CN102756020A - 激光冲击微调校方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种激光冲击微调校的方法及其装置，其特征是先将悬臂状靶材试样打磨，以保证靶材表面光滑与平整度，并保证靶材的清洁，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弯曲形变，通过调整激光的能量即控制靶材变形程度，从而实现靶材弯曲曲率的微调校。本发明能对靶材产生极高的压应力和应变率，不仅可实现靶材弯曲曲率的微调校而且能改善靶材性能，使靶材能抵抗更大的弯矩。

Description

激光冲击微调校方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMs)调校技术和激光微成形技术，尤其是一种适用于金属表面弯曲曲率的微调校，如微机械悬臂梁的微调校方法及其装置，具体地说是一种激光冲击微调校方法及装置。

背景技术

    目前，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，特别是微机电系统(MEMS)领域的飞速发展。在这些行业和领域中，微机械悬臂发挥了重要作用。悬臂被广泛用于极其灵敏的物理，化学和生物传感器上。然而，为了获得更高的灵敏度，应用于传感器上的微机械悬臂通常是薄的，这是对调校技术的一种挑战。传统的通过加载机械力或动态冲击力来实现调校的机械调校方法因为其不理想的精度和耗时性而不能满足这一要求。这就需要有一个精确，非接触式的调校方法来实现微机械悬臂弯曲角度和弯曲方向的调整。

近年来出现了一种利用激光诱导的热效应实现微机械结构的调整方法，可以在不使用工具或加载外力的情况下改变试样形状。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微机械悬臂表面产生残余应力。当激光束照射到目标表面，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，如弯曲变形。通过改变激光作用参数，可以得到不同的弯曲角度和弯曲方向用以调整微机械悬臂。以前的作品表明，关于激光热成形技术有三种常见的成形机制，即：温度梯度机制（TGM），屈曲机制（BM），增厚机制（UM）。

    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，这会使弯曲的方向不明朗，并使形成复杂的形状和高精度曲率修改的过程变得很难控制。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，利用激光热调校技术很难保持微机械悬臂材料的性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有的激光热调校存在的温度效应大，变形量难以控制，很难实现微调校，而接触式机械微调校精度难以控制的问题，发明一种非接触的采用激光诱导冲击波，对靶材进行弯曲微调校的方法及装置。

本发明的技术方案之一是：

一种激光冲击微调校方法，其特征是它包括以下步骤：

    首先，将悬臂状靶材打磨，以保证靶材表面光滑与平整度，并采用无水酒精清洗靶材表面，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，将靶材的一端用夹具紧固，另一端呈悬臂状以保证位置，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层材料，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局限了等离子体空间位置，从而产生更高的压力，因为靶材被做成微机械悬梁形状，拥有一自由端，一固定端，当激光束照射到靶材的自由端时，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，靶材的自由端继续向下运动，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，产生弯曲变形，因此通过调整激光的能量即能控制靶材悬臂端变形程度，实现悬臂端变形的微调校。

所述的激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm输出单脉冲。

本发明的技术方案之二是：

一种激光冲击微调校用装置，它由激光驱动控制系统、靶材系统和靶材装夹位移系统组成，其特征是激光驱动控制系统由计算机12，激光控制器10，纳秒激光器9，平面反射镜8和聚焦透镜7组成，计算机12控制激光控制器10，激光控制器10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经聚焦后直接作用于靶材系统；靶材系统由水层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；整个靶材系统装夹于靶材装夹位移系统上；靶材装夹位移系统由三维移动平台控制器11，三维移动平台2，L型底座1和夹具体3组成，靶材系统放于夹具体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，靶材装夹位移系统的移动由三维移动平台控制器11调控三维移动平台2移动实现，三维移动平台控制器11受控于计算机12。

本发明的有益效果：

（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调校的技术。这是一种可以通过激光诱导冲击波的方法实现目标靶材曲率的修改。它具有激光热调校的优势，如非接触式，免工具和高效率。此外，作为非热调校过程，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。激光诱导冲击波致使金属薄板弯曲的趋势是与传统的激光喷丸成形相似。所以，激光冲击调校是容易实现的，且非常有用的高精度曲率调整技术。

（2）本发明的激光冲击调校技术本身具有独特的优越性，做为一种无模具、无外力的非接触式的调校技术，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，与激光热调校相比，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调校效果，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，使得激光冲击处理技术可以和其它材料成形技术一起配合使用。

    （3）本发明相较于传统的机械微调校技术，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，对微机械悬臂梁进行单点冲击，多次冲击，或多点冲击以期获得理想的弯曲角度弯曲位移的激光冲击调校技术，将是一种低成本，高效率，少污染的新型激光调校技术，具有广阔的工业应用前景。

附图说明

    图1是本发明激光冲击微调校装置的组成系统示意图。

    图2 本发明的激光冲击加载示意图。

    图3 本发明的激光冲击加载后靶材弯曲示意图

    图中：1为 L型底座，2为三维移动平台，3为夹具体，4为靶材，5为黑漆层，6为水层，7为聚焦透镜，8为平面反射镜，9为纳秒激光器，10为激光控制器，11为三维移动平台控制器，12为计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    实施例一。

