CN111468832B - 金属表面凹坑加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属表面凹坑加工方法，所述的金属表面凹坑加工方法包括：设计图形，所述图形包括圆周和连接线，所述圆周上均匀间隔分布至少三个节点，每个所述节点和所述圆周的圆心之间连接有所述连接线，两个相邻节点之间形成弧段；依据所述图形的连接线和弧段设计烧蚀路径，所述路径不重复的遍历所有的所述连接线和弧段；利用激光依次沿着所述路径烧蚀所述金属表面以形成凹坑。上述金属表面凹坑加工方法，能在物体表面形成形状可控的凹坑，分布有该凹坑构成的阵列的物体表面质地均匀。

Description

金属表面凹坑加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种利用激光在金属表面加工凹坑的方法。

背景技术

喷砂工艺常用于加工物件表面形状，如利用喷砂工艺来改善诸如应用在3C产品领域的铝材等物件的外观效果，使物件表面上形成一些很有质感的砂纹，在微观上形成密密麻麻的凹坑，宏观上美观大方。但喷砂工艺对环境污染严重，如造成空气中粉尘过量，工人长期处于这种环境下，有可能引起肺部疾病。

作为替代，激光的烧蚀效应被用于替代喷砂工艺打造凹坑效果，但当采用大功率激光希望以点触的方式打出凹坑时，不仅能量损耗严重，而且烧蚀痕迹过于明显，凹坑形状不规则且难以控制；而激光功率较小时，难以在表面形成既定规模的凹坑形状，同样具有凹坑形状不规则且难以控制的问题。

发明内容

基于此，提供一种金属表面凹坑加工方法，其能在物体表面形成形状可控的凹坑，分布有该凹坑构成的阵列的物体表面质地均匀。

为达到上述技术效果，本申请采用如下技术方案。

一种金属表面凹坑加工方法，包括：设计图形，所述图形包括圆周和连接线，所述圆周上均匀间隔分布至少三个节点，每个所述节点和所述圆周的圆心之间连接有所述连接线，两个相邻节点之间形成弧段；依据所述图形的连接线和弧段设计烧蚀路径，所述路径不重复的遍历所有的所述连接线和弧段；利用激光依次沿着所述路径烧蚀所述金属表面以形成凹坑。

上述金属表面凹坑加工方法，激光依照设定好的图形的路径，在物体表面烧蚀出单个凹坑。相比于点触的方式，即激光固定在物体表面一点上进行烧蚀，激光需求的强度较弱，因此可以减少不必要的能量损耗。同时，激光依照设定好的图形进行刻蚀，且激光光强较低，因此最终成型的凹坑的形状是可以控制的，依照相同的图形在同一物体表面进行阵列烧蚀以形成凹坑阵列，可以保障凹坑阵列中所有凹坑的形状相同，看起来质地均匀。

在其中一些实施例中，所有的所述连接线构成的图案关于所述圆心旋转对称。

在其中一些实施例中，从每个所述节点到所述圆心的所述连接线有两条，且两条所述连接线之间的距离先逐渐增大后逐渐变小。

在其中一些实施例中，同一所述节点上的两条所述连接线是圆弧，且连接线的半径与所述圆周的半径相等。

在其中一些实施例中，所述路径的起始点与终止点都在所述圆心处。

在其中一些实施例中，所述路径呈现为欧拉回路的形状。

在其中一些实施例中，所述激光为脉冲激光，所述脉冲激光的脉宽为2ns-200ns，平均功率为10W-30W。

在其中一些实施例中，所述的金属表面凹坑加工方法还包括烧蚀多个所述凹坑以形成凹坑阵列，所述凹坑阵列中相邻的所述凹坑相切或相离。

在其中一些实施例中，所述的金属表面凹坑加工方法还包括对所述凹坑进行微蚀处理，以去除毛刺。

在其中一些实施例中，所述的金属表面凹坑加工方法还包括将所述凹坑进行上色处理。

附图说明

图1为本申请提供的金属表面凹坑加工方法示意图；

图2为一些实施例中金属表面凹坑加工方法所应用到的图形；

图3为依照图2提供的图形烧蚀出的凹坑的截面示意图；

图4为一些实施例中金属表面凹坑加工方法所应用的另一图形；

图5为图2提供的图形的路径经离散后的示意图；

图6为一些实施例中凹坑形成的阵列；

图7为区别于图2或图5所示实施例中的又一图形；

图8a为图7所示的实施例中的图形的路径分散为路段的示意图；

图8b为按图7所示实施例中的图形烧蚀出的凹坑的截面示意图；

图9为一些实施例中烧蚀凹坑的激光烧蚀系统的示意图；

图10为利用图9所示的激光烧蚀系统烧蚀凹坑的工艺流程示意图。

附图标记：

100，图形；110，圆周；111，弧段；120，节点；130，圆心；140，连接线；141，第一连接线；142，第二连接线；143，线段连接线；150，路径；151，路段；151a，第一路段；151b，第二路段；151c，第三路段；160，线组；

