CN109262147A - 一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，该方法包括以下步骤：步骤S1，使用激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光能够在控制机构的控制下对加工区进行刻蚀加工；步骤S2，使用所述控制机构根据扫描策略控制所述脉冲激光在所述加工区形成一光斑序列，所述光斑序列中相邻两个激光脉冲光斑互不重叠；步骤S3，判断是否实现整个加工区的刻蚀加工，若是则转到步骤S5，若否则转到步骤S4；步骤S4，在前次光斑序列的各个光斑位置基础上设置一相对偏移量，作为下一光斑序列的扫描策略，转到步骤S2；步骤S5，结束刻蚀加工。本发明可以有效率避免激光诱导等离子体的影响，提高刻蚀加工效率。

Description

一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷增强金属基复合材料的脉冲激光刻蚀加工，属于先进制造技术领域。
背景技术
新材料作为当前世界新技术革命的三大支柱之一，在发展高新技术、改造和提升传统产业、增强综合国力等方面起到了重要作用。陶瓷增强金属基复合材料因其高比强度、低热膨胀系数以及优良的耐磨性，成为新材料发展的重点方向之一，受到世界各国的广泛关注。但是，由于陶瓷相的引入，金属基复合材料的机械加工十分困难，制约了其推广应用。
目前陶瓷增强金属基复合材料的机械加工主要采用金刚石刀具。不论是采用人造聚晶金刚石刀具(PCD)，还是采用化学气相沉积涂层金刚石刀具(CVD)，都会出现诸多问题，主要包括刀具使用寿命短、加工成本高、加工表面质量差、次表层损伤等。采用激光辅助机械加工方法，即加工时使用前置激光加热软化材料，可以降低切削力、延长刀具使用寿命、改善加工质量。美国普渡大学Dandekar等人采激光辅助机械加工方法加工SiCp/Al复合材料，发现该方法可在一定程度上降低加工过程的应力场、减小裂纹及亚表面损伤等缺陷(C.R.Dandekar,Y.C.Shin.Experimental evaluation of laser-assisted machining ofsilicon carbide particle-reinforced aluminum matrix composites.Int J AdvManuf Technol.2013,66:1603-1610)。
脉冲激光刻蚀通常是指采用高能量密度纳秒、皮秒、飞秒脉冲激光将材料逐点蚀去的一种先进加工方法。由于能量密度高，作用时间短，可以实现金属、半导体、陶瓷几乎各种材料的精密加工。在脉冲激光刻蚀加工过程中，会产生激光诱导的等离子体。如图1所示，当采用顺序激光刻蚀加工方式时，由于等离子体存在一定的寿命，前一脉冲激光刻蚀加工时诱导的等离子体会吸收和散射后一脉冲激光的能量，可能需要反复多次激光刻蚀才能够达到所需的深度，从而降低加工效率。采用高压辅助气体有利于提高加工效率，但影响加工表面质量(张寰臻，黄婷，肖荣诗.SiCp/Al复合材料纳秒脉冲光纤激光刻蚀.中国激光,2017,44(1):0102017)。
由此，本领域需要一种能够提高脉冲激光刻蚀的效率和质量的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工的方法和系统，以避免激光刻蚀加工时诱导等离子体的影响。
本发明的技术方案如下。
本发明的第一方面提供了一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，使用激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光能够在控制机构的控制下对加工区进行刻蚀加工；
步骤S2，使用所述控制机构根据扫描策略控制所述脉冲激光在所述加工区形成一光斑序列，所述光斑序列中相邻两个激光脉冲光斑互不重叠；
步骤S3，判断是否实现整个加工区的刻蚀加工，若是则转到步骤S5，若否则转到步骤S4；
步骤S4，在前次光斑序列的各个光斑位置基础上设置一相对偏移量，作为下一光斑序列的扫描策略，转到步骤S2；
步骤S5，结束刻蚀加工。
优选地，所述脉冲激光的脉冲宽度小于或等于200ns。
优选地，所述脉冲激光的频率大于或等于3kHz。
优选地，所述步骤S2中的相邻两个激光脉冲光斑的间隔大于所述陶瓷增强金属基复合材料产生的激光诱导的等离子体的最大分布距离。
优选地，所述步骤S2中的相邻两个激光脉冲光斑的间隔为0-2毫米。
优选地，所述步骤S4中的各个光斑位置设置的相对偏移量的方向在各个光斑位置到其相邻的下一光斑位置的线段上。
