CN104175001A - 一种激光微凹坑阵列制造装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光微凹坑阵列制造装置和方法，涉及激光微凹坑制造领域。本发明首先在工件上表面向上依次覆盖柔性贴膜和喷涂有吸收层的平网，并一起装夹在工作台上，喷水装置向平网表面喷射水层。激光束透过水层，一部分激光穿过平网的网孔，烧蚀柔性贴膜和工件表面，形成微凹坑和大量飞溅的熔渣；另一部分激光束被吸收层阻挡和吸收，产生等离子体爆炸形成冲击波，冲击波使平网、柔性贴膜和工件表面三者紧贴一起，相互间不留缝隙，阻止熔渣进入非激光辐照区的工件表面。本发明可提高微凹坑表面质量，避免熔渣粘附在微凹坑周边，提高加工效率，保证微凹坑尺寸的重复性，同时可以在工件表面加工各种形状和分布的微凹坑阵列。

Description

一种激光微凹坑阵列制造装置和方法

技术领域

本发明涉及激光微凹坑阵列制造领域，特指一种能避免熔渣粘附的激光微凹坑阵列制造技术。

背景技术

摩擦副表面的微凹坑阵列具有提高承载能力，降低摩擦系数，减少摩擦损耗，同时也可起到存储润滑油和收集磨粒的作用，因此，微凹坑的加工成为了摩擦学方面的研究热点。

激光加工因其具有加工速度快、对环境无污染、易于控制等优点而成为目前应用最广的微凹坑加工技术。激光微凹坑加工分为激光诱导冲击波微凹坑加工和激光烧蚀微凹坑加工。其中激光诱导冲击波微凹坑加工因其加工的微凹坑深度较小，现阶段仅限于研究阶段；而激光烧蚀微凹坑加工已经广泛地应用于工业实践。但是，激光烧蚀微凹坑加工面临的最大问题是激光烧蚀过程中会产生大量的熔渣，熔渣从凹坑中喷溅而出粘附在凹坑边缘附近的表面形成大量的极难去除的凸起，这些凸起对后续的表面的摩擦极为不利，需增加去除工序。凹坑周围的熔渣粘附面积越大，去除工序的加工时间和加工成本就越大。同时，当去除熔渣粘附操作不当时，会在表面产生额外的破坏，如划痕和平面度的改变等。因此，避免和减少激光烧蚀微凹坑加工产生的熔渣粘附具有极大的意义。

D.K.Y. Low等人在论文Spatter-free laser percussion drilling of closely spaced array holes（DOI标示符为10.1016/S0890-6955(00)00078-X）中提出了用复合材料制成的贴膜紧贴工件，进行激光打孔加工，该方法能有效避免熔渣粘附，但是，制造该复合材料贴膜时需添加直径为90μm的特种陶瓷颗粒，造价高，限制了该方法的推广，不适合应用于需要大面积微凹坑加工的情况。水环境下进行激光烧蚀微凹坑或孔被认为是减少熔渣粘附的有效途径，但熔渣粘附面积仍然比较大。例如，Ze Liu等人在论文Ultrasound-assisted water-confined laser micromachining: A novel machining process (DOI标示符为10.1016/j.mfglet.2014.06.001)中发现水下激光加工仍不可避免熔渣粘附，同样的结果在Hewei Liu等人发表的论文Influence of liquid environments on femtosecond laser ablation of silicon（DOI标示符为10.1016/j.tsf.2010.04.043）也有发现。同时目前的微凹坑加工技术，一般采用逐点激光加工的方式对工件表面进行加工，效率较低。

发明内容

本发明目的在于提供一种激光微凹坑阵列制造装置和方法，以避免熔渣粘附，并提高微凹坑制造效率。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种激光微凹坑阵列制造装置，其特征在于：包括脉冲激光器（1）、全反镜（4）、会聚透镜（5）、喷水装置（6）、吸收层（8）、平网（9）、柔性贴膜（10）、夹具（12）、工作台（13）、信号线（14）和控制器（15）；脉冲激光器（1）的出光口处设有全反镜（4），全反镜（4）与水平方向成45°，全反镜（4）下方设有会聚透镜（5），会聚透镜（5）下方正对工作台（13），工件（11）上表面从下往上依次放置柔性贴膜（10）和表面喷涂有吸收层（8）的平网（9），保证平网（9）有吸收层（8）的一面朝上，柔性贴膜（10）、平网（9）和工件（11）通过夹具（12）装夹在工作台（13）上，工作台（13）上设有喷水装置（6），脉冲激光器（1）和工作台（13）通过信号线（14）与控制器（15）相连。

