CN110614429B - 一种激光诱导空化成形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光微成形技术领域，是利用激光诱导空化产生的冲击波和水射流的力效应对箔材进行微成形。创新之处在于提出了一种在双壁面激光诱导空化成形的装置及方法，利用脉冲激光在水中聚焦后其能量超过了水的击穿阈值产生的等离子体冲击波、激光诱导空泡在脉动过程中溃灭回弹辐射的压力冲击波和激光诱导空泡溃灭后产生的微射流的力效应对固定在压紧装置上的铝箔进行微成形加工。通过移动平口钳控制两个压紧装置的距离，激光诱导空化同时对两个壁面上压紧的铝箔微成形，从而实现双壁面激光诱导空化成形。

Description

一种激光诱导空化成形的装置及方法

技术领域

本发明属于激光微成形技术领域，特指一种激光诱导空化成形的装置及方法。

背景技术

当激光作用于液体中，若激光能量达到液体介质的击穿阈值，液体会被击穿产生等离子腔体，等离子腔体继续吸收激光能量，便会加速膨胀形成空泡。当空泡在固液交界面附近运动时，由于空泡两侧压力差，空泡会产生“趋壁”效应，在空泡脉动溃灭过程伴随着冲击波和水射流作用，对材料表面形成力学作用，从而对材料进行微成形加工。

目前如何合理利用空化泡的研究及应用并不多，主要是利用激光诱导产生空泡进行污水处理和清洗除锈，以及利用激光空泡产生的冲击波和溃灭时产生的微射流对工件表面进行强化。然而利用激光诱导空化进行微成形的研究仍然十分稀少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光诱导空化成形的装置及方法，能够实现对金属薄片的激光微成形加工。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种激光诱导空化成形的装置，包括三维移动平台，所述三维移动平台上安装水槽，所述水槽内部安装有压紧装置，所述压紧装置从里到外依次包括模具板、铝箔、压片和压板，所述铝箔的一侧面紧密贴合在所述模具板的表面，另外一侧面与所述压片紧贴，所述模具板表面具有微特征，所述压片的两端位于所述压板的下方，所述压板和所述模具板通过螺钉固定在一起，所述水槽内装有液体介质，所述水槽上方安装有激光发生系统。

上述方案中，所述水槽内安装有平口钳，所述平口钳钳口两侧面上分别安装有压紧装置。

上述方案中，所述激光发生系统包括扩束镜，45˚全反镜，聚焦镜，YAG激光器，激光控制器，计算机，所述YAG激光器发出的激光束依次通过45˚全反镜，扩束镜和聚焦镜后在压紧装置处产生空泡。

上述方案中，所述水槽的附件还安装有定位激光笔。

上述方案中，还包括输水管，水箱，液位传感器和液体泵，所述液位传感器安装在水槽的侧壁面处，所述水箱通过所述输水管与所述水槽连接，所述输水管上安装有液体泵，所述液位传感器通过数据处理装置与计算机连接。

本发明还提供了一种激光诱导空化成形的方法，包含以下步骤：S1：预处理工件：用剪刀剪下两片20x20mm的10μm的铝箔，并且避免铝箔起皱；S2：向水槽中注入水溶液至水面超过压紧装置的上表面；S3：激光焦点与压紧装置的对中：将压片固定在模具板上，将模具板安装在平口钳的左边平面，开启YAG激光器，将定位激光笔发出的十字光线的中心移动到击穿位置，将激光笔固定，调整三维移动平台，使模具板上的压片的中心移动到十字光线的中心，这样，激光焦点与压紧装置的对中就完成了，成形中，只需将压片中心调整到激光笔的光线交点即可开始成形。S4：铝箔的安装：用压片把铝箔压平后固定在模具板上，首先把其中已安装好工件的模具板固定在平口钳的左边平面，然后开始激光焦点与压紧装置的对中，完成后，把另外一块安装好工件的模具板安装在平口钳的右边平面，这样就保证了两边的工件在同一位置微成形。S5：调节平口钳，使平口钳两平面的距离移动到3mm；S6：激光连续在水中击穿50次后，关闭所有装置，将两边成形的铝箔取下。

本发明的有益效果：（1）利用脉冲激光在水中聚焦后其能量超过了水的击穿阈值产生的等离子体冲击波、激光诱导空泡在脉动过程中溃灭回弹辐射的压力冲击波和激光诱导空泡溃灭后产生的微射流的力效应对固定在压紧装置上的铝箔进行微成形加工；（2）通过移动平口钳控制两个压紧装置的距离，激光诱导空化同时对两个壁面上压紧的铝箔微成形，从而实现双壁面激光诱导空化成形，合理地将等离子体冲击波、激光诱导空泡在脉动过程中溃灭回弹辐射的压力冲击波和激光诱导空泡溃灭后产生的微射流的力效应对等的作用在两个压紧装置上，实现对双壁面金属薄片的双侧面激光微成形加工；（3）该成形工艺具有精度高、柔性度好、无接触和较好的定域性等特点，与一般的成形相比，微成形效果明显，加工过程更加环保没有污染。

