CN109108485B - 一种利用皮秒激光器修复复杂结构氧化铝陶瓷型芯的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用皮秒激光器修复复杂结构氧化铝陶瓷型芯的方法，先搭建光路，光路包括皮秒激光器，皮秒激光器输出激光经过偏振片改变激光束的偏振方向，再经过扩束镜对其进行扩束，扩束光依次经过分光棱镜、小孔光阑进入振镜，振镜将光线照射在移动载物台的加工工位上；然后将氧化铝陶瓷型芯固定到工作台上，计算机控制振镜进而控制激光的运动速度和轨迹，通过小孔光阑调节通光孔大小，得到透过振镜的烧蚀光斑半径为30‑50μm；再利用计算机调节皮秒激光器，控制振镜的扫描路径，实现定位；最后利用计算机调节皮秒激光器输出激光，同时控制振镜进而控制激光的运动速度和轨迹，照射在氧化铝陶瓷型芯上，扫描完成，即得到切割质量良好的氧化铝陶瓷型芯。

Description

一种利用皮秒激光器修复复杂结构氧化铝陶瓷型芯的方法
技术领域
本发明属于激光微细加工技术领域，特别涉及一种利用皮秒激光器修复复杂结构氧化铝陶瓷型芯的方法。
背景技术
陶瓷属于典型的硬脆难加工材料，而带有曲率的复杂结构的氧化铝陶瓷型芯更进一步增加了其加工大难度，至今仍为加工行业的难题。目前带有曲率的氧化铝陶瓷型芯的修复仍停留在人们手工修复的阶段，不仅存在劳动强度大，效率低的缺点，而且修复后的型芯裂纹明显，支撑筋断裂，小孔框直线度差，存在较大凸起的缺陷。皮秒激光以其良好的“冷加工”的特点，为研究解决这一难题的方法提供了良好的途径。目前利用皮秒激光机加工氧化铝陶瓷的研究相对较少，最新的研究为江苏大学的卢海强利用皮秒激光器波长为1064nm的参数，对95％的氧化铝平板进行了阈值的试验与计算，在平板上进行了打孔，其加工的微孔存在粗糙度大，入口处有熔融层，锥度较大的缺点(卢海强.工程陶瓷的热力效应微细加工技术研究[D].江苏大学,2017.)。华中科技大学的周翔也利用皮秒激光器的为1064nm的参数在28mmX21mmX0.6mm的96％氧化铝薄平板上，也仅进行了打孔的研究(周翔.皮秒激光加工脆性材料工艺与机理研究[D].华中科技大学,2017.)。仅仅打孔已经远远不能满足复杂陶瓷型芯加工的需求。目前，利用波长为532nm的皮秒激光器加工带有曲率复杂结构的氧化铝陶瓷型芯的研究目前仍尚未见报道，这也就存在了532nm波长皮秒激光器的良好加工能力的潜力未被发掘的问题。
综上所述，人工修复带有曲率的复杂结构的氧化铝陶瓷型芯的存在劳动强度大，工作效率低，且修复品缺陷较多的问题。此外，皮秒激光器加工氧化铝陶瓷的研究较少，目前仅限于1064nm波长的激光器加工研究，且加工质量有待进一步提升。而皮秒激光器532nm波长光却未被很好的利用，532nm波长巨大的潜能尚未被挖掘。目前，急缺一种利用532nm波长的皮秒激光器修复复杂结构氧化铝陶瓷型芯的方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用皮秒激光器修复氧化铝陶瓷型芯的方法，加工的陶瓷型芯，具有结构清晰，无裂纹，基本无挂渣的，切割质量良好，光洁度高的特点。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用皮秒激光器修复复杂结构氧化铝陶瓷型芯的方法，包括以下步骤：
