CN111559512B - 一种激光加载的阵列弹射工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光加载的阵列弹射工艺方法。先将整块待弹射物体、烧蚀涂层、粘结剂和透光背板组合成一体，得到一个弹射模块，压紧排空其模块内部层与层之间的空气，随后用自动加工平台将弹射模块上的整块待弹射物体切割成独立的待发射个体。将弹射模块移至激光光路合适位置，根据需要设置激光光斑和脉冲能量的大小，启动激光器发射激光，每弹射一次移动弹射模块使激光可以弹射下一个弹射物，如此可以实现连续自动的阵列弹射。本发明的阵列弹射方法通过激光烧蚀涂层激发等离子体发射，从而借助其反作用力来对微小片状的待弹射材料进行弹射，不受材料限制；具有优异的加速效果，其在0.2μs内可达1000m/s以上的速度；制备工艺简单，成本低廉，易于自动化，且精确度高和安全性高。
Description
技术领域
本发明涉及激光驱动飞行与弹射构件的制备领域，特别是涉及对超薄板类微小构件的弹射方法及自动化工艺。
背景技术
在当今各行业迅猛发展的时代，弹射已成为航空航天、飞行器起飞、微电子、精密机械制造加工，以及材料物理基础研究等各行业领域不可或缺的一种手段和工艺。然而，由于弹射构件自身的局限性，其弹射能力有着特定的针对性，难以相互通用。激光加载的弹射具备如下特点：微结构、高速、精确定位，操作简易。微电子领域，激光弹射可应用于微连接。尤其对于沉淀相强化的合金，比如铝锂合金；在材料物理基础研究领域，激光弹射可应用于高应变速率的材料本构关系研究。精密机械的加工制造领域，激光弹射可应用于微成型因此，对超薄板类微小构件的弹射方法及自动化工艺研究具有十分重要的意义。
激光烧蚀激发等离子体的弹射行为主要受材料对特定波长激光的吸收、反射、透过及激光本身特性的影响，它是通过高能量密度的激光烧蚀物质，使其释放等离子体的一种过程。激光作为一种常用的能量源，已经在许多行业得到广泛应用。其原理是让高能量激光照射到金属或其他物质的表面，通过材料对激光的吸收，将激光的能量转化为其他形式的能量，使材料表面温度升高，融化，气化直至形成等离子体，最终等离子体在材料表面爆炸，使得材料可以借助爆炸波的作用下弹射。通常，为了得到最佳的弹射效果，会在待弹射物表面预先涂上一层对激光能量吸收率极高的烧蚀层，它被专门用做烧蚀激发等离子体的，并能够保护待弹射物不被激光所烧蚀。
传统的驱动飞行和弹射技术主要包括机械式、电磁作为能量源的弹射和单个待弹射物的制备工艺。这两个部分在工艺上比较简单，且都能达到比较好的弹射效果。然而，由于机械式、电磁作为能量源的弹射所需设备比较复杂，弹射材料尺寸较大且对材料都有一定需求，无法满足许多微小尺寸构件高速弹射的需求。此外，单个待弹射物的制备，虽也能完成自动化操作，但其生产效率低下。因此，为了解决这些问题，许多科研人员正努力研究出一种能够大批量工业生产的激光弹射工艺满足现代微电子、医疗领域等精密微小构件制备的需要。
研究人员积极寻找合适的弹射方法，如公开号为CN102274887A的专利提出了一种激光微冲裁落料的方法，其利用激光的推动作用和模具的剪切作用实现微冲裁落料，并使落料具备一定的飞行速度。此方法中靶材在模具边缘的剪切行为消耗了大量的激光能量，对于较厚的靶材(≥50μm)，微冲材料落料难以实现，并且落料的尺寸受限于激光光斑的尺寸。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种激光加载的阵列弹射方法及其工艺方法，以满足毫米级构件高速工业生产所需要的弹射，该工艺具有环保、工艺简单、生产效率高且成本低等的特点，能够对微小构件的定向弹射达到良好的效果，显著提高微小构件弹射的生产效率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于包括待弹射模块和激光加载两个部分：一、透光背板上呈阵列分布的待弹射物所组成的待弹射模块的制备；二、利用超短脉冲激光的单次脉冲激光加载在烧蚀层上的弹射系统。
进一步地，本发明具体工艺过程包括如下步骤：
(1)制备待弹射模块：整块待弹射物背面均匀涂上一层烧蚀层，然后在烧蚀层上加上透光粘结剂，将一块能透过激光的背板贴在粘结剂层上，压紧透光背板与待弹射物，排出二者之间的空气，得到一个整体的待弹射模块；