200，凹坑；201，间隙；210，坑口；220，坑底；

310，激光器；320，反射镜；330，扫描振镜；340，远心镜头；350，自动对焦装置；360，视觉传感装置；370，工作平台；380，夹具；390，抽尘装置。

具体实施方式

附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定”于另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的方位或位置表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供了一种金属表面凹坑加工方法，利用控制器控制激光器在金属表面烧蚀出底面光滑、形状美观的凹坑，并进一步形成凹坑阵列，以替代传统的喷砂工艺。

在一个具体的实施例中，激光器能在金属表面打制出坑底呈光滑的类球形曲面的凹坑。可以理解的是，本文中的类球形曲面可以是圆球面，也可以是椭圆球面，特别的，该类球形曲面也可以是抛物面或双曲面，及基于上述曲面的微小变形。为达到上述凹坑形状的要求，本实施例采用高度对称的图形对激光器的光点行走的路径进行控制。

下面将参照附图对本实例的具体方案进行说明。

下述实施例中，采用脉宽为2ns-200ns、平均功率为20W、波长为1055nm的红外脉冲激光在铜基表面进行烧蚀。

可选的，在一些实施例中，红外脉冲激光的波长可选择的范围为1055nm-1075nm，平均功率可选择的范围为10W-30W。

请参照图1，激光器按如下步骤在铜基表面烧蚀形成凹坑。

S110：设计图形100。设计好的图形100可用合适的形式存储于激光器的控制器中，控制器可基于设计的图形100控制激光器的激光行走的路径，以及限定激光能量的初始分布。

请参照图2，图形100包括圆周110和连接线140。圆周110上均匀间隔分布至少三个节点120，节点120将圆周110分割成多个弧段111。每个节点120和圆周110的圆心130之间连接有连接线140。连接线140包括第一连接线141和第二连接线142。

使用激光器烧蚀如图3所示的凹坑200时，激光能量以激光行走的路径上的每一个位置点为基准，作点状辐射并扩散，激光能量传递到铜基表面以烧蚀出相应的孔洞。多个路径间隔越小，单位面积内能量传递点越多，能量密度就越高。在图形100中，多个路径在圆心130处汇集，因而圆心130处会积累远多于其他地方的能量密度。

若仅依赖圆心130处的能量进行烧蚀，会形成中心过深、周边过浅的凹坑，无法烧蚀出所要求的类球形曲面凹坑。设置在圆心130与节点120之间的连接线140可以在圆心130的扩散半径的方向上给予激光能量的补偿，以使得最终形成的凹坑200坑底的形状呈类球形曲面。

若仅依赖圆心130和连接线140处的能量进行烧蚀，形成的凹坑边沿会呈现为不规则形状，如星芒状边沿。因而再借助分布于圆周110处的激光能量，可将不规则边沿进行修整，使得最终呈现的凹坑200的坑口为完美的圆形。

连接线140构成影响凹坑200的深度、以及坑底形状的一个因素。为更好的分配连接线140在半径方向的能量补偿，需合理设计连接线140的形状以及位置。在一个实施例中，如图2所示，每个节点120与圆心130之间至少具有两条连接线140，同一节点120上的第一连接线141和第二连接线142关于节点120与圆心130的连线对称，且两条连接线140之间的距离先逐渐增大后逐渐变小。通过上述设计，两条连接线140彼此之间分隔开来，避免因激光能量过分集中于同一半径上，导致的凹坑200形状畸变。另一方面，通过第一连接线141和第二连接线142间的对称性，增强了凹坑200形状的对称性，使得凹坑200形状更接近完美的球形曲面。

进一步的，第一连接线141或第二连接线142为圆弧线，且半径相同于圆周110的半径。在上述设计下，可以更合理的分配在扩散半径上的激光能量，进而使得凹坑200形状更接近完美的球形曲面。