1)搭建光路，光路包括皮秒激光器1，皮秒激光器1输出激光经过偏振片2改变激光束的偏振方向，再经过扩束镜3对其进行扩束，扩束光依次经过分光棱镜4、小孔光阑5进入振镜8，振镜8将光线照射在移动载物台9的加工工位上，皮秒激光器1、振镜8和计算机11连接；
2)将氧化铝陶瓷型芯固定到工作台9-3上，工作台9-3置于由x、y调节结构9-2和Z轴可升降结构9-1构成的移动载物台9上，工作台9-3上边用来固定氧化铝陶瓷型芯，氧化铝陶瓷型芯周围介质为空气，其正对的工作台9-3下边设置有光束收集器9-3-1；
3)利用偏振片2、分光棱镜4和功率计10组合检测激光功率，同时计算机11控制振镜8进而控制激光的运动速度和轨迹，通过小孔光阑5调节通光孔大小，得到透过振镜8的烧蚀光斑半径为30-50μm；
4)利用计算机11调节皮秒激光器1输出激光波长为532nm，重频为1KHz，脉宽为10ps，使激光功率为2-10mW；
5)利用计算机11控制振镜8的扫描路径，532nm波长的光经过光路，最终到达氧化铝陶瓷型芯上时为微弱点光斑，振镜8能够使这一微弱点光斑快速的追踪扫描预先在振镜控制软件上设计好的与陶瓷型芯上需加工的形状一致的图像，再调整工作台9-3使氧化铝陶瓷的待加工位置与微弱点光斑扫描的路径相重合，从而实现定位；
6)利用计算机11调节皮秒激光器1输出激光波长为532nm，重频为300KHz，脉宽为10ps，使激光功率为50-55W；
7)利用计算机11控制皮秒激光器1的参数，同时利用计算机11控制振镜8进而控制激光的运动速度和轨迹，跳转速度为8000mm/s，扫描次数为2次，加工速度为10mm/s，将532nm波长的皮秒激光照射在已在步骤5)完成定位的固定在工作台9-3的氧化铝陶瓷型芯上，扫描完成，即得到切割质量良好的氧化铝陶瓷型芯。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用532nm波长皮秒激光具有的良好的路径扫描的优势，定位简单，简化设备节约成本，定位效果良好。通过分析材料对1064nm波长光与532nm波长光的吸光度的不同，本发明采用了激光利用效率更高的532nm波长光，利用532nm波长光热作用要弱于1064nm波长的优势，结合应力致脆因素，利用532nm波长光以更好的减弱1064nm波长产生的裂纹和重铸层的问题。从而使本发明可以很好的解决人工修复带有曲率的复杂结构的氧化铝陶瓷型芯的存在劳动强度大，工作效率低，且修复品缺陷较多的问题，本发明加工的陶瓷型芯，具有结构清晰，无裂纹，基本无挂渣的，切割质量良好，光洁度高的特点。
附图说明
图1为本发明采取的皮秒激光加工示意图。
图2为本发明移动载物台的结构示意图。
图3为本发明实施例1在陶瓷型芯上加工的结果图。
图4为本发明实施例1在陶瓷型芯上加工的矩形与半圆相切处的结果图。
图5为本发明实施例2在陶瓷型芯上加工的结果图。
图6为本发明实施例3在陶瓷型芯上加工的结果图。
图7为本发明实施例4在陶瓷型芯上加工的结果图。
10-功率计
具体实施方式
以下结和附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1，一种利用皮秒激光器修复复杂结构氧化铝陶瓷型芯的方法，包括以下步骤：
1)搭建光路，参照图1，光路包括皮秒激光器1，皮秒激光器1输出激光经过偏振片2改变激光束的偏振方向，再经过扩束镜3对其进行扩束，以便于小孔光阑进行调节，同时减小光束远场发散角，并减小聚焦光斑直径，提高加工精度，扩束光依次经过分光棱镜4、小孔光阑5、第一反射镜6，第一反射镜6使光路转90°，反射光经过第二反射镜7使光路转90°进入振镜8，振镜8将光线照射在移动载物台9的加工工位上，皮秒激光器1、振镜8和计算机11连接；