附图说明

图1为双壁面激光诱导空化成形的装置的示意图。

图2为压紧装置的示意图。

图3为本实施例产生的微射流的力效应的成形工件图。

图中：1-扩束镜；2-45°全反镜；3-激光束；4-YAG激光器；5-激光控制器；6-计算机；7-数据处理装置；8-定位激光笔；9-水槽；10-液位传感器；11-三维移动平台；12-压紧装置；13-水箱；14-输水管；15-平口钳；16-空泡；17-液体泵；18-聚焦镜；19-模具板；20-铝箔；21-压片；22-压板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行更详细的说明。

如图1所示，本发明的一种双壁面激光诱导空化成形的装置，包括激光发生系统和双壁面成形系统，所述双壁面成形系统包括三维移动平台11，所述三维移动平台11上安装水槽9，所述水槽9内部安装平口钳15，所述平口钳15钳口两侧面分别安装压紧装置12，所述平口钳15用来调节所述两个压紧装置12的距离。所述激光发生系统包括定位激光笔8，扩束镜1，45˚全反镜2，聚焦镜18，YAG激光器4，激光控制器5，计算机6，所述YAG激光器4发出的激光束3依次通过45˚全反镜2，扩束镜1和聚焦镜18后在压紧装置12中心产生空泡16

。液位传感器10，输水管14，水箱13和液体泵17用来调节水槽9内的液面高度。

如图2所示，所述压紧装置12包括模具板19，铝箔20，压片21和压板22，所述模具板19表面具有微特征，所述压片21把铝箔20压平，所述压板22和模具板19通过螺钉拧紧把铝箔20紧密地压紧在模具板19表面，这样可以防止铝箔20在成形的过程中起皱而影响成形质量。

具体实施例：把一块模具板安装在平口钳的左边平面；打开液体泵向水槽中注水至液面高于模具板上表面，设置激光参数，开启激光器，粗调三维移动平台，使击穿点位于压片孔的中心右侧1.5mm处；开启定位激光笔，使定位激光笔的十字光线的交点位于击穿点位置；精调三维移动平台，使模具板上的压片孔的中心移动到十字光线的中心处；将两片剪好的铝箔分别用压片压紧后固定在两块模具板上，分别安装在平口钳的两个平面，调节平口钳，使平口钳两平面的距离移动到3mm；激光连续在水中击穿50次后，关闭所有装置，将两边成形的铝箔取下。对成形的工件进行检测，如图3所示，激光诱导等离子体冲击波，空泡溃灭冲击波和激光诱导空泡溃灭后产生的微射流的力效应的成形工件图，通过实验数据的收集和整理的试验结果，发现双壁面成型后的铝箔的微特征大致一样，成形质量较好，实验数据可用于指导后续设计和生产。

Claims (1)

1.一种激光诱导空化成形的方法，所用到的激光诱导空化成形的装置包括三维移动平台（11），所述三维移动平台（11）上安装水槽（9），所述水槽（9）内部安装有压紧装置（12），所述压紧装置（12）从里到外依次包括模具板（19）、铝箔（20）、压片（21）和压板（22），所述铝箔（20）的一侧面紧密贴合在所述模具板（19）的表面，另外一侧面与所述压片（21）紧贴，所述模具板（19）表面具有微特征，所述压片（21）的两端位于所述压板（22）的下方，所述压板（22）和所述模具板（19）通过螺钉固定在一起，所述水槽（9）内装有液体介质，所述水槽（9）上方安装有激光发生系统；所述水槽（9）内安装有平口钳（15），所述平口钳（15）钳口两侧面上分别安装有压紧装置（12）；所述激光发生系统包括扩束镜（1），45˚全反镜（2），聚焦镜（18），YAG激光器（4），激光控制器（5），计算机（6），所述YAG激光器（4）发出的激光束（3）依次通过45˚全反镜（2），扩束镜（1）和聚焦镜（18）后在压紧装置（12）处产生空泡（16）；所述水槽（9）的附件还安装有定位激光笔（8）；还包括输水管（14），水箱（13），液位传感器（10）和液体泵（17），所述液位传感器（10）安装在水槽（9）的侧壁面处，所述水箱（13）通过所述输水管（14）与所述水槽（9）连接，所述输水管（14）上安装有液体泵（17），所述液位传感器（10）通过数据处理装置（7）与计算机（6）连接；其特征在于，包含以下步骤：

S1：预处理工件：用剪刀剪下两片20x20mm的10μm的铝箔，并且避免铝箔起皱；

S2：向水槽中注入水溶液至水面超过压紧装置的上表面；

S3：激光焦点与压紧装置的对中：将压片固定在模具板上，将模具板安装在平口钳的左边平面，开启YAG激光器，将定位激光笔发出的十字光线的中心移动到击穿位置，将激光笔固定，调整三维移动平台，使模具板上的压片的中心移动到十字光线的中心，这样，激光焦点与压紧装置的对中就完成了，成形中，只需将压片中心调整到激光笔的光线交点即可开始成形；

S4：铝箔的安装：用压片把铝箔压平后固定在模具板上，首先把其中已安装好工件的模具板固定在平口钳的左边平面，然后开始激光焦点与压紧装置的对中，完成后，把另外一块安装好工件的模具板安装在平口钳的右边平面，这样就保证了两边的工件在同一位置微成形；

S5：调节平口钳，使平口钳两平面的距离移动到3mm；

S6：激光连续在水中击穿50次后，关闭所有装置，将两边成形的铝箔取下。

Images