还包括均质器（3）；均质器（3）固定在脉冲激光器（1）和全反镜（4）之间；

所述平网（9）的厚度为180μm~350μm，且弹性模量不小于200GPa；所述柔性贴膜（10）的厚度为150μm~300μm；所述吸收层（8）的厚度为100μm~250μm。

所述工作台（13）至少为X，Y方向二轴联动工作台。

根据所述的一种激光微凹坑阵列制造装置的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将吸收层（8）喷涂在平网（9）的其中一面上，用鼓风机对着平网（9）的另一面吹风，确保平网（9）的网孔不被吸收层（8）堵住；

步骤二，对工件（11）进行表面打磨抛光，然后用丙酮和酒精清洗；

步骤三，在工件（11）上表面从下往上依次放置柔性贴膜（10）和表面喷涂有吸收层（8）的平网（9），同时，保证平网（9）喷涂有吸收层（8）的一面朝上；

步骤四，利用夹具（12）将平网（9）和工件（11）装夹在工作台（13）上，喷水装置（6）向平网（9）表面喷水，使平网（9）表面形成厚度为1mm~3mm的水层（7）；

步骤五，利用控制器（15）控制脉冲激光器（1）输出的激光束（2）经过均质器（3）、全反镜（4）和会聚透镜（5）后，聚焦在工件（11）表面附近，聚焦的激光束（2）穿过水层（7），使一部分激光束（2）被平网（9）上的吸收层（8）所阻挡和吸收，产生等离子体爆炸形成冲击波，冲击波压紧平网（9），使平网（9）、柔性贴膜和工件三者紧贴在一起，相互间不留缝隙；另一部分激光束（2）被平网（9）的网孔分割成多道与网孔形状一致的激光束（2），并辐照在柔性贴膜（10）表面，使柔性贴膜（10）熔化和气化，接着激光束辐照在工件（11）表面，产生激光水下烧蚀现象，在工件（11）表面形成微凹坑阵列；

步骤六，利用控制器（15）控制工作台（13）的水平移动，使光斑移动到新的位置，重复步骤五和步骤六，直至整个工件（11）表面完成微凹坑制造。

6.根据权利要求5所述的一种激光微凹坑阵列制造装置的方法，其特征在于：所述脉冲激光器（1）输出的激光脉宽为5ns~30ns；焦点位置的光斑直径大于3mm，并且焦点位置的激光功率密度不小于1GW/cm²。

本发明的工作原理：激光束穿透水层后，一部分激光束2被平网9的网孔分割成多道与网孔形状一致的激光束2，首先辐照在柔性贴膜10表面，使柔性贴膜10熔化和气化消失，接着激光束辐照在工件11表面，产生激光水下烧蚀现象，在工件11表面形成微凹坑阵列，在此过程中微凹坑底部产生大量的熔融材料向外喷溅；另一部分激光束作用于平网上的吸收层上，吸收层吸收大量的激光能量产生强烈的等离子体爆炸形成冲击波，冲击波作用在平网上，使平网、柔性贴膜和工件三者间相互紧密贴合，不留缝隙，同时，等离子体爆炸受到水层的约束作用，延长了冲击波的作用时间和增大了冲击波的峰值压力，使得微凹坑底部产生的熔融材料进入不了工件、柔性贴膜和平网之间的缝隙中，即不可能在微凹坑周边形成熔渣粘附现象。

