CN103028798A

CN103028798A - 连续激光电化学金属微成形加工方法及系统

Info

Publication number: CN103028798A
Application number: CN2012105239310A
Authority: CN
Inventors: 龙芋宏; 邹登峰; 李雪梅; 廖志强
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology; Guilin Medical University
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology; Guilin Medical University
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明为连续激光电化学金属微成形加工方法及系统。本方法连续激光聚焦于电解液中工件表面，连续激光聚焦达到的最高温度小于工件材料的熔点，高于电解液的沸点，使电化学反应明显加快。本加工系统工件固定于反应池底、浸在电解液中，反应池固定于可二维平动的工作台上，阴极固定在于工件上方，阴极和工件分别接稳压电源，工件为阳极。激光控制单元控制连续激光器输出的激光束经反射镜、聚焦透镜将激光聚焦于工件表面。微量泵进水口接入电解液池，出水口接入反应池，以保反应池内的液面。计算机连接控制X Y轴伺服电机、驱动工作台二维平动。本发明可达到μm级的较高分辨率，加工线宽与激光束光斑直径接近。

Description

连续激光电化学金属微成形加工方法及系统

技术领域

本发明属于电化学加工领域，具体涉及一种连续激光电化学金属微成形加工方法及系统。

背景技术

激光加工适合于大部分材料，具有非接触、灵活和精确等优点。但是激光直刻材料时，激光束对其光班附近产生的热影响区、沉积和冲击破坏效应等，在微米、亚微米级刻蚀加工时产生了不容忽视的问题。

电化学刻蚀被认为是一种环境友好的刻蚀工艺，该工艺温度较低，对样品特征损伤小，刻蚀速率高，深宽比高。但电化学刻蚀中的钝化膜使金属阳极溶解过程的超电位升高，阻碍或延缓了电化学刻蚀的进行，必须采用有效的措施来破坏金属钝化膜、活化金属表面。

总之现有的电化学刻蚀和激光刻蚀虽都具有一定的优势，但也存在效率和分辨率的缺陷。现已有人提出将两者相结合的新型复合工艺――激光电化学刻蚀。此种工艺现还不完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续激光电化学金属微成形加工方法，可对金属材料进行分辨率达到μm级微成形加工。

本发明的另一目的是提供一种连续激光电化学金属微成形加工系统，包括激光控制单元、连续激光器、工作台、电解液池，工件置于溶液环境中加工。

根据溶液环境下连续激光加热可使溶液中物质爆发沸腾，设置溶液沸腾换热系数模拟爆发沸腾对温度场的影响，从而简化溶液中物质温度场的求解。

有限元仿真计算连续激光对溶液中金属材料定点加热和扫描加热过程中的激光光斑中心温度随时间的变化，所得曲线分别如图1和图2所示。由图1可见，连续激光定点加热溶液中的金属，其表面温度快速升高并在0.5秒内达到一个饱和值，图2中几条曲线表达激光扫描中几个不同点的温度时程分布，均为呈现陡升陡降的尖锐温度时程曲线。由此可见连续激光对金属表面加热迅速，且溶液对激光光斑周边金属的冷却作用大大缩小激光热效应对加工区域外的影响，故连续激光扫描可对溶液中金属进行微成形加工。

本发明提供的连续激光电化学金属微成形加工方法，金属材料的工件固定于电化学刻蚀的电解液中，工件为阳极，连续激光聚焦于工件表面，光班沿待加工点或线扫描，所述连续激光聚焦于工件表面某个定点达到的最高温度小于工件金属材料的熔点，高于电解液的沸点。激光功率足以将激光光斑辐照区附近1mm以内的溶液加热至沸腾。

本方法的连续激光的热效应不会使工件表面熔融，但激光加热后能使待加工处的电化学反应明显加快，迅速完成电化学刻蚀。

本发明设计的连续激光电化学金属微成形加工系统，包括盛放电解液的反应池、阴极和稳压电源，工件浸在反应池的电解液中、固定于反应池底，阴极固定在工件上方。阴极和工件分别与稳压电源的2个输出端相接，工件为阳极。本系统还包括激光控制单元、连续激光器、反射镜、聚焦透镜和工作台，激光控制单元连接控制连续激光器，连续激光器输出的激光束经反射镜、聚焦透镜将激光聚焦于工件表面；反应池固定于工作台上，所述工作台为可在平面的X轴和Y轴平动的工作台。