所有的连接线140构成的图案关于圆心130旋转对称。如图2所示，两个弧形的连接线140拼接呈叶片状图案，即叶片状线组160。图2所示的图形100中共有三个叶片状线组160，所有的叶片状线组160关于圆心130旋转对称，旋转角为120°。

图形100中各连接线140的一端相聚在圆心130处，且整个图形100关于圆心130旋转对称，因此激光能量在多个角度上分布均匀，进而使烧蚀出的凹坑200的形状更加均匀，进一步的，使后续在凹坑200里的上色胶更加均匀。

可以理解的是，在不改变凹坑200的坑底形状为类球形曲面的本质的前提情况下，图形100中节点120的数量不仅限于三个，还可以为四个、五个或者更多，每一个节点120对应的连接线140的数量也不仅限于两条，还可以为三条、四条、五条或者更多。

例如，如图4中所示图形100实质上与图2所示的实施例相同，包括圆周110与叶片状线组160，区别之处在于图4所示的实施例中叶片状线组160的数量更多，因此依照图4的图形烧蚀出的凹坑200相比于图2的具有更深的深度，底面形状更趋近抛物面的形状。

S120：依据设计好的图形100的连接线140和弧段110设计烧蚀路径150，所述路径150不重复的遍历所有的所述连接线140和弧段110。

路径150的设计方式存在多种，路径150的设计满足一次遍历所有的弧段111和连接线140的要求即可。

如图2所示的图形100，其整体满足欧拉回路的条件。换言之，以图形100中的一点为起点，存在一条路径150，可以一次遍历所有的弧段111和连接线140。当激光沿着该路径150烧蚀铜基表面时，铜基表面除节点120和圆心130外的任意一点上，最多只会被激光烧蚀一次，避免产生多余的能量积累，破坏凹坑200的形状。另外，由于该路径150可以一次遍历所有的弧段111和连接线140，激光不需要停顿就可以烧蚀完成整个图形100，避免由于激光停顿导致的先烧蚀的激光能量与后烧蚀产生的激光能量存在过大的扩散时间差，造成激光能量扩散不均匀，进而导致无法产生理想中的凹坑200。

在一个具体的实施例中，路径150的起始点与终止点都是圆心130，以下结合图2和图5来进行详细的介绍。

为了清楚的描述路径150的轨迹，将路径150分割为三个路段151，分别为第一路段151a，第二路段151b，第三路段151c。每个路段151包括一个弧段111、与该弧段111的一个节点120相连的第一连接线141，以及与该弧段111的另一个节点120相连的第二连接线142。对于每条路段151而言，激光行走的起始点与终止点都在圆心130处。以圆心130为起点，沿第二连接线142行走至弧段111上，然后经第一连接线141回到圆心130处，以完成该路段的行走。紧接着，激光不间断的再以圆心130为起点，以同样的方式沿下一段路段151行走。由此可以设计出图形100的路径150，该路径150可以使激光一次遍历所有的弧段111和连接线140，激光不需要停顿就可以按整个图形100的轨迹行走一遍，避免由于激光停顿导致的先烧蚀的激光能量与后烧蚀产生的激光能量存在过大的扩散时间差，造成激光能量扩散不均匀，进而导致无法产生预期的凹坑200。

通过上述合理的设计烧蚀路径150，以限定激光器中激光沿图形100行走的顺序，可以获得激光能量在该图形100下的最优空间分布，以及加快激光器中激光沿图形100行走的速度，便于激光能量能在足够短的时间内集中在图形100的烧蚀路径150上，并能尽可能同步的释放并完成烧蚀。

S130：利用激光依次沿着路径150烧蚀金属表面以形成凹坑200。激光沿图形100按照上述规划好的路径150行走，在铜基表面积累能量，然后铜基表面的能量集中释放，对铜基表面进行烧蚀，形成凹坑。

如图3所示，为依照上述实施例中的图形100烧蚀出的凹坑200的截面示意图，其中凹坑200包括坑口210和坑底220。坑口210呈圆形，坑口210的直径L约为60μm，坑底220最深处的深度H为15μm-20μm。