本发明具有有益效果。本发明通过激光诱导产生的冲击波、平网、柔性贴膜和工件表面之间的作用，可加工出没有熔渣粘附的微凹坑，提高了微凹坑的表面质量；本发明的微凹坑加工方式为平行加工，即激光束通过平网的网格的分束可形成多道激光束，多道激光束同时进行微凹坑加工，即平行制造，提高了加工效率；本发明采用了均质器对激光束进行调制，形成能量分布均匀的激光束，保证了所有微凹坑尺寸的重复性；本发明的平网上可以根据需要刻蚀各种形状的孔阵列或者不同分布特征的孔阵列，从而可以在工件表面加工各种形状和分布的微凹坑阵列。

附图说明

图1是本发明的激光微凹坑阵列制造装置的示意图。

图2是本发明的激光光斑辐照区局部放大示意图。

图3是采用本发明进行微凹坑阵列制造的结果。

图4是未采用本发明进行微凹坑阵列制造的结果。

图中：1. 脉冲激光器，2. 激光束，3. 均质器，4. 全反镜，5. 会聚透镜，6. 喷水装置，7. 水层，8. 吸收层，9. 平网，10. 柔性贴膜，11. 工件，12. 夹具，13. 工作台，14. 信号线，15. 控制器，16. 微凹坑，17. 熔渣粘附。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步详细说明本发明的技术方案。

本发明装置如图1和图2所示，包括脉冲激光器1、均质器3、全反镜4、会聚透镜5、喷水装置6、吸收层8、平网9、柔性贴膜10、夹具12、工作台13、信号线14和控制器15；脉冲激光器1的出光口处设有全反镜4，全反镜4与水平方向成45°，均质器3固定在脉冲激光器1和全反镜4之间，全反镜4下方设有会聚透镜5，会聚透镜5下方正对工作台13，工作台13为X，Y方向二轴联动工作台。工件11上表面从下往上依次放置柔性贴膜10和表面喷涂有吸收层8的平网9，保证平网9有吸收层8的一面朝上，柔性贴膜10、平网9和工件11通过夹具12装夹在工作台13上，工作台13上设有喷水装置6，脉冲激光器1和工作台13通过信号线14与控制器15相连。

平网9选用的材料为60SiCrVA弹簧钢带，厚度为230μm，弹性模量为206GPa；所述柔性贴膜为硅胶，10的厚度为150μm；所述吸收层8为黑漆，厚度约为120μm。工件为Ti6V4V钛合金。

用本发明的装置对加工微凹坑阵列的具体工作过程如下：

第一步：吸收层8喷涂在平网9的其中一面上，用鼓风机对着平网9的另一面吹风，确保平网9的网孔不被吸收层8堵住；

第二步：工件11进行表面打磨抛光，然后用丙酮和酒精清洗；

第三步：工件11上表面从下往上依次放置柔性贴膜10和表面喷涂有吸收层8的平网9，同时，保证平网9喷涂有吸收层8的一面朝上；

第四步：夹具12将平网9和工件11装夹在工作台13上，喷水装置6向平网9表面喷水，使平网9表面形成厚度为1mm~3mm的水层7；

第五步：控制器15控制脉宽为10ns的脉冲激光器1输出的激光束2经过均质器3、全反镜4和会聚透镜5后，聚焦在工件11表面形成3.5mm的光斑，功率密度为5GW/cm²，聚焦的激光束2穿过水层7，一部分激光束2被平网9上的吸收层8所阻挡和吸收，产生等离子体爆炸形成冲击波，冲击波压紧平网9，使平网9、柔性贴膜和工件三者紧贴在一起，相互间不留缝隙；另一部分激光束2被平网9的网孔分割成多道与网孔形状一致的激光束2，并辐照在柔性贴膜10表面，使柔性贴膜10熔化和气化，接着激光束辐照在工件11表面，产生激光水下烧蚀现象，在工件11表面形成微凹坑阵列；

第六步：控制器15控制工作台13水平移动，使光斑移动到新的位置，重复步骤五和步骤六，直至整个工件11表面完成微凹坑制造。

图3是采用本发明进行激光微凹坑阵列制造的结果图，为单个光斑制造的微凹坑阵列，说明单个光斑即可完成9个微凹坑16制造，效率极大地提高。同时，从图中可以发现微凹坑16周围极为干净，没有熔渣粘附17，微凹坑16之间间隔非常清楚，微凹坑16表面质量非常好。