所述反应池的电解液液面与工件上表面的距离为面3～5mm。

所述阴极可固定于工件上方，阴极与工件上表面距离为1～3mm。

为了保证反应池内的电解液液面与工件表面的距离不变，还配有微量泵和电解液池，微量泵进水口接入电解液池，出水口接入反应池。

为了精确控制工作台的移动，计算机连接控制X轴和Y轴伺服电机、驱动工作台进行二维平动。计算机按设定的加工路线控制X轴和Y轴伺服电机运行、驱动工作台X轴和Y轴移动，从而使工作台上的反应池内的工件在激光束的光斑下移动，使工件表面的加工区域被激光扫描加热。

为了监控电化学反应情况，在阴极和工件上连接示波器，掌握电流等参数。

与现有技术相比，本发明连续激光电化学金属微成形加工方法及系统的优点为：1、根据溶液中激光加热的温度场和热效应分析，提供了连续激光促进电化学刻蚀进程的金属材料工件微成形加工方法和系统，可达到μm级的较高分辨率，可获得加工图形线宽与激光束光斑直径接近的刻蚀效果；2、与普通电化学刻蚀相比，本发明可提高刻蚀分辨率；3、系统由现有仪器部件组成，易于实现。

附图说明

图1为有限元仿真计算连续激光对溶液中金属材料定点加热过程中激光光斑中心的温度时程曲线；

图2为有限元仿真计算连续激光对溶液中金属材料扫描加热过程中数个点的激光光斑中心的温度时程曲线；

图3为本连续激光电化学金属微成形加工系统实施例结构示意图。

图内标号为：1、激光控制单元，2、连续激光器，3、反射镜，4、聚焦透镜，5、阴极，6、工件，7、反应池，8、工作台，9、Y轴伺服电机，10、X轴伺服电机，11、计算机，12、回流管，13、电解液池，14、微量泵，15、稳压电源，16、示波器。

具体实施方式

连续激光电化学金属微成形加工方法实施例

本例连续激光电化学金属微成形加工方法，金属材料的工件固定于电化学刻蚀的电解液中，工件为阳极，连续激光聚焦于工件表面，光班沿待加工点或线扫描，所述连续激光聚焦于工件表面某个定点达到的最高温度小于工件金属材料的熔点，大于电解液沸点。

本例方法通过下述连续激光电化学金属微成形加工系统实施例得以实施。

连续激光金属材料电化学微成形加工系统实施例

本连续激光电化学金属微成形加工系统实施例如图3所示，包括激光控制单元1、连续激光器2、反射镜3、聚焦透镜4、工作台8、盛放电解液的反应池7、阴极和稳压电源15。激光控制单元1连接控制连续激光器2，连续激光器2输出的激光束经反射镜3、聚焦透镜4将激光聚焦于工件6上表面。本例的连续激光器2为808nm半导体激光器，最大功率为25W。聚焦透镜4为焦距为100mm的柱透镜。本例激光直接照射工件上的固定点6分钟，其热效应不足以使金属熔融，但能使激光电化学反应明显，本例所用功率为4.5W。刻蚀光斑的大小由聚焦透镜4的成像比例来决定。

计算机11连接控制的X轴伺服电机10和Y轴伺服电机9，X轴伺服电机10和Y轴伺服电机9驱动连接工作台8、进行的二维平动。

反应池7固定于工作台8上，工件6浸在反应池7的电解液中、固定于反应池7底。本例工件6为不锈钢片，厚度200μm。工件6表面先用丙酮溶液清洗，再放入反应池7。用分析纯的固体硝酸钠加去离子水配成不同浓度的电解液，本例所用电解液为2.5mol/L浓度的NaNO₃水溶液。反应池7为内径100mm的浅槽，工件6作阳极用聚四氟乙烯螺钉固定于反应池7底部，反应池7中加入电解液，电解液表面距离工件6的上表面5mm。阴极5为铂丝，固定于阳极工件6上方、并浸在电解液中，与工件6上表面距离为3mm。

工作台8为在平面的X轴和Y轴二轴平动工作台，由计算机11连接控制的X轴伺服电机10和Y轴伺服电机9。激光定点刻蚀时，工作台8固定；激光扫描刻蚀时，计算机11按设定的加工路线控制X轴伺服电机10和Y轴伺服电机9运行、驱动工作台8在X轴和Y轴平移运动，使工作台8上的反应池7内的工件6在激光束的光斑下移动，实现激光光斑在工件6表面的加工路线上移动。加工过程环境温度为15°～30°的室温。

