CN102787333B - 光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积的制造方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积的制造方法和装置，将光纤激光技术引入到电化学沉积制造系统中，有效地提高了光束传输的灵活性，将其与数控加工系统相结合可实现复杂三维空间结构的加工要求。在加工过程中采用纳秒脉冲的激光束与电化学纳秒脉冲电流相耦合，纳秒级的电化学脉冲沉积过程可避免电极表面的浓差极化，增强沉积反应的区域选择性，同时激光的脉动效应能有效去除电沉积过程中的氢气泡，从而显著提高电化学沉积的定域效果和材料致密度，实现高性能金属材料的微器件沉积成形。本发明适用于高性能金属材料三维微器件的制作，属于微细快速成型加工领域。

Description

光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积的制造方法和装置

技术领域

本发明涉及制造技术中的微细快速成型加工领域，特指一种光纤激光电化学空间沉积微细制造方法与装置，适用于高性能金属微器件的制作、集成电路板的生产、修复等无接触三维空间成形加工。

背景技术

目前，电化学沉积技术已经广泛应用在零件修复技术、表面处理技术、微细制造技术领域。特别是近年来微机电系统(Micro Electromechanical System，简称MEMS)的发展，对微小零件及微执行器的需求越来越多，如微轴、微传感器、微泵等。有的微器件甚至对于材料有特殊要求，如微型磁力阀，就要求材料有足够的磁能积，这是常规材料所不能具备的，而通过沉积制造的方法可实现该材料的制备，即在沉积液中加入具有高磁能积的磁性粒子来提高元件的磁能积。

但是，单一的电化学沉积技术由于制造机理的限制存在一定的不足，在制造领域的优越性并不显著。将电化学沉积技术与其他技术相结合，可以获得较好的效果，新加坡国立大学M.A.Habib等人利用基于掩模的定域电化学沉积技术制造了微细加工的电极，并用制造的成形电极进行了放电加工试验，取得了良好的效果。而采用激光诱导的电化学沉积技术，可以使电化学反应得到显著增强，提高沉积速率、改善沉积质量及性能；具有沉积层表面形貌好；可实现智能控制等特点，与常规的沉积技术相比有显著优势。国内外许多学者都对其进行了研究，美国IBM公司GutFeld首次报道了激光照射到阴极某点上可以引起局部电流密度急剧增加的实验结果，并且研究了Ar+激光增强Ni、Au、Cu的电沉积过程。另外，国内外专家对激光电沉积技术的加工机理和设备也进行了较多的研究开发。但是基于光纤激光的电化学空间制造技术尚未报道。

光纤激光器是一种新型以光纤作为工作物质的中红外波段激光器，它以结构紧凑、转换效率高、光束质量好、加工柔性好等优点成为一类十分有应用前景的激光光源。与灯泵激光器相比，光纤激光器(尤其是高功率双包层光纤激光器)消耗的电能仅约为灯泵激光器的1％，而效率则是半导体激光灯泵浦固体YAG激光的2倍以上。将预准直的光纤系统插到激光器上就可以使激光通过光纤传导到光纤输出端。光纤激光技术具有以下优点：光路灵活可变，小芯径光纤可提供小尺寸光斑，因而能在工作上获得功率密度较高的光强，光纤具有较小的弯曲半径，它能接近那些采用传统方法无法接近的工作区域，实现空间全方位遥控加工。现在光纤激光技术已经在汽车和船舶等制造业中获得成功应用。

发明内容

本发明利用光纤激光结构紧凑、加工柔性好等优点，提出了利用光纤激光来实现三维空间电沉积的制造技术，将纳秒脉冲激光与电化学纳秒脉冲电流复合，能够克服激光与电化学复合沉积时，阴极气体不易排出，沉积层材料疏松以及定域效果不佳等缺陷，适用于高性能金属材料的微器件制作及加工等。

一种光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积的制造方法，其特征在于：将光纤激光技术引入到电化学沉积制造系统中，能有效地提高光束传输的灵活性，将其与数控加工系统相结合可实现复杂三维空间结构的加工要求。在加工过程中采用纳秒脉冲的激光束与电化学纳秒脉冲电流相耦合，纳秒级的电化学脉冲沉积过程可避免电极表面的浓差极化，增强沉积反应的区域选择性，同时激光的脉动效应能有效去除电沉积过程中的氢气泡，从而显著提高电化学沉积的定域效果和材料致密度，实现高性能金属材料的微器件沉积成形。

