CN110936022B

CN110936022B - 一种阵列式微织构成形系统及方法

Info

Publication number: CN110936022B
Application number: CN201911295172.5A
Authority: CN
Inventors: 季忠; 丁可心; 卢国鑫; 刘韧
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN110936022A

Abstract

本发明涉及一种阵列式微织构成形系统及方法，包括激光发生器系统，激光发生器系统包括若干激光器和一组透镜，若干激光器分为第一组激光器、第二组激光器、第三组激光器，第一组激光器位于凹透镜远离凸透镜的一侧，第二组激光器和第三组激光器位于凸透镜和凹透镜之间，凸透镜和凹透镜位于激光器发出的光线的方向上，第二组激光器位于凹透镜发出到凸透镜的折射光线，第二组激光器发射平行光线，第三激光器位于相邻的两个第二激光器之间，第三激光器的出射光线到凸透镜的入射点位于凸透镜的边缘位置。待加工板材的一侧覆盖约束层、能量吸收层。能量吸收层为黑漆或石墨。有利于实现大面积阵列式微织构结构的精确高效成形。

Description

一种阵列式微织构成形系统及方法

技术领域

本发明属于激光先进制造技术领域，具体涉及一种阵列式微织构成形系统及方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

微织构指材料表面形成不同几何参数和分布特征的微凹坑、微沟槽、微凸起等阵列结构。结构上的微织构可以有效增大工件比表面积；表面上的微织构可以改善界面摩擦状况，减缓工件磨损。

现有的技术中，已经存在部分关于微成形方法的研究。例如，利用强脉冲激光冲击工件表面柔性贴膜使其表层气化电离并形成冲击波，由于产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，使成形材料发生明显塑性变形。该方法可以高效实现材料的塑性变形及局部细微变形，但由于激光的高斯分布特征，使材料成形不均匀，大面积成形时逐点逐次冲击，光斑搭接处激光功率难以确定，材料成形精度差。

为了提高成形质量和稳定性，有的专利文献提出了一种医用钛合金板的激光冲击微成形装置及其微成形工艺，通过在现有技术的激光冲击微成形装置基础上，通过增加检测系统、在待微成形的钛合金板上喷涂黑漆层(作为吸收层)，以及在待微成形的钛合金板上加盖一层透明材质制成的板片作为吸收层等系列技术手段，使其适用于医用钛合金板的微成形加工，并实现了钛合金板的微米级甚至是亚微米级的微成形，其微成形的质量稳定、可靠、精度高。但其加工方式仍为逐点逐次加工，在大面积材料加工时存在加工效率低的弊端。

有的专利文献基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法，通过改变激光脉宽、能量和激光束空间调制器等激光参数来调整光束直径、冲击压力和成形半径大小，加上成形半模的作用，就可获得精确成形试样，能够初步实现单点单次较大面积成形。但由于经过激光空间调制器处理获得的光束为平行光，能量相对分散，能量效率低，只能加工厚度30-50微米的超薄金属板材，其应用受到限制。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种阵列式微织构成形系统及方法。本发明的系统和方法利用脉冲激光作用于能量吸收层产生的等离子爆轰波作为柔性凸模，进而作用于板材，使板材在带有目标阵列微织构图案的凹模中成形。同时专门的激光发生器(或称激光器)系统通过激光器三维排布和透镜的设置，可以实现加工功率提高及加工面积扩大，且参数均可控。有利于实现大面积阵列式微织构结构的精确高效成形。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种阵列式微织构成形系统，包括激光发生器系统，激光发生器系统包括若干激光器和一组透镜，一组透镜包括一个凸透镜和一个凹透镜，若干激光器分为第一组激光器、第二组激光器、第三组激光器，分别包含若干第一激光器、第二激光器、第三激光器，第一组激光器位于凹透镜远离凸透镜的一侧，第二组激光器和第三组激光器位于凸透镜和凹透镜之间，第一组激光器中的若干激光器平行设置，凸透镜和凹透镜位于激光器发出的光线的方向上，第二组激光器位于凹透镜发出到凸透镜的折射光线之间，第二组激光器发射平行光线，第三激光器位于相邻的两个第二激光器之间，第三激光器的出射光线到凸透镜的入射点位于凸透镜的边缘位置。

