CN109366256A - 一种基于激光与等离子体的复合抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光与等离子体的复合抛光方法，首先将待加工工件固定在抛光系统工作台上，然后通过激光抛光装置使激光光束汇聚至待加工工件表面形成激光束焦斑然后通过等离子体抛光装置产生常压等离子体束冲击待加工工件表面形成等离子体冲击区域；调节激光光束指向与等离子体冲击方向使激光束焦斑与等离子体冲击区域重叠，对待加工工件表面进行复合抛光；通过多轴移动平台，移动激光束焦斑‑等离子体冲击复合区域完成待加工工件整个表面的抛光。本发明利用等离子体在超快激光加工过程中对材料表面的改性和复合刻蚀作用，提高表面加工质量，解决超快激光表面加工质量不高的瓶颈问题，实现材料表面高质量、高效精细抛光。

Description

一种基于激光与等离子体的复合抛光方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种超精密抛光技术，具体涉及一种基于激光与等离子体的复合抛光方法。

背景技术

在实际生产应用中，随着科技水平迅速发展，微电子学领域和光学领域及其有关行业发展势头迅猛，大规模和超大规模是集成电路发展的重要方向，为保证后续的超精密加工质量，对于所使用的材料表面粗糙度提出了更高的要求。超精密抛光作为超精密精加工的最后一道工序，承担着确定工件表面面型、提高工件表面加工精度、降低工件表面加工损伤的任务。然而对于一些超硬材料和脆性材料以及复合材料，传统的加工方法如化学抛光、化学机械复合抛光、激光抛光、离子束加工、ELID磨削技术、磁流变抛光技术等无法满足加工的技术要求。相比于其他抛光技术，超快激光抛光与等离子体抛光存在可加工材料范围广、对工件形状适应性强等独特优势。

激光抛光非常明显的优势是加工效率高、污染小，是一种很有发展前途的抛光方法。按激光对被加工材料作用方式的不同，普遍把激光抛光分为热抛光和冷抛光。热抛光采用连续长激光，通过熔化、蒸发等热方式把表面的材料消灭掉，但是存在着热效应，一些脆性材料的抛光区域很容易产生裂纹，材料表面的抛光效果不理想；激光冷抛光是利用短脉冲或超短脉冲、短波长激光，主要通过消融作用，即所谓的光化学分解作用去除材料，样品在吸收了光子以后，表面的化学键被打断或者晶格结构遭到破坏，表面材料离开样品，可以实现材料的消除。在激光冷抛光过程中，可以快速实现工件表面平整光洁，不易产生裂纹，容易实现局部抛光，材料去除量容易控制。超快激光抛光技术正是利用冷抛光对材料进行表面去除。

等离子体抛光技术是等离子体源与化学气相处理设备相结合的新技术,其工作原理是利用等离子体与工件表层材料发生化学作用去除材料。采用这种方法可以进行大面积平面抛光、局部抛光、非球面的成形和抛光等。采用此方法进行零件的加工,可以避免亚表面损伤层的出现,提高零件表面加工等级,实现高精密加工。大气压等离子体技术是当前等离子体应用领域中的前沿问题，因其特殊的加工机理，可以实现材料表面原子量级化学去除，能够获得极低的表面粗糙度，加工后不会对工件表层及亚表层造成损伤，并且较以往的非接触抛光加工具有更高的加工速度，其应用前景十分可观。

然而，单纯的等离子体抛光和超快激光抛光各自存在一定的技术局限性。等离子体抛光的材料去除率低，抛光效率低；超快激光利用光化学分解作用和热效应去除材料，能量伴随材料的去除而消散，去除效率高，但材料表面加工质量远不如等离子抛光精度。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于激光与等离子体的复合抛光方法。该方法可广泛应用于超精密抛光领域，在保证超快激光抛光效率的同时，通过等离子体作用提高超快激光抛光表面质量，充分发挥低温等离子体在超快激光加工过程中对材料表面的改性和二次刻蚀作用，提高超快激光加工质量，实现材料表面低应力、低缺陷、高效精细抛光。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于激光与等离子体的复合抛光方法，该复合抛光方法采用的设备包括抛光系统工作台、激光抛光装置、等离子体抛光装置和多轴移动平台，激光抛光装置和等离子体抛光装置均安装在多轴移动平台，其特征在于，所述复合抛光方法主要包括如下步骤：