实现上述光纤激光电化学空间沉积微细制造方法的装置主要包括：光纤激光器、光纤传输系统、三维激光加工机器人和电沉积制造系统，三维激光机器人的加工头还包括由钛合金制造的电沉积不溶性工具阳极；电沉积系统由沉积液槽、导电基板、电化学脉冲电源、储液槽、循环泵、过滤器、搅拌器、加热器、温度传感器等构成。

本发明是按下列技术方案实现的：

(1)电沉积系统的导电基板固定于沉积液槽中与纳秒脉冲电源负极相连接，作为电沉积的阴极基体；纳秒脉冲电源正极与激光加工头上的钛合金阳极相连；电沉积所需的溶液利用循环泵由储液槽中抽出，经过滤器后送入沉积液槽，电沉积加工过程中利用搅拌器和加热器保证沉积液中的成分均匀、温度恒定；

(2)电沉积系统的电路连接完成后，开启加热器和搅拌器，使溶液循环系统运行一段时间，让沉积液达到均匀稳定状态，开启循环泵将配置好的电沉积溶液由储液槽充入沉积液槽中；

(3)由光纤激光器发出的纳秒脉冲激光通过光纤传导至三维激光机器人的激光加工头输入端，光纤所具有的弯曲柔性可以保证激光加工头实现全方位的三维空间运动，激光加工头的输出端浸没在沉积液中，距离导电基板3～5mm，激光束从输出端发出后可聚焦在导电基板上的沉积区域；

(4)电沉积脉冲电源开启，沉积液中的金属离子在纳秒脉冲电流作用下，在导电基板表面发生电化学还原反应；同时激光器发出纳秒脉冲激光辐照在沉积部位，脉冲电源和脉冲激光复合的纳秒脉动效应能使沉积层组织致密，晶粒细化，并排出电沉积过程中的氢气泡，使沉积区周围的溶液成分均匀，抑制浓差极化。

本发明的技术优势和有益效果如下：

(1)将光纤激光作为能量源与电化学沉积相复合，利用其良好的传输柔性使得激光聚焦点可以任意改变方位，实现在三维空间里的任意形状加工；

(2)电化学电源输出的沉积电流和激光器发出的激光都是纳秒级的超短脉冲能量，能够将激光与电化学复合的沉积反应定域在微米级的区域内，实现二维或三维的高精度沉积成形，激光的辐照作用能够显著提高电沉积反应的速度和沉积层的质量；

(3)电化学沉积系统的阳极采用不溶性的钛合金电极，将其安装在三维激光机器人的加工头上，实现了激光辐照系统和电化学沉积系统的高效复合，又避免了网状或是探针电极在激光照射时产生的遮掩使加工微细程度受到限制。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

1、三维激光机器人，2、光纤激光器，3、传输光纤，4、激光加工头，5、沉积成形的零件，6、沉积液槽，7、导电基板，8、过滤器，9、循环泵，10、储液槽，11、加热器，12、搅拌器，13、温度传感器，14、电化学脉冲电源。

图2是三维激光机器人加工头的结构图。

41、玻璃挡板，42、不溶性阳极，43、绝缘外套，44、光纤包层，45、光纤内芯。

具体实施方式

下面结合图1和图2详细说明本发明提出的具体装置细节和工作情况。

实施本发明光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积的制造方法所采用装置包括依次相连的三维激光机器人1、光纤激光器2、传输光纤3、激光加工头4和电沉积制造系统；三维激光机器人的加工头4外部包裹绝缘外套43，内部包括光纤内芯45和光纤包层44，光纤前端有玻璃挡板41作为保护，还包括由钛合金制造的电沉积不溶性工具阳极42，其结构如图2所示；电沉积制造系统由沉积液槽6、导电基板7、过滤器8、循环泵9、储液槽10、加热器11、搅拌器12、温度传感器13、电化学脉冲电源14等构成，各部件连接关系如图1所示。

由于激光在沉积溶液中存在能量损耗，因此选用在水中穿透能力好的紫外波长激光，光纤激光器输出的激光束能量为50～500mJ、脉冲宽度为10～100纳秒、重复频率为10kHz～1MHz，激光聚焦后的光斑尺寸为10～5μm，其中激光能量和脉冲宽度、重复频率可调节控制。为实现激光能量和沉积电场的有效复合，电化学电源输出的纳秒脉冲电流，其脉冲宽度和重复频率与激光同步，电压幅值为5～10V。纳秒脉冲的激光束与电化学纳秒脉冲电流相耦合，在纳秒时间内的电化学脉冲沉积过程可避免电极表面的浓差极化，增强沉积反应的区域选择性，同时激光的脉动效应能有效去除电沉积过程中的氢气泡，从而显著提高电化学沉积的定域效果和材料致密度，实现高性能金属材料的微器件沉积成形。

