CN113512741B - 激光冲击波辅助的电化学加工装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于材料加工技术领域，公开了一种激光冲击波辅助的电化学加工装置，以解决电化学加工中，激光利用率低、电沉积成型效率低、成型结构致密性低等问题，该装置包括激光器部件、冲击波形成部、加工溶液容纳部；加工溶液容纳部包括第一容纳部、位于第一容纳部出液侧的第二容纳部；冲击波形成部位于第一容纳部远离第二容纳部的一侧，用于在激光束作用下，形成向第一容纳部传播的冲击波；第一容纳部中加工溶液在冲击波的作用下，经第一容纳部出液口喷射，对第二容纳部中的基材进行加工。本申请利用冲击波形成部形成的激光冲击波的力效应，促进加工溶液容纳部中金属离子的运动速率与加工溶液的传质效率，加工效率高，产品致密度高。

Description

激光冲击波辅助的电化学加工装置

技术领域

本申请属于材料制备技术领域，具体涉及一种激光冲击波辅助的电化学加工装置。

背景技术

电沉积技术是一种利用外加电场对溶液中金属离子的驱动作用，实现金属离子在基底表面的还原沉积技术，是一种典型的增材制造技术，该技术的加工分辨率低、热影响小、残余应力小，在微型元器件、微电子制造、芯片封装等领域具有广泛的应用场景。

相关技术中，为了弥补单一电沉积技术的不足，采用复合沉积技术实现微细材料加工，例如超声波复合沉积技术、激光复合沉积技术、交变磁场脉冲电沉积、摩擦辅助喷射电沉积等。其中，激光复合沉积技术在较多因素的影响作用下，激光加工稳定性差、效率低，激光束损耗大、成型材料致密性差等限制了该技术在微细电解加工的更广泛应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提出了一种激光冲击波辅助的电化学加工装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷导致的电化学加工中，激光利用率低、加工稳定性差、电沉积成型效率低、成型结构的致密性低等问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案如下：

根据本申请的一个方面，提供一种激光冲击波辅助的电化学加工装置，所述装置包括激光器部件、冲击波形成部、加工溶液容纳部；

所述加工溶液容纳部包括第一容纳部、位于所述第一容纳部出液侧的第二容纳部；

所述冲击波形成部位于所述第一容纳部远离所述第二容纳部的一侧，并与所述第一容纳部的端口连接，用于在所述激光器部件发射的激光作用下，形成向所述第一容纳部传播的冲击波；

所述第一容纳部中的加工溶液在所述冲击波的作用下，经所述第一容纳部出液口喷射，对所述第二容纳部中的待加工基材进行加工。

在本发明的一种示例性实施例中，所述冲击波形成部包括牺牲材料层；

所述牺牲材料层在所述激光器部件发射的激光束作用下产生等离子体，并形成所述冲击波。

在本发明的一种示例性实施例中，所述冲击波形成部包括还包括位于所述牺牲材料层入光侧的约束材料层；

所述约束材料层用于阻挡所述牺牲材料层上形成的等离子体通过。

在本发明的一种示例性实施例中，所述装置还包括移动控制部件，与所述冲击波形成部连接，用于控制所述冲击波形成部移动，以切换所述冲击波形成部的激光束作用区域。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第一容纳部的出液口设有液体喷头，所述液体喷头与所述出液口可拆卸连接。

在本发明的一种示例性实施例中，所述装置还包括运动控制部件，与所述第二容纳部连接，用于控制所述第二容纳部的位置移动，以改变所述第二容纳部中待加工材料与所述液体喷头的相对位置。

在本发明的一种示例性实施例中，所述装置还包括电源；

所述电源的正极与所述液体喷头连接，所述电源的负极与所述待加工基材连接；

或者，所述电源的负极与所述液体喷头连接，所述电源的正极与所述待加工部件连接；

其中，所述电源、液体喷头、液体喷头中的加工溶液、待加工基材之间形成电流回路。

在本发明的一种示例性实施例中，所述激光器部件至少包括沿光路依次设置的激光器、激光束处理单元、反射镜和聚焦单元；

所述激光器用于向所述激光束处理单元提供激光束；

所述激光束处理单元用于控制所述激光束的大小；

所述反射镜用于将所述激光束处理单元处理后的激光束反射至所述聚焦单元；

所述聚焦单元用于将激光束聚焦，以照射于所述冲击波形成部。

在本发明的一种示例性实施例中，所述装置还包括加工溶液提供部，与所述第一容纳部连接，用于向所述第一容纳部输送加工溶液。

在本发明的一种示例性实施例中，所述加工溶液提供部包括通过管道依次连接的加工溶液存储容器、泵、过滤单元、开关阀、压力表及流量计。在本发明的一种示例性实施例中，所述加工溶液提供部还包括温控单元，用于调节输入至所述第一容纳部中的加工溶液的温度。