2)参照图2，将氧化铝陶瓷型芯固定到工作台9-3上，工作台9-3置于由x、y调节结构9-2和Z轴可升降结构9-1构成的移动载物台9上，工作台9-3上边用来固定氧化铝陶瓷型芯，氧化铝陶瓷型芯周围介质为空气，其正对的工作台9-3下边设置有光束收集器9-3-1，这样既可以使氧化铝陶瓷型芯加工时处于只有空气介质的环境下，从而减少其他不定因素的影响，比如其他导热金属等质介质的影响，又可以利用氧化铝陶瓷型芯正下方的光束收集器9-3-1吸收掉透过型芯的光，从而很好地防止大功率激光对移动载物台9的损坏；
3)利用偏振片2、分光棱镜4和功率计10组合检测激光功率，同时计算机11控制振镜8进而控制激光的运动速度和轨迹，通过小孔光阑5调节通光孔大小，得到透过振镜8的烧蚀光斑半径为30-50μm；
4)利用计算机11调节皮秒激光器1输出激光波长为532nm，重频为1KHz，脉宽为10ps，使激光功率为2-10mW；
5)利用计算机11控制振镜8的扫描路径，此时由于步骤4)设置的激光器功率较小，532nm波长的光经过光路，最终到达氧化铝陶瓷型芯上时为一极细小的肉眼刚好可发现的微弱点光斑，振镜8能够使这一微弱点光斑快速的追踪扫描预先在振镜控制软件上设计好的与陶瓷型芯上需加工的形状一致的图像，再调整工作台9-3使带有曲率的复杂结构氧化铝陶瓷的待加工位置与微弱点光斑扫描的路径相重合，从而实现不需要多余CCD设备就可以很好定位的功能，既操作方便，简化设备节约成本，又可以实现更好的定位；
6)利用计算机11调节皮秒激光器1输出激光波长为532nm，重频为300KHz，脉宽为10ps，使激光功率为54W；
7)利用计算机11控制皮秒激光器1的参数，同时利用计算机11控制振镜8进而控制激光的运动速度和轨迹，跳转速度为8000mm/s，扫描次数为2次，加工速度为10mm/s，将532nm波长的皮秒激光照射在已在步骤5)完成定位的固定在工作台9-3的氧化铝陶瓷型芯上，扫描完成，即得到表面平整度高，无裂纹，基本无挂渣，结构清晰，切割质量良好的具有复杂结构的氧化铝陶瓷型芯。
本实施例的效果：参照图3和图4，氧化铝陶瓷型芯的带曲率的小窗在电镜下观察的结果图(50倍放大)及其局部放大图(150倍放大)，所得结构直线度良好，无裂纹；图4为小窗矩形与半圆相切处加工结果，复杂结构表面质量良好，表面也比较光滑。从而可以避免人工修复产生的直线度差，肉眼可看到凸起的缺陷。
实施例2：与实施例1中的步骤1)-4)和步骤6)-7)相同，步骤5)改为将氧化铝陶瓷型芯固定在工作台9-3，将待加工为一测厚度约为1cm，另外一侧约为240μm的且带有一定曲率的氧化铝陶瓷型芯的薄测(240μm)与厚测的交接处置于的振镜的加工路径上，使其待加工形貌与振镜出来光的追踪扫描运动轨迹重合。
本实施例的效果：参照图5，一测厚度约为1cm，另外一侧约为240μm的且带有一定曲率的氧化铝陶瓷型芯，薄测(240μm)与厚测的交接处的加工后的结构直线度良好，表面质量良好，表面也比较光滑。可以避免人工修复造成的支撑筋断裂和加工表面不光滑，型芯损伤的问题。
实施例3：与实施例1中的步骤1)-4)和步骤6)-7)相同，步骤5)改为将氧化铝陶瓷型芯固定在工作台9-3，将待加工为具有更大曲率的氧化铝小窗置于的振镜的加工路径上，使其待加工形貌与振镜出来光的运动轨迹重合。