电化学沉积系统的阴极导电基板7与纳秒脉冲电源14的负极相连接，纳秒脉冲电源正极与激光加工头上的钛合金不溶性阳极42相连；电沉积所需的溶液利用循环泵9由储液槽10中抽出，经过滤器8后送入沉积液槽6，电沉积加工过程中利用搅拌器12和加热器11保证沉积液中的成分均匀、温度恒定。由光纤激光器发出的纳秒脉冲激光通过光纤传导至三维机器人的激光加工头，加工头4的输出端浸没在沉积液中，距离导电基板3～5mm，激光束从输出端发出后可聚焦在导电基板7上的沉积区域。

复合沉积过程：开启循环泵9将配置好的电沉积溶液由储液槽10充入沉积液槽6中，开启加热器11和搅拌器12，使溶液循环系统运行一段时间，让沉积液达到均匀稳定状态；电沉积脉冲电源开启，沉积液中的金属离子在纳秒脉冲电流作用下，在导电基板表面发生电化学还原反应；同时激光器发出与电沉积脉冲电流同步的纳秒脉冲激光辐照在沉积部位；激光能量与电沉积系统复合后，将与系统中的电极和沉积液发生相互作用，使电极反应速率大大提高，具有高的选择性及加工精度，可以实现微区局部沉积。控制三维激光机器人的加工头按照设计轨迹进行空间三维运动，从而实现光纤激光与电化学复合的纳秒脉冲微小器件沉积成形制造。沉积过程中，调节进水阀和出水阀的大小使沉积液完全浸没沉积部位，其液面应超过钛合金阳极底面，沉积液的成分、浓度应根据所需要的沉积层材质合理选择。

Claims (4)

1.一种光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积的制造方法，其特征在于：

电沉积系统的导电基板固定于沉积液槽中与纳秒脉冲电源负极相连接，作为电沉积的阴极基体；纳秒脉冲电源正极与激光加工头上的钛合金不溶性阳极相连；开启储液槽中的加热器和搅拌器，使溶液循环系统运行一段时间，让沉积液达到成分均匀、温度恒定的状态；开启循环泵将配置好的电沉积溶液由储液槽经过滤器后充入沉积液槽中；

由光纤激光器发出的纳秒脉冲激光通过光纤传导至三维激光机器人的激光加工头输入端，光纤所具有的弯曲柔性保证了激光加工头实现全方位的三维空间运动，激光加工头的输出端浸没在沉积液中，距离导电基板3～5mm，激光束从输出端发出后可聚焦在导电基板上的沉积区域；

电沉积脉冲电源开启，沉积液中的金属离子在纳秒脉冲电流作用下，在导电基板表面发生电化学还原反应；同时激光器发出与电沉积脉冲电流同步的纳秒脉冲激光辐照在沉积部位；脉冲电源和脉冲激光复合的纳秒脉动效应可避免电极表面的浓差极化，增强沉积反应的区域选择性，使沉积层组织致密，晶粒细化，并排出电沉积过程中的氢气泡，使电极反应速率显著提高，实现具有高选择性及加工精度的微区局部沉积；

控制三维激光机器人的加工头按照设计轨迹进行空间三维运动，从而实现光纤激光与电化学复合的纳秒脉冲微小器件沉积成形制造；

沉积过程中，调节进水阀和出水阀的大小使沉积液完全浸没沉积部位，其液面应超过钛合金阳极底面，沉积液的成分、浓度应根据所需要的沉积层材质合理选择。

2.根据权利要求1所述的一种光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积的制造方法，其特征在于：选用在水中穿透能力好的紫外波长激光，光纤激光器输出的激光束能量为50～500mJ、脉冲宽度为10～100纳秒、重复频率为10kHz～1MHz，激光聚焦后的光斑尺寸为10～5μm，其中激光能量和脉冲宽度、重复频率可调节控制。

3.根据权利要求2所述的一种光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积的制造方法，其特征在于：电沉积电源输出的纳秒脉冲电流，其脉冲宽度和重复频率与权利要求2中的纳秒脉冲激光同步，电压幅值为5～10V。

4.为实施权利要求1所述的一种光纤激光与电化学复合纳秒脉冲沉积制造方法的装置，包括三维激光机器人、光纤激光器、传输光纤、激光加工头和电沉积制造系统，电沉积系统由沉积液槽、导电基板、电化学脉冲电源、储液槽、循环泵、过滤器、搅拌器、加热器、温度传感器构成，其特征在于：三维激光机器人的加工头外部包裹绝缘外套，内部包括光纤内芯和光纤包层，光纤前端有玻璃挡板作为保护，还包括由钛合金制造的电沉积不溶性工具阳极。