在上述实施例中，凹坑200的深度为15μm-20μm。凹坑200的深度过深会导致成本剧增，而深度太浅会影响后续的上色胶的工艺，进而导致脱胶或颜色过浅。

S140：烧蚀多个凹坑200形成阵列或图案。

为了在铜基表面形成类似于喷砂的效果，需在铜基表面烧蚀出大量的凹坑200以形成凹坑阵列，凹坑阵列中相邻的凹坑200相切或相离。

如图6所示，为凹坑200形成的阵列。激光在烧蚀出一个凹坑200后，随即在该凹坑200的一侧烧蚀出另一个凹坑200。在一个实施例中，凹坑200之间相切，若坑口210的口径L为60μm，则相邻的两个凹坑200的中点之间相距60μm。上述由凹坑200紧密排列的阵列，结构整齐，基本组成单元都是几乎完全相同的凹坑200，因此在宏观上质地相较于喷砂工艺制成的成品更加均匀。

在一个图中未示出的实施例中，激光在铜基表面烧蚀出由凹坑200构成的图案。在凹坑200构成阵列的基础上，通过改变阵列中部分凹坑200的深度来体现线条感或灰度，同样的，也可以通过改变阵列中部分凹坑200的坑口210的直径来提现线条感或灰度，进而构成图案，还可以使构成图案的线条两边的凹坑200相离，以实现构成图案的效果。

S150：对凹坑200进行微蚀处理，去除毛刺。

由于激光进行烧蚀后，铜基表面，尤其是凹坑200附近具有许多毛刺，因此需要用到微蚀液对凹坑200附近的毛刺进行微蚀处理。其中，微蚀液的组分包括：1,2,4-三氮唑、2-异丙基咪唑、3,5-二甲基吡唑、6-硝基苯并咪唑、三甘醇、1,2-丙二醇、庚胺、硫酸、聚丙二醇、海藻酸钠、水。在去除毛刺的同时，也可以增强凹坑200与后续上色步骤中的色胶的附着力。

S160：将凹坑进行上色处理。

首先，对烧蚀有凹坑200的铜基进行电镀操作，以便增强凹坑200对色胶的附着能力。然后，在凹坑200内涂覆色胶，对凹坑200进行上色。最后在色胶表面喷油，防止色胶氧化变色或受到其他损伤。

具体的，将色胶涂覆在凹坑200内后，用刮刀刮过烧蚀有凹坑200的铜基的表面，刮除多余的色胶，使凹坑200之间的间隙201处无色胶覆盖，请参照图6。无色胶覆盖的间隙201处铜基裸露，所以可以作为电极，因此，相比于喷砂工艺，由上述金属表面凹坑加工方法烧蚀出的包括有凹坑200的铜基，不会因为涂覆色胶而丧失导电性。

通过上述步骤烧蚀的凹坑阵列，具有有如喷砂的效果，且具备比喷砂效果更佳的整齐性，进而比喷砂效果更为美观。同时，相比于喷砂工艺而言，通过上述工艺烧蚀出的凹坑阵列上色更加均匀，且同时保留了铜基的导电特性。

参考图7，为另一实施例提供的用于加工凹坑用的图形600。该实施例中，图形600也包括圆周610及连接线643。圆周610上均匀分布有四个节点620，圆周610上的节点620将圆周610分割成多个弧段611。只不过每个节点620到圆心630之间的连接线643只有一条，且连接线643为直线，长度即为圆周610的半径。对于如图7所示不满足构成欧拉回路要素的图形600，激光不能一次遍历所有的弧段611和连接线643，因而需要重新设计路径650。

再请参照图8a，图形600的路径650分散为四个路段651，每个路段651包括相邻的两个节点620之间的弧段611，以及弧段611的其中一个节点连接的一条连接线643。每个路段651中的弧段611和连接线641可以一次性遍历。四个路段651关于圆心630处旋转对称，旋转角为90°。激光首先从连接线643处于圆心630的一个端点处开始行走，先行走完该条连接线643，然后行走弧段611，行走完该段弧段611后便将该路段651行走完成。然后激光跳转到圆心630处，开始行走下一个路段651，直至所有路段651行走完成，即可加工出相应的凹坑700，凹坑700的截面如图8b中所示。

由于圆心630处线条的密度较小，所以烧出的凹坑700比较浅，而且，由于线段连接线643处的能量不如图2所示实施例方案中的能量集中，所以烧蚀出的凹坑700的形状为，相对于球形坑底720来说，靠近圆周610处会更加凸出一些，坑底720截面形似余弦波形。