本申请的有益效果在于：

在冲击波形成部生成的冲击波向第一容纳部中的加工溶液传播的过程中，冲击波产生的力效应能促进第二容纳部中电沉积区域的金属离子的运动速率，以及电解液的传质效率，从而减少扩散层厚度，提高电沉积成型效率；同时，冲击波的力效应在作用于待加工材料的已沉积成型区域时，能使已沉积区域的组织结构更致密，降低孔隙率，并且能使材料微观组织发生变化，形成残余压应力，提高成型材料结构的抗疲劳、耐磨损能力；此外，本申请的激光冲击波辅助的电化学加工装置中的激光不是直接通过加工溶液作用于待加工材料的，而是直接作用于冲击波形成部，可大幅降低激光因通过电解液引起的能耗损耗，提高激光能量的利用率；同时，形成冲击波的等离子体也不会直接作用于待加工材料，避免了等离子体对待加工材料的高温烧蚀和热影响，提高成型加工过程的可控性和表面质量；

进一步的，冲击波形成部包括约束材料层及位于约束材料层出光侧的牺牲材料层，约束材料层能阻止牺牲材料层产生的等离子体通过，提高冲击波的力效应；

进一步的，本申请的装置还包括移动控制部，能控制冲击波形成部的移动，切换冲击波形成部的激光束作用区域，能避免冲击波形成部的损耗对加工过程稳定性和可控性的影响；

进一步的，本申请还包括与第一容纳部的出液口可拆卸连接的液体喷头，通过液体喷头的可拆卸，能更换满足加工精度的喷头，提高装置在不通加工需求下的可扩展性和应用范围。

附图说明

图1为本申请的一种激光冲击波辅助的电化学加工装置示意图；

图2为图1装置对应的工作原理示意图；

图3为本申请的一种可移动牺牲材料式激光冲击波辅助电沉积的原理示意图；

图4为本申请的一种激光冲击波辅助电解加工原理示意图；

图5为本申请一种分体装配式液体喷头激光冲击波辅助电沉积加工原理示意图；

图6为本申请一种无约束材料层下激光冲击波辅助电解加工原理示意图。

部件和附图标记列表：

1第一容纳部； 2第二容纳部；

3约束材料层； 4牺牲材料层；

5液体喷头； 6待加工基材；

7多维运动平台； 8工控机；

9运动控制器； 10液体喷头的侧壁；

11高频脉冲直流电源； 12泵；

13过滤系统； 14安全阀；

15开关阀； 16压力表；

17流量计； 18激光器；

19激光束； 20激光束处理单元；

21反射镜(组) 22聚焦单元；

23液体喷头的顶端； 24激光控制单元；

25等离子体； 26冲击波；

27温控单元； 28加工溶液存储容器；

29；加入溶液入口； 30电沉积微细结构；

31加工溶液射流； 32移动控制部；

h₁电解液腔体高度； h₂液体喷头长度；

δ液体喷头与待加工基材之间距离；

d液体喷头出口直径。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本申请的各方面变得模糊。

用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

相关技术中的激光复合电沉积通常将激光束直接作用于电沉积成型区域，该激光加工过程的稳定性和精度受等离子体、电解液高温沸腾等影响较大，激光束通过电解液时能量损耗较大，激光能量利用率低。

基于此，本申请提供了一种激光冲击波辅助的电化学加工装置，该激光冲击波辅助的电化学加工装置至少可以包括：激光器部件、冲击波形成部、加工溶液容纳部；其中，加工溶液容纳部包括第一容纳部、位于第一容纳部出液侧的第二容纳部；冲击波形成部位于第一容纳部远离第二容纳部的一侧，并与第一容纳部的端口连接，用于在激光器部件发射的激光束作用下，形成向第一容纳部传播的冲击波；第一容纳部中的加工溶液在所述冲击波的作用下，经所述第一容纳部的出液口喷射，对第二容纳部中的待加工基材进行加工。