步骤一：将待加工工件固定在抛光系统工作台上，激光抛光装置和等离子体抛光装置置于待加工工件上方；

步骤二：通过激光抛光装置产生抛光激光，使激光光束汇聚至待加工工件表面形成激光束焦斑；

步骤三：等离子体抛光装置产生常压等离子体束冲击待加工工件表面，形成等离子体冲击区域；

步骤四：调节激光光束指向与等离子体冲击方向使激光束焦斑与等离子体冲击区域重叠，形成激光束焦斑-等离子体冲击复合区域，对待加工工件表面进行复合抛光；

步骤五：通过多轴移动平台，改变激光束焦斑-等离子体冲击复合区域与待加工工件的相对位置，完成待加工工件整个表面的复合抛光过程。

优选的，待加工工件材料选取范围为非金属、钢铁材料或有色金属及有色金属合金，有色金属合金包括钛合金、铜金属、铸铁、钢以及镍基合金。

优选的，所述等离子体抛光装置为常压等离子体抛光装置。

优选的，所选激光抛光装置的激光器为超快激光器，其中，根据被加工工件材料的激光损伤阈值J₀，选取辐照待抛光工件的激光能量0.9J₀＜J＜1.1J₀。

优选的，所述超快激光器的激光光束形状为线性平顶焦斑。

优选的，选用振镜系统作为激光光束的运动控制系统，完成激光束的扫描。

优选的，所述激光光束传播方向与待抛光工件表面法线夹角0＜β＜60°。

优选的，所述常压等离子体抛光装置采用大气等离子体抛光装置。

优选的，所述大气等离子体抛光装置通入等离子体气体与反应气体两种气体。

优选的，在激光束焦斑-等离子体冲击复合区域与被加工工件表面的相对位置移动过程中，激光束焦斑与等离子体冲击区域始终保持重合。

本发明有益效果是：

本发明公开的一种基于激光与等离子体的复合抛光方法，开辟一种新型的获得材料表面高光洁度的冷加工方法，能获得超光滑无损伤的材料表面，将成为材料超光滑加工的一个重要内容。相比于传统表面抛光方法，本发明的优点在于：

1、本发明非接触式抛光：接触式抛光在样品上施加了外力，样品在外力下容易破裂。本发明所述方法是非接触式抛光，不会对样品施加任何压力，可解决超硬、超软、超脆等材料的抛光问题。

2、本发明去除了传统抛光技术的磨痕。普通抛光方法中采用磨粒研磨的方式，微小颗粒对玻璃表面有很小的刮痕，通过原子力显微镜等手段可以观察到这些刮痕。刮痕深度可能达几十纳米，从而影响抛光质量。本发明所述的抛光方法，可克服这一问题的产生。

3、本发明微区抛光：激光束的精细聚焦、柔性变换等特征，可以充分满足微结构的抛光处理要求。

4、本发明选区和复杂结构抛光：可利用振镜和多轴控制平台实现对特定区域和复杂由面的抛光。

5、本发明机械不可达结构或难接近结构的抛光：该抛光方法具有一定的穿透性、可聚焦性、柔性传输这些特点，使得对深凹槽结构、密封器件等的抛光变为可能。

6、本发明被抛光的材料不只是束缚于特定的材料。无论是对于金属材料还是非金属材料均能够利用该项技术进行加工。

7、本发明是一种没有“副作用”的抛光方式。在加工材料过程中不产生废水和废渣，对于周围环境的污染很小。该项技术属于国家近年来提倡的绿色低碳环保加工技术。

8、本发明提高加工效率，同时获得极高抛光精度。激光抛光特点是加工效率高；等离子体抛光技术加工精度高，可达到亚纳秒级。

9、本发明利用等离子体在超快激光加工过程中对材料表面的改性和复合刻蚀作用，提高表面加工质量，解决超快激光表面加工质量不高的瓶颈问题，实现材料表面高质量、高效精细抛光。

附图说明

图1本发明实施例中采用的激光等离子体复合抛光系统示意图。

其中，1-超快激光器，2-振镜系统，3-等离子体火炬，4-等离子气体瓶，5-反应气体瓶，6-多轴移动平台，7-抛光系统工作台。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明采用的激光等离子体复合抛光系统包括抛光系统工作台7、激光抛光装置、等离子体抛光装置和多轴移动平台6，被加工工件夹持在抛光系统工作台7上，激光抛光装置和等离子体抛光装置均安装在多轴移动平台6，且位于被加工工件上方，激光抛光装置包括超快激光器1和振镜系统2，超快激光器1通过振镜系统2安装在多轴移动平台6上，多轴移动平台6对超快激光器1至少有升降、左右摆动和俯仰调节三个自由度，所述等离子体抛光装置包括等离子体火炬3、等离子气体瓶4和反应气体瓶5，等离子气体瓶4和反应气体瓶5通过管道与等离子体火炬3相连，等离子体火炬3也安装在多轴移动平台6上，通过多轴移动平台6使得等离子体火炬3也至少有升降、左右摆动和俯仰调节三个自由度。

采用上述激光等离子体复合抛光系统的复合抛光方法具体包括以下步骤：

步骤一：将待加工工件表面进行清理去油；

步骤二：将待加工工件固定于抛光系统工作台7，激光抛光装置和等离子体抛光装置置于待加工工件上方；

步骤三：开启激光抛光装置，通过振镜系统2，使激光光束聚至待加工工件上表面形成激光束焦斑；

步骤四：开启等离子体抛光装置，等离子体抛光装置的气瓶输送气体经过等离子体火炬3喷出，产生等离子体束冲击于待加工工件上表面，形成等离子体冲击区域；

步骤五：通过多轴移动平台6分别调节激光抛光装置与等离子体抛光装置的空间位置使激光束焦斑与等离子体冲击区域重合，形成激光束焦斑-等离子体冲击复合区域，进行待加工工件上表面的材料去除，完成该区域的复合抛光过程；