请参照图9，激光烧蚀系统主要包括激光器310、扫描振镜330、远心镜头340、自动对焦装置350，视觉传感装置360，以及工作平台370。其中工作平台370上放置有用于打制凹坑200的铜基。激光器310用于产生激光；激光传输至扫描振镜330，扫描振镜330内包括扫描电机和光学反射镜片，其中光学反射镜片包括X振镜和Y振镜，X振镜和Y振镜由扫描电机带动，分别控制激光在工作平台370上落点的X方向的位置和Y方向的位置，即激光在平面上落点的具体位置；从扫描振镜330传输出来的激光经远心镜头340聚焦，然后经自动对焦装置350精确对焦到铜基上。视觉传感装置360用于抓取铜基的轮廓，判断铜基的位置，使凹坑200准确的烧蚀在铜基上，其中视觉传感装置360可以为CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)传感器。

在一个实施例中，激光烧蚀系统还包括反射镜320，反射镜320用于调整激光的光路，优化激光烧蚀系统中各器件的空间位置，节约系统占用的空间。

在一个实施例中，激光烧蚀系统还包括抽尘装置390，抽尘装置390的吸入口正对铜基，用于抽除在铜基上烧蚀凹坑200时，产生的烟雾或残渣。

在一个实施例中，工作平台370上还包括夹具380,夹具380用于夹持铜基，避免铜基在烧蚀凹坑200的过程中发生偏移，从而导致成品不良。

在一个实施例中，激光器310的参数，如平均功率和波长等，由一控制器控制。

图10为利用图9所示的激光烧蚀系统烧蚀凹坑200的工艺流程示意图，其中包括:

S210:扫描振镜330选用20位全数字扫描振镜；其中20位指全数字扫描振镜处理数据的位数。20位全数字扫描振镜能满足一般情况下扫描振镜330的需求。

S220:初始化并调试远心镜头340，自动对焦装置350，和视觉传感装置360；使激光能准确地聚焦到工作平台370上的铜基上。

S230:绘制图形100，并设定激光沿图形100行走的路径；事先绘制好烧蚀需用的图形100待用。

S240:调试激光器310，并设置参数；使激光的波长为1055nm-1075nm的红外脉冲激光，脉宽为2ns-200ns，平均功率为20W。

S250:开启抽尘装置390；在烧蚀之前开启抽尘装置390，当烧蚀开始后，可以立即抽出烧蚀过程中产生的烟雾和残渣。

S260:将被烧蚀的物体放在工作平台370上的夹具380内。

S270:依照上述金属表面凹坑加工方法开始烧蚀凹坑200。

通过上述烧蚀凹坑200的工艺流程，能烧蚀出形状均匀的凹坑200。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种金属表面凹坑加工方法，其特征在于，包括：

设计图形，所述图形包括圆周和连接线，所述圆周上均匀间隔分布至少三个节点，所述节点将圆周分割成多个弧段，每个所述节点和所述圆周的圆心之间连接有所述连接线；

依据所述图形的连接线和弧段设计烧蚀路径，所述路径不重复的一次遍历所有的所述连接线和弧段，且所述路径的起始点与终止点都在所述圆心处；

利用激光依次沿着所述路径烧蚀所述金属表面以形成凹坑，沿所述凹坑的深度方向，所述凹坑未贯穿所述金属。

2.根据权利要求1所述的金属表面凹坑加工方法，其特征在于，所有的所述连接线构成的图案关于所述圆心旋转对称。

3.根据权利要求1所述的金属表面凹坑加工方法，其特征在于，从每个所述节点到所述圆心的所述连接线有两条，且两条所述连接线之间的距离先逐渐增大后逐渐变小。

4.根据权利要求3所述的金属表面凹坑加工方法，其特征在于，同一所述节点上的两条所述连接线是圆弧，且连接线的半径与所述圆周的半径相等。

5.根据权利要求1所述的金属表面凹坑加工方法，其特征在于，所述路径呈现为欧拉回路的形状。

6.根据权利要求1所述的金属表面凹坑加工方法，其特征在于，所述激光为脉冲激光，所述脉冲激光的脉宽为2ns-200ns，平均功率为10W-30W。

7.根据权利要求1所述的金属表面凹坑加工方法，其特征在于，所述的金属表面凹坑加工方法还包括烧蚀多个所述凹坑以形成凹坑阵列，所述凹坑阵列中相邻的所述凹坑相切或相离。

8.根据权利要求1所述的金属表面凹坑加工方法，其特征在于，所述的金属表面凹坑加工方法还包括对所述凹坑进行微蚀处理，以去除毛刺。

9.根据权利要求1所述的金属表面凹坑加工方法，其特征在于，所述的金属表面凹坑加工方法还包括将所述凹坑进行上色处理。

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