡(5 )下方正對工作檯(13 )，工件(11)上表面從下往上依次放置柔性貼膜(10)和表面噴塗有吸收層(8)的平網(9)，保證平網(9)有吸收層(8)的一面朝上，柔性貼膜(10)、平網(9)和工件(11)通過夾具(12)裝夾在工作檯(13)上，工作檯(13)上設有噴水裝置(6)，脈衝雷射器(I)和工作檯(13)通過信號線(14)與控制器(15)相連。
2.根據權利要求1所述的一種雷射微凹坑陣列製造裝置，其特徵在於:還包括均質器(3)；均質器(3)固定在脈衝雷射器(I)和全反鏡(4)之間。
3.根據權利要求1或2所述的一種雷射微凹坑陣列製造裝置，其特徵在於:所述平網(9)的厚度為18(^1^35(^111，且彈性模量不小於2006?3 ;所述柔性貼膜(10)的厚度為150 μ m?300 μ m ;所述吸收層(8)的厚度為100 μ m?250 μ m。
4.根據權利要求1或2所述的一種雷射微凹坑陣列製造裝置，其特徵在於:所述工作檯(13)至少為X，Y方向二軸聯動工作檯。
5.根據權利要求1所述的一種雷射微凹坑陣列製造裝置的方法，其特徵在於包括以下步驟: 步驟一，將吸收層(8)噴塗在平網(9)的其中一面上，用鼓風機對著平網(9)的另一面吹風，確保平網(9 )的網孔不被吸收層(8 )堵住； 步驟二，對工件(11)進行表面打磨拋光，然後用丙酮和酒精清洗； 步驟三，在工件(11)上表面從下往上依次放置柔性貼膜(10 )和表面噴塗有吸收層(8 )的平網(9)，同時，保證平網(9)噴塗有吸收層(8)的一面朝上； 步驟四，利用夾具(12)將平網(9)和工件(11)裝夾在工作檯(13)上，噴水裝置(6)向平網(9)表面噴水，使平網(9)表面形成厚度為lmnT3mm的水層(7)； 步驟五，利用控制器(15)控制脈衝雷射器(I)輸出的雷射束(2)經過均質器(3)、全反鏡(4)和會聚透鏡(5)後，聚焦在工件(11)表面附近，聚焦的雷射束(2)穿過水層(7)，使一部分雷射束(2)被平網(9)上的吸收層(8)所阻擋和吸收，產生等離子體爆炸形成衝擊波，衝擊波壓緊平網(9)，使平網(9)、柔性貼膜和工件三者緊貼在一起，相互間不留縫隙；另一部分雷射束(2)被平網(9)的網孔分割成多道與網孔形狀一致的雷射束(2)，並輻照在柔性貼膜(10)表面，使柔性貼膜(10)熔化和氣化，接著雷射束輻照在工件(11)表面，產生雷射水下燒蝕現象，在工件(11)表面形成微凹坑陣列； 步驟六，利用控制器(15)控制工作檯(13)的水平移動，使光斑移動到新的位置，重複步驟五和步驟六，直至整個工件(11)表面完成微凹坑製造。
6.根據權利要求5所述的一種雷射微凹坑陣列製造裝置的方法，其特徵在於:所述脈衝雷射器(I)輸出的雷射脈寬為5niT30nS ;焦點位置的光斑直徑大於3mm，並且焦點位置的雷射功率密度不小於lGW/cm2。
【文檔編號】B23K26/146GK104175001SQ201410421717
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】溫德平, 戴峰澤, 張永康, 丁玎 申請人:江蘇大學