如图1-3所示。

一种激光冲击微调校方法，它包括以下步骤：

    首先，将悬臂状靶材打磨，以保证靶材表面光滑与平整度，并采用无水酒精清洗靶材表面，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；控制黑漆涂层的厚度为10-30微米，见图2；

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；控制水深在黑漆层之上1-2毫米，见图2；

第四，将靶材的一端用夹具紧固，另一端呈悬臂状以保证位置，开启纳秒脉冲激光器，调节好光路，并调节三维移动平台，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，如图1；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的材料，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局限了等离子体空间位置，从而产生更高的压力，因为靶材被做成微机械悬梁形状，拥有一自由端，一固定端，当激光束照射到靶材的自由端时，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，靶材的自由端继续向下运动，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，产生弯曲变形，因此通过调整激光的能量即能控制靶材悬臂端变形程度，实现悬臂端变形的微调校。

本发明的激光冲击调校过程是在封闭的约束机制下进行的,首先在目标表面局部区域涂不透明的涂层（黑漆），然后，用透明的约束层覆盖，可用水作为对激光束透明的介质材料。当高能量的脉冲激光束照射到靶材表面，不透明涂层瞬间变成高温和高压等离子并产生汽化。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的材料，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局限了等离子体空间位置，从而产生更高的压力。因为靶材被做成微机械悬梁形状，拥有一自由端，一固定端，当激光束照射到靶材的自由端时，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，靶材的自由端继续向下运动，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，产生弯曲变形。这可以与一些高能率成形过程相比较，因此，可以通过调整激光的能量来控制调校的程度。

激光的工作状态由光斑直径、激光脉宽以及激光单脉冲能量决定，这些参数可通过对纳秒脉冲激光器进行调节来确定，以期得到合适的靶材弯曲角度与位移。由于激光器脉冲能量的限制，冲击调校中激光的光斑直径一般较小，当所需调校的微机械悬臂梁硬度较大或需调校较大角度时，就必须采用多点、多次冲击。而且产生的冲击波压力加载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。

    实施例二。

如图1-3所示。

一种激光冲击微调校用装置，它由激光驱动控制系统、靶材系统和靶材装夹位移系统组成，如图1所示，激光驱动控制系统由计算机12，激光控制器10，纳秒激光器9，平面反射镜8和聚焦透镜7组成，计算机12控制激光控制器10，激光控制器10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系统；靶材系统由水层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，如图2；整个靶材系统装夹于靶材装夹位移系统上；靶材装夹位移系统由三维移动平台控制器11，三维移动平台2，L型底座1和夹具体3组成，靶材系统放于夹具体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，靶材装夹位移系统的移动由三维移动平台控制器11调控三维移动平台2移动实现，三维移动平台控制器11受控于计算机12。

图3是利用本发明的装置进行激光冲击加载后靶材的弯曲示意图：其中图3(a)加载675mJ激光能量于微机械悬臂梁自由端微机械悬臂梁弯曲示意图；图3(b)加载1020mJ激光能量于微机械悬臂梁自由端微机械悬臂梁弯曲示意图；图3(c)加载1550mJ激光能量于微机械悬臂梁自由端微机械悬臂梁弯曲示意图；图3(d)加载1900mJ激光能量于微机械悬臂梁自由端微机械悬臂梁弯曲示意图。

由图3可见加载不同的激光能量可获得不同的弯曲变形量，且加载的能量越大，变形量也越大。通过实验数据的收集和整理可得出冲击能量与变形量之间的关系，用于指导设计和生产。

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。

Claims (2)

1.一种激光冲击微调校方法，其特征是它包括以下步骤：

    首先，将悬臂状靶材打磨，以保证靶材表面光滑与平整度，并采用无水酒精清洗靶材表面，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，将靶材的一端用夹具紧固，另一端呈悬臂状以保证位置，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层材料，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，因为靶材被做成微机械悬梁形状，拥有一自由端，一固定端，当激光束照射到靶材的自由端时，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，靶材的自由端继续向下运动，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，产生弯曲变形，因此通过调整激光的能量即能控制靶材悬臂端变形程度，实现悬臂端变形的微调校；其中所述的激光的工作状态参数为波长532nm或1064nm输出单脉冲。

2.一种实现权利要求1所述方法的激光冲击微调校用装置，它由激光驱动控制系统、靶材系统和靶材装夹位移系统组成，其特征是激光驱动控制系统由计算机（12），激光控制器（10），纳秒激光器（9），平面反射镜（8）和聚焦透镜（7）组成，计算机（12）控制激光控制器（10），激光控制器（10）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）聚焦后直接作用于靶材系统；靶材系统由水层（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；整个靶材系统装夹于靶材装夹位移系统上；靶材装夹位移系统由三维移动平台控制器（11），三维移动平台（2），L型底座（1）和夹具体（3）组成，靶材系统放于夹具体（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，靶材装夹位移系统的移动由三维移动平台控制器（11）调控三维移动平台（2）移动实现，三维移动平台控制器（11）受控于计算机（12）。

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