可选地，冲击波形成层可以包括牺牲材料层，该牺牲材料层在激光器部件发射的激光束作用下，形成冲击波。

可选地，牺牲材料层的材料选自铝箔等能在激光束作用下形成等离子体的金属材料中的任一种。

可选地，牺牲材料层的厚度范围可以为5～50μm，当然，本申请还可以根据实际加工需求更好牺牲材料层的厚度，本申请对此不做特殊限定。

可选地，冲击波形成层还可以包括位于牺牲材料层入光侧的约束材料层，牺牲材料层在激光器部件发射的激光束作用下产生等离子体，等离子体在约束材料层的阻止通过作用下，冲击波的力效应增强。

可选地，约束材料层可以选自透明玻璃(如K5型或K9型透明玻璃)、水层中的任一种；

具体地，在存在约束材料层的情况下，当激光束通过约束材料层聚焦于牺牲材料层时，牺牲材料层吸收激光能量，发生爆炸性汽化蒸发，产生高温、高压的等离子体，该等离子体在约束材料层的约束作用下，冲击波的力效应增强，并向第一容纳部中的加工溶液中传播；约束材料层的设置可以限制等离子向其他方向的扩散，进而提高生成的冲击波的力效应。

可选地，本申请的装置还可以包括移动控制部，与冲击波形成部连接，用于控制冲击波形成部移动，以切换冲击波形成部的激光束照射区域；

可选地，移动控制部可以为与牺牲材料层连接的动力装置等，凡可以切换牺牲材料层的部件均可，本申请对此不作特殊限定。

在一些可能的实施方式中，移动控制部可以仅与冲击波形成部中的牺牲材料层连接，控制牺牲材料层的移动，切换牺牲材料层的激光束作用区域，例如，牺牲材料层的当前被照区域产生损耗，则可以通过移动控制部的移动，切换牺牲材料层的被照区域，则避免了因牺牲材料层损耗影响加工稳定性和可控性；

在一些可能的实施方式中，移动控制部可以与约束材料层和牺牲材料层同时连接，通过移动控制部的移动，同时切换约束材料层和牺牲材料层的被照区域。

可选地，第一容纳部的出液口可以设有液体喷头，该液体喷头与出液口可拆卸连接，可以根据实际加工需求切换不同类型、不同直径的液体喷头，以适用于各类精细加工。其中，液体喷头的直径可以为微米、亚微米或纳米尺度，根据实际加工需求进行选择，本申请对此不作特殊限定。

可选地，本申请的装置还可以包括运动控制部件，与第二容纳部连接，用于控制第二容纳部的位置移动，以改变第二容纳部中待加工材料与液体喷头的相对位置；

可选地，运动控制部可以为多为运动平台，并承载第二容纳部，并在任意空间移动第二容纳部。

在一些可能的实施方式中，运动控制部件可以控制第二容纳部在任意空间移动，以改变第二容纳部中待加工材料与液体喷头的位置关系，例如，相较于液体喷头，可以通过运动控制部件平移、旋转第二容纳部，以改变第二容纳部中待加工材料与液体喷头的距离等相对位置，例如水平位置、垂直位置等空间任意位置的改变。

可选地，本申请的装置还可以包括电源；

其中，电源采用高频脉冲直流电源，且脉冲频率和占空比可控，脉冲频率的范围为10～399kHz，占空比为10％～80％。

在一些可能的实施方式中，电源的正极与液体喷头连接，电源的负极与待加工基材连接，从而电源、液体喷头、液体喷头中的加工溶液、待加工基材之间形成电流回路；在此种情况下，进行电镀等电化学加工。

在一些可能的实施方式中，电源的负极与液体喷头连接，电源的正极与待加工部件连接，从而电源、液体喷头、液体喷头中的加工溶液、待加工基材之间形成电流回路；在此种情况下，进行工件表面微结构的电刻蚀加工，在此种情况下，冲击波产生的力效应可加快微加工区域的离子交换速率，促进电解产物的排出，减小扩散层，有利于提高电解加工电流密度和材料去除效率。同时，冲击波同样对待加工材料表面具有一定的冲击强化作用，提高加工微结构的抗疲劳、抗腐蚀等性能。