第二激光器发射平行光线，平行方向定为y轴方向，垂直于平行方向为x轴方向，平行于y轴方向的光束，经凸透镜汇聚于加工平面附近，保证加工面积。

在一些实施例中，第三激光器倾斜设置，位于凸透镜光心所在平行于y轴两侧的第三激光器，位于y轴上方的第三激光器逆时针向斜上方倾斜，位于y轴下方的第三激光器顺时针向斜下方倾斜。第三激光器具有一定的倾角，发射的光束经凸透镜汇集，在加工平面上形成具有一定能量的光斑，并与第二组激光器所形成的某些光斑生叠，增加加工点的激光能量。

在一些实施例中，所述系统包括工作台，工作台上设置待加工板材，所述工作台垂直设置，与凸透镜相对。

在又一些实施例中，在待加工板材的一侧覆盖约束层、能量吸收层，约束层位于能量吸收层的外侧，在待加工板材的另一侧设置模具、固定装置，模具紧挨待加工板材。

在又一些实施例中，能量吸收层为黑漆或石墨。

在又一些实施例中，约束层为玻璃或去离子水。

在又一些实施例中，工作台与工作台控制装置连接，工作台为可移动工作台。用于调整模具与激光束的相对位置，改变加工区域位置或增大加工区域面积。工作台的移动由控制装置来控制。

在一些实施例中，凸透镜与工作台的距离小于凸透镜焦距。保证经过凸透镜聚焦的激光能够照射在待加工板材表面。

在一些实施例中，若干激光器分别与激光器控制装置连接。

第二方面，利用上述系统的阵列式微织构成形方法，具体步骤为：

依次将模具、待加工板材、能量吸收层、约束层放置在工作台上，使加工板材、能量吸收层、约束层与工作台夹紧；

设置若干激光器的位置，使脉冲激光冲击板材，使待加工板材表面按照模具的图案发生塑性变形。

在一些实施例中，待加工板材为铜、铝、钢等金属材料或塑性非金属材料；优选的塑性非金属材料为塑料。

在一些实施例中，待加工板材的厚度为100-1000微米。所述厚度与激光的能量即冲击压力有关，本发明通过激光器的冲击压力选择的板材厚度。

等离子爆轰波是大功率激光将能量吸收层变成高温等离子体，等离子体进一步吸收激光能量后，沿入射方向形成爆轰波，等离子爆轰波具有较高的压力和温度。

本发明的有益效果：

通过三维排列的一系列小能量激光器，形成激光器阵列，来扩大激光加工面积，比传统方法采用一个大功率激光器，通过扩大光斑来扩大加工面积，可以更加节省设备费用；

将第二组小能量激光器发出的光束，与第一组小能量激光器发出的光束所成的光斑重叠(即在同一加工位点，可以进行多激光束同时照射)，可以在光斑处获得更高的激光能量。比传统采用一个大功率激光器获得高能量的方法，可以更加节省设备费用；

通过多激光束形成激光束阵来扩大加工面积，并且通过多激光束形成光斑重叠来形成高激光能量，最终通过单次冲击，即可实现大面积阵列式微织构成形。既可用于薄板成形，也可用于厚板成形；

参与加工的激光器数目、位置和发射角度可调，单个激光器参数可调，凹透镜位置可调，可以满足不同的加工尺寸与能量需求；

不同位置激光器可按需开关，可以实现提高加工能量、扩大加工面积、既提高能量又扩大面积等不同加工效果。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的阵列式微织构成形系统整体示意图。