步骤六：通过多轴移动平台6改变激光束焦斑、等离子体冲击区域与待加工工件的相对位置，完成整个工件上表面的复合抛光过程。

其中，抛光工件材料选取范围为非金属、钢铁材料或有色金属及有色金属合金，有色金属合金包括但不限于钛合金，铜金属，铸铁，钢，镍基合金。

其中，所述等离子体抛光装置为常压等离子体抛光装置。

其中，在改变激光辐照区域、等离子体冲击区域与被加工工件表面的相对位置移动过程中，激光束辐照区域与等离子体冲击区域始终保持重合。

其中，所述激光抛光装置的激光器为超快激光器1，根据被加工工件材料的激光损伤阈值J₀，选取辐照待抛光工件的激光能量0.9J₀＜J＜1.1J₀。

其中，所述超快激光器1的激光光束形状为线性平顶焦斑，所述激光光束传播方向与待抛光工件表面法线夹角为β，β满足0＜β＜60°，本发明实施例选用振镜系统2作为激光光束的运动控制系统，完成激光束的扫描。具体本实施例中，所述常压等离子体抛光装置采用大气等离子体抛光装置，其中大气等离子体抛光装置通入等离子体气体与反应气体两种气体，等离子体气体为He和O₂，反应气体为CF₄。

实施例1:

1：取表面粗糙度约200nm-300nm的碳化硅，表面进行简单清洗去油。

2：使用三维轮廓仪测量待抛光表面。

3：将碳化硅样品置于如图1所示的激光等离子体复合抛光系统的抛光系统工作台7上，激光抛光装置设置激光功率为30mW，设置脉冲重复频率为100Hz，激光波长为800nm，扫描速度为1mm/s，激光光束入射角为50°；等离子体抛光装置设定输入功率500W，He流量15L/min，O₂流量0.2SCCM/min，在等离子体抛光装置产生稳定的等离子体放电后，通入反应气体CF₄，反应气体CF₄流量设定为0.15SCCM/min，启动加工系统开始加工。

4：从工作台上取下加工后碳化硅，用无水酒精擦拭，测试抛光后粗糙度，通过原子力显微镜在工件表面同一区域对其表面粗糙度进行多次随机测量，结果较稳定，加工后表面粗糙度在一定范围已达Ra＝93nm。

Claims (10)

1.一种基于激光与等离子体的复合抛光方法，该复合抛光方法采用的设备包括抛光系统工作台、激光抛光装置、等离子体抛光装置和多轴移动平台，激光抛光装置和等离子体抛光装置均安装在多轴移动平台，其特征在于，所述复合抛光方法主要包括如下步骤：

步骤一：将待加工工件固定在抛光系统工作台上，激光抛光装置和等离子体抛光装置置于待加工工件上方；

步骤二：通过激光抛光装置产生抛光激光，使激光光束汇聚至待加工工件表面形成激光束焦斑；

步骤三：等离子体抛光装置产生常压等离子体束冲击待加工工件表面，形成等离子体冲击区域；

步骤四：调节激光光束指向与等离子体冲击方向使激光束焦斑与等离子体冲击区域重叠，形成激光束焦斑-等离子体冲击复合区域，对待加工工件表面进行复合抛光；

步骤五：通过多轴移动平台，改变激光束焦斑-等离子体冲击复合区域与待加工工件的相对位置，完成待加工工件整个表面的复合抛光过程。

2.根据权利要求1所述的复合抛光方法，其特征在于：待加工工件材料选取范围为非金属、钢铁材料或有色金属及有色金属合金，有色金属合金包括钛合金、铜金属、铸铁、钢以及镍基合金。

3.根据权利要求1所述的复合抛光方法，其特征在于：所述等离子体抛光装置为常压等离子体抛光装置。

4.根据权利要求1所述的复合抛光方法，其特征在于：所选激光抛光装置的激光器为超快激光器，其中，根据被加工工件材料的激光损伤阈值J₀，选取辐照待抛光工件的激光能量0.9J₀＜J＜1.1J₀。

5.根据权利要求4所述的复合抛光方法，其特征在于：所述超快激光器的激光光束形状为线性平顶焦斑。

6.根据权利要求1所述的复合抛光方法，其特征在于：选用振镜系统作为激光光束的运动控制系统，完成激光束的扫描。

7.根据权利要求1所述的复合抛光方法，其特征在于：所述激光光束传播方向与待抛光工件表面法线夹角0＜β＜60°。

8.根据权利要求3所述的复合抛光方法，其特征在于：所述常压等离子体抛光装置采用大气等离子体抛光装置。

9.根据权利要求8所述的复合抛光方法，其特征在于：所述大气等离子体抛光装置通入等离子体气体与反应气体两种气体。

10.根据权利要求1所述的复合抛光方法，其特征在于：在激光束焦斑-等离子体冲击复合区域与被加工工件表面的相对位置移动过程中，激光束焦斑与等离子体冲击区域始终保持重合。