基于此，可以通过切换电源的连接方式，改变本申请装置进行电化学加工的具体的方式，拓展了本申请装置的使用范围。

可选地，本申请的激光器部件至少包括沿光路依次设置的激光器、激光束处理单元、反射镜和聚焦单元；其中，冲击波形成部位于聚焦单元的出光侧；

其中，激光器用于向激光束处理单元提供激光束；

激光束处理单元用于控制激光束的大小；

反射镜用于将激光束处理单元处理后的激光束反射至聚焦单元；

聚焦单元用于将激光束聚焦，以照射于冲击波形成部。

可选地，激光器选自固体激光器、半导体激光器、气体激光器、光纤激光器中的任一种，本申请对此不作特殊要求。

可选地，本申请的装置还包括加工溶液提供部，与第一容纳部连接，用于向第一容纳部输送加工溶液。

其中，激光束处理单元用于控制激光束的大小、宽度、强度等。

可选地，加工溶液提供部可以包括通过管道连接的加工溶液存储容器、泵、过滤单元、开关阀、压力表及流量计；

可选地，加工溶液提供部还可以包括安全阀，位于加工溶液存储容器与第一容纳部之间的管道上。

可选地，加工溶液提供部还包括温控单元，用于调节输入至第一容纳部中的加工溶液的温度。

实施例1

图1示出了本申请一种示例性实施方式的激光冲击波辅助的电化学加工装置，下面结合图1对本申请实施方式的激光冲击波辅助的电化学加工装置进行详细阐述。

如图1所示，该激光冲击波辅助的电化学加工装置包括加工溶液容纳部(包括第一容纳部1和第二容纳部2)，位于第一容纳部1远离第二容纳部2一侧的冲击波形成部(包括约束材料层3和牺牲材料层4)，第一容纳部1的出液口设有液体喷头5，待加工基材6位于第二容纳部2中，第二容纳部2安装于多维运动平台7(属于运动控制部件的一种实施方式)上，工控机8通过运动控制器9控制多维运动平台7的空间运动轨迹，进而控制待加工基材6与液体喷头5的相对位置。在加工过程中，高频脉冲直流电源11的正负极分别与液体喷头5和待加工基材6连接，加工溶液通过泵12、过滤系统13、安全阀14、开关阀15、压力表16、流量计17流入第一容纳部1中，随后加工溶液由液体喷口5流向第二容纳部2中的成型区域；激光器18发射的激光束19通过激光束处理单元20、反射镜21(或反射镜组)、聚焦单元22聚焦于牺牲材料层4上。其中，工控机8通过激光控制单元24控制激光器18的输出功率、重复频率及开关。其中，高频脉冲直流电源11的正极与液体喷头5连接，负极与待加工基材6连接。

图2为图1装置对应的加工原理示意图，下面结合图1和2对本申请的示例性实施方式的激光冲击波辅助的电化学加工装置的加工过程进行说明，其中，h₁为电解液腔体高度；h₂为液体喷头长度；δ为液体喷头与待加工基材之间距离；d为液体喷头出口直径。

首先打开泵12、过滤系统13、开关阀15、压力表16、流量计17，使加工溶液流入至第一容纳部1，并打开高频脉冲直流电源11，随后打开激光器18，激光束19经聚焦单元22聚焦后，通过约束材料层3作用于牺牲材料层4上，随着激光功能密度的增加，牺牲材料层4上的激光作用区产生高温、高压的等离子体25，该等离子体25在约束材料层3的约束作用下，形成冲击波26，并向第一容纳部1中的加工溶液中传播。加工溶液由加工溶液入口29流入第一容纳部1，并以加工溶液射流31的方式流向第二容纳部2中待加工基材6上的电沉积微细结构，该过程中，利用冲击波26的力效应，可促进电沉积区域的金属离子的运动速率和加工溶液的处置效率，从而减小扩散层厚度，提高电沉积电流密度，细化晶粒，提高电沉积成型效率。在加工过程中，可以通过多维运动平台7控制第二容纳部2中的待加工基材6与液体喷头5之间的距离(即加工间隙)、相对位置，实现不同形状电沉积微细结构的成型制造。在此过程中，可以通过温控单元27控制加工溶液存储容器28中的待加工溶液的温度。

图3示出了可移动牺牲材料式激光冲击波辅助电沉积的原理示意图，如图3所示，移动控制部32与牺牲材料层4连接，用于控制牺牲材料层4的移动，可切换牺牲材料层4的激光束照射区域。其中参见图3所示，移动控制部32可以为动力装置，控制牺牲材料层4的移动，当牺牲材料层4的当前激光束照射区域损耗后，可通过动力装置移动牺牲材料层4，以改变牺牲材料层4的激光束照射区域，从而避免了牺牲材料层损耗对加工稳定性和可控性的影响。同时，参见图3所示，本申请的液体喷头5的侧壁10和顶端23可以避免进行绝缘处理，从而减少杂散电流沉积效应，进一步提升电沉积的定域性。