图2为激光发生器系统示意图。

图3为实施例1加工试件示意图。

其中，1.激光器控制装置；2.激光发生器系统；3.激光束；4.约束层；5.能量吸收层；6.待加工板材；7.模具；8.工作台；9.工作台控制装置；10.凸透镜；11.第二激光器；12.第三激光器；13.凹透镜；14.第一激光器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

由图1和图2可知本发明的阵列式微织构成形系统的结构，包括激光器控制装置、激光器系统、工作台。

其中激光发生器系统包括沿着y轴方向依次排布的第一激光器、凹透镜、第二激光器和第三激光器、凸透镜，凸透镜10与工作台的距离小于凸透镜焦距。第二激光器11发射平行于y轴方向的光束，经凸透镜10汇聚于加工平面附近，保证加工面积。

第三激光器12具有一定的倾角，发射具有一定发散角度的光束，经凸透镜10汇集，在加工平面上形成具有一定能量的光斑，并与第二激光器11所形成的某些光斑重叠，增加加工点的激光能量。

第一激光器14发射平行于y轴方向的激光束，经凹透镜13发散后再经凸透镜10汇聚，在加工平面上形成具有一定能量的光斑，进一步保证加工面积和加工能量。

激光器组11、12、14中参与加工的激光器数目、位置是可调的，单个激光器参数是可调的；激光器组12的发射角度是可调的。

凹透镜13可沿Y方向移动。

激光发生器系统2产生脉冲光束3，激光束3的能量、能量分布、激光模式、光斑大小、脉冲个数、脉冲宽度由激光器发生器控制装置1调节和控制。

工作台上固定包括约束层4、能量吸收层5、板材6、带有目标阵列微织构图案的模具7；工作台系统包括可以沿X、Y、Z方向移动的工作台8，以及工作台控制装置9。

约束层4是玻璃或去离子水，其目的是限制等离子体的发散，使其产生朝向工件的冲击波。约束层对激光束透明，厚度取决于激光种类、板材厚度、加工能量、预计变形尺寸。

能量吸收层5可以是黑漆或石墨，在受到激光照射时电离气化形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量转变为使工件发生形变的等离子体爆轰波。能量吸收层的厚度取决于激光种类、板材厚度、加工能量，预计变形尺寸。

板材6上覆盖着能量吸收层5的一面朝向激光束3，另一面与成形模具7紧密接触。

板材6可以是铜、铝、钢等金属材料，也可以是塑料等非金属材料。可以是厚度小于100微米的超薄板材，也可以是厚度为100-1000微米的板材。

成形模具7带有目标阵列微织构图案，板材受到脉冲激光冲击，向模具腔内发生塑性变形，实现阵列微织构图案的成形。

工件夹持装置固定在工作台8上，工作台可以在X、Y、Z方向移动，用于调整模具与激光束3的相对位置，改变加工区域位置或增大加工区域面积。工作台8的移动由控制装置9来控制。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