图4是采用掩膜板将激光束调制成9道激光束进行微凹坑阵列制造，未采用本发明的平网9、柔性贴膜10和水层7等。由图中可以看出，单个光斑也可完成9个微凹坑16的制造，但是微凹坑16周边有大量的熔渣粘附17，微凹坑16之间界限被熔渣覆盖，如果该表面要投入使用，需要投入大量时间和金钱进行表面除渣处理，增加成本。如果在除渣过程中处理不当，有可能会给工件11的表面带来划痕以及平面度的改变，不利于后续的使用。

Claims (6)

1.一种激光微凹坑阵列制造装置，其特征在于：包括脉冲激光器（1）、全反镜（4）、会聚透镜（5）、喷水装置（6）、吸收层（8）、平网（9）、柔性贴膜（10）、夹具（12）、工作台（13）、信号线（14）和控制器（15）；脉冲激光器（1）的出光口处设有全反镜（4），全反镜（4）与水平方向成45°，全反镜（4）下方设有会聚透镜（5），会聚透镜（5）下方正对工作台（13），工件（11）上表面从下往上依次放置柔性贴膜（10）和表面喷涂有吸收层（8）的平网（9），保证平网（9）有吸收层（8）的一面朝上，柔性贴膜（10）、平网（9）和工件（11）通过夹具（12）装夹在工作台（13）上，工作台（13）上设有喷水装置（6），脉冲激光器（1）和工作台（13）通过信号线（14）与控制器（15）相连。

2.根据权利要求1所述的一种激光微凹坑阵列制造装置，其特征在于：还包括均质器（3）；均质器（3）固定在脉冲激光器（1）和全反镜（4）之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种激光微凹坑阵列制造装置，其特征在于：所述平网（9）的厚度为180μm~350μm，且弹性模量不小于200GPa；所述柔性贴膜（10）的厚度为150μm~300μm；所述吸收层（8）的厚度为100μm~250μm。

4.根据权利要求1或2所述的一种激光微凹坑阵列制造装置，其特征在于：所述工作台（13）至少为X，Y方向二轴联动工作台。

5.根据权利要求1所述的一种激光微凹坑阵列制造装置的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将吸收层（8）喷涂在平网（9）的其中一面上，用鼓风机对着平网（9）的另一面吹风，确保平网（9）的网孔不被吸收层（8）堵住；

步骤二，对工件（11）进行表面打磨抛光，然后用丙酮和酒精清洗；

步骤三，在工件（11）上表面从下往上依次放置柔性贴膜（10）和表面喷涂有吸收层（8）的平网（9），同时，保证平网（9）喷涂有吸收层（8）的一面朝上；

步骤四，利用夹具（12）将平网（9）和工件（11）装夹在工作台（13）上，喷水装置（6）向平网（9）表面喷水，使平网（9）表面形成厚度为1mm~3mm的水层（7）；

步骤五，利用控制器（15）控制脉冲激光器（1）输出的激光束（2）经过均质器（3）、全反镜（4）和会聚透镜（5）后，聚焦在工件（11）表面附近，聚焦的激光束（2）穿过水层（7），使一部分激光束（2）被平网（9）上的吸收层（8）所阻挡和吸收，产生等离子体爆炸形成冲击波，冲击波压紧平网（9），使平网（9）、柔性贴膜和工件三者紧贴在一起，相互间不留缝隙；另一部分激光束（2）被平网（9）的网孔分割成多道与网孔形状一致的激光束（2），并辐照在柔性贴膜（10）表面，使柔性贴膜（10）熔化和气化，接着激光束辐照在工件（11）表面，产生激光水下烧蚀现象，在工件（11）表面形成微凹坑阵列；

步骤六，利用控制器（15）控制工作台（13）的水平移动，使光斑移动到新的位置，重复步骤五和步骤六，直至整个工件（11）表面完成微凹坑制造。

6.根据权利要求5所述的一种激光微凹坑阵列制造装置的方法，其特征在于：所述脉冲激光器（1）输出的激光脉宽为5ns~30ns；焦点位置的光斑直径大于3mm，并且焦点位置的激光功率密度不小于1GW/cm²。