图4示出了激光冲击波辅助电解加工原理示意图，如图4所示，高频脉冲直流电源11的正极与待加工基材6连接，负极与液体喷头5连接，在此种情况下，可进行待加工基材6表面微结构的电解刻蚀加工，冲击波26产生的力效应可加快微加工区域的离子交换速率，促进电解产物的排出，减小扩散层，有利用提高电解加工电流密度和材料去除效率；同时，冲击波26同样对待加工基材6表面具有冲击强化作用，提高加工微结构的抗疲劳、抗腐蚀性能。

图5示出了分体装配式液体喷头激光冲击波辅助电沉积加工原理示意图，如图5，液体喷头5与第二容纳部2为可拆卸连接，即分离式结构，例如图5所示的液体喷头为毛细管喷头。基于此，可以根据实际加工需求，更换液体喷头5，以进一步缩小液体喷头5的直径，例如到微米、亚微米和纳米，从而能进一步提高电沉积的分辨率、加工精度，大幅减小电沉积微结构的尺度。

图6示出了无约束材料层下激光冲击波辅助电解加工原理示意图，如图6，在冲击波形成区仅包括牺牲材料层4，激光束19经聚焦后直接作用于牺牲材料层4，产生等离子体及冲击波。基于此，可以避免等离子体对约束材料层的破坏作用，提高加工的稳定性。

本申请的激光冲击波辅助的电化学加工装置，在冲击波形成部生成的冲击波向第一容纳部中的加工溶液传播的过程中，冲击波产生的力效应能促进第二容纳部中电沉积区域的金属离子的运动速率，以及电解液的传质效率，从而减少扩散层厚度，提高电沉积成型效率；同时，冲击波的力效应在作用于待加工材料的已沉积成型区域时，能使已沉积区域的组织结构更致密，降低孔隙率，并且能使材料微观组织发生变化，形成残余压应力，提高成型材料结构的抗疲劳、耐磨损能力；此外，本申请的激光冲击波辅助的电化学加工装置中的激光不是直接通过加工溶液作用于待加工材料的，而是直接作用于冲击波形成部，可大幅降低激光因通过电解液引起的能耗损耗，提高激光能量的利用率；同时，形成冲击波的等离子体也不会直接作用于待加工材料，避免了等离子体对待加工材料的高温烧蚀和热影响，提高成型加工过程的可控性和表面质量。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种激光冲击波辅助的电化学加工装置，其特征在于，所述装置包括激光器部件、冲击波形成部、加工溶液容纳部；

所述加工溶液容纳部包括第一容纳部、位于所述第一容纳部出液侧的第二容纳部；

所述冲击波形成部位于所述第一容纳部远离所述第二容纳部的一侧，并与所述第一容纳部的端口连接，用于在所述激光器部件发射的激光束作用下，形成向所述第一容纳部传播的冲击波；

所述第一容纳部的出液口设有液体喷头，所述第一容纳部中的加工溶液在所述冲击波的作用下，经所述液体喷头喷射，对所述第二容纳部中的待加工基材进行加工。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冲击波形成部包括牺牲材料层；

所述牺牲材料层在所述激光器部件发射的激光束作用下产生等离子体，并形成所述冲击波。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述冲击波形成部还包括位于所述牺牲材料层入光侧的约束材料层，

所述约束材料层用于阻挡所述牺牲材料层上形成的等离子体通过。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括移动控制部件，与所述冲击波形成部连接，用于控制所述冲击波形成部移动，以切换所述冲击波形成部的激光束作用区域。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液体喷头与所述出液口可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括运动控制部件，与所述第二容纳部连接，用于控制所述第二容纳部的位置移动，以改变所述第二容纳部中待加工材料与所述液体喷头的相对位置。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括电源；

所述电源的正极与所述液体喷头连接，所述电源的负极与所述待加工基材连接；

或者，所述电源的负极与所述液体喷头连接，所述电源的正极与所述待加工基材连接；

其中，所述电源、液体喷头、液体喷头中的加工溶液、待加工基材之间形成电流回路。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器部件至少包括沿光路依次设置的激光器、激光束处理单元、反射镜和聚焦单元；

所述激光器用于向所述激光束处理单元提供激光束；

所述激光束处理单元用于控制所述激光束的大小；

所述反射镜用于将所述激光束处理单元处理后的激光束反射至所述聚焦单元；

所述聚焦单元用于将激光束聚焦，以照射于所述冲击波形成部。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括加工溶液提供部，与所述第一容纳部连接，用于向所述第一容纳部输送加工溶液。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述加工溶液提供部包括温控单元；

所述温控单元用于调节输入至所述第一容纳部中的加工溶液的温度。

Images