优选地，所述下一光斑序列的各个光斑位置位于与前次光斑序列的各个光斑位置重叠但不同的位置。
优选地，所述步骤S4中的下一光斑序列的扫描策略还包括在前次光斑序列与下一光斑序列的对应光斑位置的形成时间之间具有特定的时间间隔。
优选地，所述特定的时间间隔使得相邻的光斑序列的对应位置处的刻蚀时间间隔大于所述陶瓷增强金属基复合材料产生的激光诱导的等离子体的寿命。
本发明的第二方面提供了一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工系统，包括激光器和控制机构，其中，所述系统能够按照根据以上技术方案中任一项所述的方法对所述陶瓷增强金属基复合材料上的加工区进行刻蚀加工。
优选地，所述激光器是纳秒脉冲光纤激光器。
优选地，所述控制机构为高速振镜或转镜。
通过采用以上技术方案，本发明在对陶瓷增强金属基复合材料进行脉冲激光刻蚀加工时能够避免激光诱导等离子体的影响，提高加工效率，保证加工表面质量。
附图说明
图1是现有技术的顺序激光刻蚀加工示意图。
图2是根据本发明的跳跃激光刻蚀加工示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的具体实施例，进一步对本发明的技术方案及技术效果进行说明。
实施例1
本实施例提供一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，使用激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光能够在控制机构的控制下对加工区进行刻蚀加工；
步骤S2，使用所述控制机构根据扫描策略控制所述脉冲激光在所述加工区形成一光斑序列，所述光斑序列中相邻两个激光脉冲光斑互不重叠；
步骤S3，判断是否实现整个加工区的刻蚀加工，若是则转到步骤S5，若否则转到步骤S4；
步骤S4，在前次光斑序列的各个光斑位置基础上设置一相对偏移量，作为下一光斑序列的扫描策略，转到步骤S2；
步骤S5，结束刻蚀加工。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2中的相邻两个激光脉冲光斑的间隔大于所述陶瓷增强金属基复合材料产生的激光诱导的等离子体的最大分布距离。
大体上说，光斑序列中的相邻两个激光脉冲的光斑的间隔应当设置为比所述陶瓷增强金属基复合材料产生的激光诱导的等离子体的最大分布距离略大的数值。当间隔过大时，激光脉冲跳跃的距离大，每个光斑序列的光斑数量过少，会降低刻蚀加工的效率。当间隔过小时，激光脉冲会受到前一光斑诱导产生的等离子体的影响。
在一优选的实施方式中，所述步骤S2中的相邻两个激光脉冲光斑的间隔为0-2毫米。
在一优选的实施方式中，所述步骤S4中的各个光斑位置设置的相对偏移量的方向在各个光斑位置到其相邻的下一光斑位置的线段上。
本领域技术人员能够理解，虽然以上技术方案中并未对光斑序列的排列方式做进一步限定，但是为了保证整体加工质量，一般每个光斑序列的光斑都排列在同一条直线上，由此通过多条相互平行的直线上的光斑序列可以覆盖整个加工区。可选地，光斑序列还可以按照多边形的方式排列，并且在一优选的实施方式中按照正多边形的方式排列。
在一优选的实施方式中，所述下一光斑序列的各个光斑位置位于与前次光斑序列的各个光斑位置重叠但不同的位置。
在一优选的实施方式中，所述步骤S4中的下一光斑序列的扫描策略还包括在前次光斑序列与下一光斑序列的对应光斑位置的形成时间之间具有特定的时间间隔。
本领域技术人员能够理解，虽然以上技术方案中并未对激光的参数做进一步的限定，但是为了保证整体的加工质量，一般形成各个光斑序列的激光的参数都是基本相同的。
在一优选的实施方式中，所述特定的时间间隔使得相邻的光斑序列的对应位置处的刻蚀时间间隔大于所述陶瓷增强金属基复合材料产生的激光诱导的等离子体的寿命。
实施例2
本发明的第2实施例提供了一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工系统，包括激光器和控制机构，其中，所述系统能够按照根据以上实施例中任一实施方式的方法对所述陶瓷增强金属基复合材料上的加工区进行刻蚀加工。
本领域技术人员能够理解，本实施例中的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工系统实现以上实施例中的方法可以使用通用或专用的计算机(或其他电子装置)执行的计算机程序来实施。此外，以上方法还可以通过包括执行特定逻辑的可编程器件或微控制器来实施。
本领域技术人员能够理解，相关的计算机程序可以以计算机可读的非易失性存储媒体的形式提供。其中计算机可读的非易失性存储媒体可包括但不限于硬盘、软盘、光盘、EEPROM、磁性卡、FLASH存储器、固态存储器或适合于存储计算机程序指令的其他类型的媒体。