将作为能量吸收层5的黑漆均匀喷涂在待加工板材6的表面，于通风处晾干；

将待加工板材6放置于带有目标阵列微织构图案的模具7左方，未喷涂黑漆面紧贴模具；

在待加工板材6左侧覆盖约束层4；

利用夹具将约束层4、能量吸收层5、待加工板材6和模具7夹紧；

开启激光器组12、14，激光发生器系统2发射激光束3，冲击待加工板材6，使其按模具7形状发生形变。

本实施例的效果是，获得单点单次大面积冲击成形。

所述操作中，增减激光器组12、14中作业激光器的数目及能量，可以调整成形面积和成形能量。

所述操作中，将工作台沿Y方向移动，也可以调整成形面积。

所述操作中，调节激光器组12的激光发射角度，可以调整板材受到的辐照能量。

所述操作中，将凹透镜13沿Y方向移动，可以调整成形面积。

实施例2

在待加工板材6左侧覆盖约束层4；

开启激光器组11、12、14，激光发生器系统2发射激光束3，冲击待加工板材6，使其按模具7形状发生形变。

本实施例的效果是，获得单点单次高能量大面积冲击成形。

所述操作中，增减激光器组11、14中作业激光器的数目及能量，可以调整成形面积。增减激光器12中作业激光器的数目、能量、角度，可以调整若某个成形点位的能量。

所述操作中，将工作台沿Y方向移动，可以调整成形面积及能量。

所述操作中，将凹透镜13沿Y方向移动，可以调整成形面积及能量。

图3是实施例1所成形试件的示意图。试样是板材上具有阵列分布的微织构，各织构的截面视图如图3中的A-A剖面图。与已有专利文献中的大光斑单次激光冲击的薄板成形方法相比，由于本发明可以获得能量分布均匀的大型光斑，因此，可以保证织构中的所有几何特征一次冲击完成，并且保证各几何特征均匀一致。而已有方法中，由于能量分布的不均匀性，从光斑中心到光斑边缘，材料的变形量会出现衰减趋势，并导致织构中的各几何特征不均匀。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种阵列式微织构成形系统，其特征在于：包括激光发生器系统，激光发生器系统包括若干激光器和一组透镜，一组透镜包括一个凸透镜和一个凹透镜，若干激光器分为第一组激光器、第二组激光器、第三组激光器，分别包含若干第一激光器、第二激光器、第三激光器，第一组激光器位于凹透镜远离凸透镜的一侧，第二组激光器和第三组激光器位于凸透镜和凹透镜之间，第一组激光器中的若干激光器平行设置，凸透镜和凹透镜位于激光器发出的光线的方向上，第二组激光器位于凹透镜发出到凸透镜的折射光线之间，第二组激光器发射平行光线，第三激光器位于相邻的两个第二激光器之间，第三激光器的出射光线到凸透镜的入射点位于凸透镜的边缘位置。

2.根据权利要求1所述的阵列式微织构成形系统，其特征在于：第三激光器倾斜设置，第三激光器位于凸透镜光心所在平行于y轴的直线的两侧，位于y轴上方的第三激光器逆时针向斜上方倾斜，位于y轴下方的第三激光器顺时针向斜下方倾斜。

3.根据权利要求1所述的阵列式微织构成形系统，其特征在于：所述阵列式微织构成形系统包括工作台，工作台上设置待加工板材，所述工作台垂直设置，与凸透镜相对。

4.根据权利要求3所述的阵列式微织构成形系统，其特征在于：在待加工板材的一侧覆盖约束层、能量吸收层，约束层位于能量吸收层的外侧，在待加工板材的另一侧设置模具、固定装置，模具紧挨待加工板材。

5.根据权利要求4所述的阵列式微织构成形系统，其特征在于：能量吸收层为黑漆或石墨。

6.根据权利要求4所述的阵列式微织构成形系统，其特征在于：约束层为玻璃或去离子水。

7.根据权利要求3所述的阵列式微织构成形系统，其特征在于：工作台与工作台控制装置连接，工作台为可移动工作台。

8.根据权利要求1所述的阵列式微织构成形系统，其特征在于：凸透镜与工作台的距离小于凸透镜焦距。

9.根据权利要求1所述的阵列式微织构成形系统，其特征在于：若干激光器分别与激光器控制装置连接。

10.利用权利要求1-9任一所述的阵列式微织构成形系统的阵列式微织构成形方法，其特征在于：具体步骤为：

11.根据权利要求10所述的阵列式微织构成形系统的阵列式微织构成形方法，其特征在于：所述待加工板材为金属材料或塑性非金属材料。

12.根据权利要求11所述的阵列式微织构成形系统的阵列式微织构成形方法，其特征在于：所述金属材料选自铜、铝和钢。

13.根据权利要求11所述的阵列式微织构成形系统的阵列式微织构成形方法，其特征在于：所述塑性非金属材料为塑料。

14.根据权利要求10所述的阵列式微织构成形系统的阵列式微织构成形方法，其特征在于：所述待加工板材的厚度为100-1000微米。