(2)分割单个独立待弹射物：将预处理好的待弹射模块放在自动加工平台上切割成一个个独立待弹射个体，组成阵列的待弹射模块，保证每次弹射都是不受前一次弹射影响的独立弹射，随后将待弹射模块移动到适合的激光光路位置；
(3)激光加载发射：最后设定激光参数，启动激光器，利用脉冲激光加载的单脉冲能量弹射，利用超短脉宽的脉冲激光使烧蚀层气化成等离子体，利用其反作用力来弹射物体，在一次弹射完成后，将下一个待弹射物移动到相应位置，重复弹射过程，直到整个待弹射模块的待弹射物全部弹射完毕；
(4)将下一待弹射模块移到激光加载位置，重复弹射过程，直到生产过程结束。
进一步地，步骤(1)所述的烧蚀层是一种黑色喷漆，能够增大激光能量的吸收量，提高激光能向被弹射体动能的转化效率。
进一步地，步骤(1)所述的粘结剂透光且厚度可控，但其厚度必须较薄以保证只发挥层与层之间的连接和排空空气的作用，而不会在自身粘结层产生大的粘滞力阻碍弹射。
进一步地，步骤(2)所述的分割是把整块待弹射物分割出一个个独立单次的待弹射物，以保证每一次弹射是独立的。
进一步地，步骤(3)所述的激光是脉宽小于或等于纳秒级别，激光能量分布可以是平顶激光或者高斯激光。
进一步地，步骤(3)所述的激光是激光光束能量分布为平顶的类型，保证被弹射体飞行过程中的平整度。
进一步地，步骤(3)所述的激光光斑大小要与被弹射体的尺寸接近，保证被弹射体飞行过程中的平整度以及激光能量不损失。
进一步地，步骤(3)所述的激光弹射过程通过编程控制弹射模块和激光的互动，可以实现各种形式的连续阵列弹射。
本发明的阵列弹射方法对微小片状待的弹射材料具有极好的弹射效果，通过激光烧蚀层激发等离子体发射，从而借助其反作用力来对微小片状的待弹射物进行弹射，不受材料限制。该发明的制备工艺简单，成本低廉，环保且易于自动化，并具有精确度高和安全性高等特点。
附图说明
图1是阵列弹射模块制备工艺图。
图2切割后独立弹射物阵列分布的弹射模块示意图。
图3弹射工艺示意图。
图4铝片在不同光斑直径下弹射的速度时间曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施案例对本发明作进一步的详细阐述，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施案例。
本发明采用激光单脉冲能量约为3J，待弹射物为厚度25μm的纯铝片，烧蚀层为黑色商业喷漆，透光背板为0.5mm聚碳酸酯，粘结剂为双面胶的激光加载弹射系统。改变光斑直径的大小，利用PDV进行速度时间曲线测试。
由阵列弹射所得到的数据拟合所得到的速度时间可计算各光斑大小的弹射能量效率：
实施例1
一种激光加载的阵列弹射方法，其特征在于包括待弹射模块和激光加载两个部分：一、透光背板上呈阵列分布的待弹射物所组成的待弹射模块的制备；二、利用超短脉冲激光的单次脉冲激光加载在涂层上的弹射系统，其余参数为激光单脉冲能量约为3J，待弹射物为厚度25μm的纯铝片，烧蚀层为黑色商业喷漆，透光背板为0.5mm聚碳酸酯，粘结剂为双面胶，光斑为直径2mm的圆形。PDV测试结果表明弹射速度可达到1000m/s，该工艺具有优异的弹射性能。
实施例2
一种激光加载的阵列弹射方法，其特征在于包括待弹射模块和激光加载两个部分：一、透光背板上呈阵列分布的待弹射物所组成的待弹射模块的制备；二、利用超短脉冲激光的单次脉冲激光加载在涂层上的弹射系统，其余参数为激光单脉冲能量约为3J，待弹射物为厚度25μm的纯铝片，烧蚀层为黑色商业喷漆，透光背板为0.5mm聚碳酸酯，粘结剂为双面胶，光斑为直径4mm的圆形。PDV测试结果表明弹射速度可达到950m/s，该工艺具有优异的弹射性能。
实施例3
一种激光加载的阵列弹射方法，其特征在于包括待弹射模块和激光加载两个部分：一、透光背板上呈阵列分布的待弹射物所组成的待弹射模块的制备；二、利用超短脉冲激光的单次脉冲激光加载在涂层上的弹射系统，其余参数为激光单脉冲能量约为3J，待弹射物为厚度25μm的纯铝片，烧蚀层为黑色商业喷漆，透光背板为0.5mm聚碳酸酯，粘结剂为双面胶，光斑为直径6mm的圆形。PDV测试结果表明弹射速度可达到500m/s，该工艺具有优异的弹射性能。