阴极5和工件6分别与稳压电源15的2个输出端相接，工件6为阳极。在阴极5和工件6上连接示波器16。

微量泵14进水口接入电解液池13，出水口接入反应池7。另有一根回流管12，一端接于电解液池13，另一端接入反应池7，回流管12在反应池7的管口高度为反应池7的最高水位。微量泵14工作将电解液泵入反应池7，当反应池7内的电解液水位过高，电解液经回流管12返流到电解液池13，保持反应池7内的水位不变，回流的电解液经回流管12管口过滤继续使用。

采用本例系统加工结束，用高倍显微镜和计算机图像采集系统对工件进行表面形貌分析，采用表面轮廓测试仪测量刻蚀深度。

当连续激光器2的功率为4.5W、稳压电源15在阴极5和工件6上所加电压为2.5V、电解液NaNO3溶液浓度为2.5mol/L时，调节聚焦透镜调节激光光斑直径，定点刻蚀6分钟得到大小两孔，小孔在大孔内，孔径分别为687.5μm、437.5μm，小孔深度为200μm，大孔深度为50um。一般电化学刻蚀速率每分钟仅几十到几百纳米。本方法6分钟得到小孔深度达200μm，刻蚀速率显著提高。

在上述工艺条件下，工作台8移动速度为0.05m/min时，扫描刻蚀得到的线宽为62.5μm、深度达30μm。本例线刻蚀线宽62.5um与光斑直径相当，分辨率大大提高，普通电化学方法由于横向刻蚀的存在，边缘不清晰，难以实现几十μm深度的线隙加工。

由以上实施例可知本连续激光电化学金属微成形加工方法及系统可获得孔径与与光斑直径对应、图形线宽与光斑直径接近的刻蚀效果。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.连续激光电化学金属微成形加工方法，金属材料的工件固定于电化学刻蚀的电解液中，工件为阳极，其特征在于：

连续激光聚焦于工件表面，光班对准待加工点或沿待加工线扫描，所述连续激光聚焦于工件表面某个定点达到的最高温度小于工件金属材料的熔点，高于电解液的沸点。

2.根据权利要求1所述的连续激光电化学金属微成形加工方法设计的溶液中金属材料的连续激光扫描微成形加工系统，包括盛放电解液的反应池（7）、阴极（5）和稳压电源（15），工件（6）浸在反应池（7）的电解液中、固定于反应池（7）底，阴极（5）固定在工件（6）上方，阴极（5）和工件（6）分别与稳压电源（15）的2个输出端相接，工件（6）为阳极；其特征在于：

本系统还包括激光控制单元（1）、连续激光器（2）、反射镜（3）、聚焦透镜（4）和工作台（8），激光控制单元（1）连接控制连续激光器（2），连续激光器（2）输出的激光束经反射镜（3）、聚焦透镜（4）将激光聚焦于工件（6）表面；反应池（7）固定于工作台（8）上，所述工作台（8）为可在平面的X轴和Y轴平动的工作台。

3.根据权利要求2所述的连续激光电化学金属微成形加工系统，其特征在于：

还配有微量泵（14）和电解液池（13），微量泵（14）进水口接入电解液池（13）内，出水口接入反应池（7）。

4.根据权利要求3所述的连续激光电化学金属微成形加工系统，其特征在于：

还有一根回流管（12），一端接于电解液池（13），另一端接入反应池（7），回流管（12）在反应池（7）的管口高度为反应池（7）的最高水位。

5.根据权利要求2所述的连续激光电化学金属微成形加工系统，其特征在于：

计算机（11）连接控制的X轴伺服电机（10）和Y轴伺服电机（9），X轴伺服电机（10）和Y轴伺服电机（9）驱动连接所述工作台（8）、进行的二维平动。

6.根据权利要求2所述的连续激光电化学金属微成形加工系统，其特征在于：

所述阴极（5）和工件（6）连接示波器（16）。

7.根据权利要求2所述的连续激光电化学金属微成形加工系统，其特征在于：

所述反应池（7）中电解液液面距离工件（6）的上表面3～5mm。

8.根据权利要求2所述的连续激光电化学金属微成形加工系统，其特征在于：

所述阴极（5）固定于工件（6）、并浸在电解液中，与工件（6）上表面距离为1～3mm。

9.根据权利要求7所述的连续激光电化学金属微成形加工系统，其特征在于：

所述阴极（5）为铂丝。