本实施例的效果：参照图6，具有更大曲率的氧化铝陶瓷小窗，不仅曲率较大，其周边结构也更加复杂，本实施例加工后的大曲率小窗结构直线度特别好，表面质量良好，表面也比较光滑。本实施例可以实现结构更加复杂的情况，说明本发明方法的适应度较好。
实施例4：与实施例1中的步骤1)-4)和6)相同，步骤5)改为将氧化铝陶瓷型芯固定在工作台9-3，将待加工为具有更大曲率的氧化铝小孔，直径为1.3mm,置于的振镜8的加工路径上，使其待加工形貌与振镜出来光的运动轨迹重合；
步骤7)改为利用计算机11控制皮秒激光器1的参数，同时利用计算机11控制振镜8进而控制激光的运动速度和轨迹，加工速度为8mm/s，跳转速度为8000mm/s，扫描次数为2次，将532nm波长的皮秒激光照射在已在步骤5)完成定位的固定在工作台9-3的氧化铝陶瓷型芯上，扫描完成。
本实施例的效果：参照图7，具有更大曲率的氧化铝陶瓷上的直径为1.3mm的小孔，1.3mm的小孔也具有一定的曲率，其周边结构也更加复杂，本实施例加工后的带有曲率的小孔的圆度特别好，表面质量良好，表面也比较光滑，结构清晰，内壁基本无挂渣。

Claims (1)

1.一种利用皮秒激光器修复复杂结构氧化铝陶瓷型芯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)搭建光路，光路包括皮秒激光器(1)，皮秒激光器(1)输出激光经过偏振片(2)改变激光束的偏振方向，再经过扩束镜(3)对其进行扩束，扩束光依次经过分光棱镜(4)、小孔光阑(5)进入振镜(8)，振镜(8)将光线照射在移动载物台(9)的加工工位上，皮秒激光器(1)、振镜(8)和计算机(11)连接；
2)将氧化铝陶瓷型芯固定到工作台(9-3)上，工作台(9-3)置于由x、y调节结构(9-2)和Z轴可升降结构(9-1)构成的移动载物台(9)上，工作台(9-3)上边用来固定氧化铝陶瓷型芯，氧化铝陶瓷型芯周围介质为空气，其正对的工作台(9-3)下边设置有光束收集器(9-3-1)；
3)利用偏振片(2)、分光棱镜(4)和功率计(10)组合检测激光功率，同时计算机(11)控制振镜(8)进而控制激光的运动速度和轨迹，通过小孔光阑(5)调节通光孔大小，得到透过振镜(8)的烧蚀光斑半径为30-50μm；
4)利用计算机(11)调节皮秒激光器(1)输出激光波长为532nm，重频为1KHz，脉宽为10ps，使激光功率为2-10mW；
5)利用计算机(11)控制振镜(8)的扫描路径，532nm波长的光经过光路，最终到达氧化铝陶瓷型芯上时为微弱点光斑，振镜(8)能够使这一微弱点光斑快速的追踪扫描预先在振镜控制软件上设计好的与陶瓷型芯上需加工的形状一致的图像，再调整工作台(9-3)使氧化铝陶瓷的待加工位置与微弱点光斑扫描的路径相重合，从而实现定位；
6)利用计算机(11)调节皮秒激光器(1)输出激光波长为532nm，重频为300KHz，脉宽为10ps，使激光功率为50-55W；
7)利用计算机(11)控制皮秒激光器(1)的参数，同时利用计算机(11)控制振镜(8)进而控制激光的运动速度和轨迹，跳转速度为8000mm/s，扫描次数为2次，加工速度为10mm/s，将532nm波长的皮秒激光照射在已在步骤5)完成定位的固定在工作台(9-3)的氧化铝陶瓷型芯上，扫描完成，即得到切割质量良好的氧化铝陶瓷型芯。
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