在一优选的实施方式中，所述激光器是纳秒脉冲光纤激光器。
在一优选的实施方式中，所述脉冲激光的脉冲宽度小于或等于200ns，频率大于或等于3kHz。
在一优选的实施方式中，所述控制机构为高速振镜或转镜。
实施例3
下面介绍一陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工的具体过程。本实施例所涉及的设备如下。
激光器采用IPG公司生产的纳秒脉冲光纤激光器(YLPM-1-A4-20-20)。
陶瓷增强金属基复合材料为颗粒平均直径5μm、体积分数均45％的SiCp/AA2024。
刻蚀参数为：脉宽200ns、频率3kHz、平均功率20W、光斑直径50μm。
当顺序激光刻蚀，光斑重叠率为95％时(如图1所示)，实验测得每个激光脉冲平均刻蚀深度约为160nm。
当采用跳跃激光刻蚀时，相邻两个激光脉冲光斑互不重叠(如图2所示)，实验测得每个激光脉冲平均刻蚀深度约为1700nm。
显然，要达到相同的刻蚀深度，采用顺序激光刻蚀的方式需要大幅度增加刻蚀加工的时间。
由此可见，本发明的跳跃激光脉冲刻蚀加工方法相对于顺序激光刻蚀方法能够显著提高刻蚀加工的效率并保证加工的质量。
以上所述仅仅是本发明的优选实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的范围内，利用本发明公开的技术内容作出的简单变形或等同变化的实施方式，都应属于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，使用激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光能够在控制机构的控制下对加工区进行刻蚀加工；
步骤S2，使用所述控制机构根据扫描策略控制所述脉冲激光在所述加工区形成一光斑序列，所述光斑序列中相邻两个激光脉冲光斑互不重叠；
步骤S3，判断是否实现整个加工区的刻蚀加工，若是则转到步骤S5，若否则转到步骤S4；
步骤S4，在前次光斑序列的各个光斑位置基础上设置一相对偏移量，作为下一光斑序列的扫描策略，转到步骤S2；
步骤S5，结束刻蚀加工。
2.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，其特征在于，所述步骤S2中的相邻两个激光脉冲光斑的间隔大于所述陶瓷增强金属基复合材料产生的激光诱导的等离子体的最大分布距离。
3.根据权利要求2所述的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，其特征在于，所述步骤S2中的相邻两个激光脉冲光斑的间隔为0-2毫米。
4.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，其特征在于，所述步骤S4中的各个光斑位置设置的相对偏移量的方向在各个光斑位置到其相邻的下一光斑位置的线段上。
5.根据权利要求4所述的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，其特征在于，所述下一光斑序列的各个光斑位置位于与前次光斑序列的各个光斑位置重叠但不同的位置。
6.根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，其特征在于，所述步骤S4中的下一光斑序列的扫描策略还包括在前次光斑序列与下一光斑序列的对应光斑位置的形成时间之间具有特定的时间间隔。
7.根据权利要求6所述的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工方法，其特征在于，所述特定的时间间隔使得相邻的光斑序列的对应位置处的刻蚀时间间隔大于所述陶瓷增强金属基复合材料产生的激光诱导的等离子体的寿命。
8.一种陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工系统，包括激光器和控制机构，其特征在于，所述系统能够按照根据权利要求1-7中任一项所述的方法对所述陶瓷增强金属基复合材料上的加工区进行刻蚀加工。
9.根据权利要求8所述的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工系统，其特征在于，所述激光器是纳秒脉冲光纤激光器。
10.根据权利要求8所述的陶瓷增强金属基复合材料脉冲激光刻蚀加工系统，其特征在于，所述控制机构为高速振镜或转镜。
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