针对上述不同光斑大小，借助PDV对不同直径微小构件进行测试，然后通过傅立叶变换进行分析，得出速度/时间曲线。计算可得到不同光斑大小下弹射物的0.2μs速度和能量效率，结果如表1所示：
由上表1可知，实施例1的速度最高，可达1000m/s，该工艺对2mm直径大小的圆形纯铝薄片空气介质中的弹射具有非常大的弹射速度，可为微小构件提供非常好的弹射速度。其次是实施例2，以上所述的工艺均对圆形纯铝薄片具有十分有效的弹射效果，其弹射速度均达到声速以上。
以上所述，仅为本发明具体的实施案例，但本发明的保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的揭露范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，包括待弹射模块和激光加载两个部分：一、透光背板上呈阵列分布的待弹射物所组成的待弹射模块的制备；二、利用超短脉冲激光的单次脉冲激光加载在烧蚀层上的弹射系统；该工艺方法包括如下步骤：
(1)制备待弹射模块：整块待弹射物背面均匀涂上一层烧蚀层，然后在烧蚀层上加上透光粘结剂，将一块能透过激光的背板贴在粘结剂层上，压紧透光背板与待弹射物，排出二者之间的空气，得到一个整体的待弹射模块；
(2)分割单个独立待弹射物：将预处理好的待弹射模块放在数控加工平台上切割成一个个独立待弹射个体，组成阵列的待弹射模块，保证每次弹射都不受前一次弹射的影响，随后将待弹射模块移动到适合的激光光路位置；
(3)激光加载发射：最后设定激光参数，启动激光器，利用脉冲激光加载的单脉冲能量弹射，利用超短脉宽的脉冲激光使烧蚀层气化成等离子体，利用其反作用力来弹射物体，在一次弹射完成后，将下一个待弹射物移动到相应位置，重复弹射过程，直到整个待弹射模块的待弹射物全部弹射完毕；
(4)将下一待弹射模块移到激光加载位置，重复弹射过程，直到生产过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，步骤(1)所述的烧蚀层是一种黑色喷漆，能够增大激光能量的吸收量，提高激光能向被弹射体动能的转化效率。
3.根据权利要求1所述的一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，步骤(1)所述的粘结剂透光且厚度可控，但其厚度必须较薄以保证只发挥层与层之间的连接和排空空气的作用，而不会在自身粘结层产生大的粘滞力阻碍弹射。
4.根据权利要求1所述的一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，步骤(2)所述的分割是把整块待弹射物分割出一个个独立单次的待弹射物，以保证每一次弹射是独立的。
5.根据权利要求1所述的一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，步骤(3)所述的激光是脉宽小于或等于纳秒级别，激光能量分布可以是平顶激光或者高斯激光。
6.根据权利要求1所述的一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，步骤(3)所述的激光是激光光束能量分布为平顶的类型，保证被弹射体飞行过程中的平整度。
7.根据权利要求1所述的一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，步骤(3)所述激光的光斑大小要与被弹射体的尺寸接近，保证被弹射体飞行过程中的平整度以及激光能量不损失。
8.根据权利要求1所述的一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，步骤(3)所述激光的弹射过程通过编程控制弹射模块和激光的互动，可以实现各种形式的连续阵列弹射。
9.根据权利要求1所述的一种激光加载的阵列弹射工艺方法，其特征在于，采用的发射介质为空气环境，高能量纳秒激光，激光光斑直径可调，待弹射物种类和厚度可调，烧蚀层为黑色商业喷漆，透光背板为聚碳酸酯，粘结剂为双面胶；弹射时将弹射物制备成弹射模块放置于弹射位置进行多次弹射，利用PDV进行速度时间曲线测试。
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