CN113798665B - 金属表面圆凹坑的激光加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属表面圆凹坑的激光加工方法，本发明利用同心圆网格复合填充路径与普通的网格填充路径相比，在激光扫描加工后可以得到形貌较好的圆凹坑，避免了因振镜在扫描路径边缘的扫描速度降低造成的凹坑中间位置的凸起。本发明在不增加硬件成本的情况下，解决了在制备金属表面圆凹坑时产生的中间凸起的问题，具有成本低、操作方便、可应用范围广的特点。
Description
技术领域
本发明属于激光加工，特别是一种金属表面圆凹坑的激光加工方法。
背景技术
金属材料是现代工业设备里面不可或缺的一种材料，与人们的生活息息相关，在某些特殊的领域，比如航天飞机、石油勘探等行业，需要对某些设备表面进行微纳结构的制备，以减小摩擦力、减小空气阻力、改变疏水疏油性等等。
有研究人员已经探究得出结论，在石油柱塞表面制备大规模数量的圆凹坑并涂上润滑油，可以显著提高钻头滑动轴承摩擦性能和使用寿命。对于尺寸比较小的圆凹坑，比如直径只有200um的圆凹坑，传统的机械加工方法由于精度低、加工复杂而不能适用。
对于在金属表面加工微米级的圆凹坑这项工作，加工精度高且不损坏基底的激光加工方法大有可为。然而在激光加工实验过程中，由于当加工深度超过5um时，圆凹坑底面的中间凸起会变的明显。这可能是因为扫描振镜在路径边缘扫描速度较慢、停留时间过长、开关光有延时，造成边缘位置烧蚀比中间严重。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种金属表面圆凹坑的激光加工方法，利用同心圆网格复合填充路径，改变不同的层数、同心圆间距、每层的扫描次数以及网格填充线间距等参数，在金属表面得到底部平滑且形状较好的圆凹坑，解决了普通扫描路径造成的圆凹坑底部中间凸起且形状不易控制的问题。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种金属表面圆凹坑的激光加工方法，其特点在于，包括下列步骤：
1)根据所需加工圆凹坑设计同心圆网格复合激光加工路径：
①根据所需加工圆凹坑的直径来确定同心圆的个数，最大同心圆的直径为所述的圆凹坑的直径，之后每个同心圆的直径自外向内依次递减，直径递减的间距为10-50um；
②根据所需圆凹坑的深度确定同心圆网格的激光加工线间距，线间距的范围为2-10um，深度越大，线间距越小；
2)将设计的路径导入到计算机的标刻软件中，确定激光加工参数的设定值，包括激光加工的位置，激光加工的功率、重复频率、扫描速度和整体扫描次数；
3)将待加工的金属表面固定机床上，将所述的激光器输出激光的焦点调节在待加工的表面上，激光束的中心与所述的待加工的金属表面圆凹坑的中心重合，将所述的激光器的激光输出的功率和重复频率调节到设定值；
4)在计算机的控制下，驱动所述的机床或激光器，使所述的激光器输出的激光的沿着扫描路径开始标刻：先最外最大同心圆网格的扫描路径开始标刻，然后通过计算机控制，将每个同心圆网格填充路径放置到不同图层，依次按直径缩小的同心圆网格的扫描路径标刻，直到最后半径最小的同心圆扫描路径标刻完成；
5)对加工后的金属表面圆凹坑进行检测，得到符合设计的金属表面圆凹坑，结束；否则，进行适当的修正激光加工，直到得到符合设计的金属表面圆凹坑。
所述的激光器一般采用皮秒或者飞秒激光器，所述的功率一般为1-100w，重复频率一般为50-1000KHz。
所述的检测可在直到最后半径最小的1-3个同心圆扫描路径激光加工前进行。
所述的不同的同心圆图层，扫描次数可以不同，例如最外两层同心圆区域设置扫描次数为2次，其余层同心圆扫描次数为1次。
所述的同心圆的直径递减间距不能过大，否则会造成圆凹坑底面有环状凸起。
所述的步骤3中，激光器一般采用皮秒或者飞秒激光器，功率一般为1-100w，重复频率一般为50-1000KHz，可以根据实际情况确定。
可根据圆凹坑的形底面貌，调节同心圆网格复合填充路径的具体填充层数、同心圆间隔以及网格填充线间距；具体包括：(1)填充层数越多，同心圆间隔越小，圆凹坑的底面倾斜度越大，越趋近于一个锥形，圆凹坑的平滑度越高。(2)当同心圆间隔大到一个程度时，圆凹坑底部会出现明显的环形凸起。(3)当圆凹坑中间过深时，可以适当去掉中间几个同心圆的扫描路径。
本发明的有益效果在于：提供了一种金属表面圆凹坑的激光加工方法，在不增加硬件成本的情况下解决了普通扫描路径造成的圆凹坑底部中间凸起且形状不易控制的问题。该方法简便易操作、成本低、适用范围广的优点。
附图说明
图1是本发明金属表面圆凹坑的激光加工方法流程图。
图2是本发明所采用的激光加工装置实施例图。
图3是本发明实施例所采用的两个扫描路径，图3(a)是传统的单层网格填充扫描路径，图3(b)是本发明提出的同心圆网格复合填充路径。
图4是本发明实施例中在扫描路径图3(a)下加工的圆凹坑的白光干涉形貌图。
图5是本发明实施例中在扫描路径图3(b)下加工的圆凹坑的白光干涉形貌图。
图中：1、超短脉冲激光器；2、第一反射镜；3、第二反射镜；4、扩束镜；5、第三反射镜；6、第四反射镜；7、扫描振镜；8、聚焦场镜；9、金属样品；10、位移平台。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
实施例：
图1金属表面圆凹坑的激光加工方法流程图。
一种金属表面圆凹坑的激光加工方法，包括下列步骤：
1)根据所需加工圆凹坑设计同心圆网格复合激光加工路径：
①根据所需加工圆凹坑的直径来确定同心圆的个数，最大同心圆的直径为所述的圆凹坑的直径，之后每个同心圆的直径自外向内依次递减，直径递减的间距为10-50um；
②根据所需圆凹坑的深度确定同心圆网格的激光加工线间距，线间距的范围为2-10um，深度越大，线间距越小；
2)将设计的路径导入到计算机的标刻软件中，确定激光加工参数的设定值，包括激光加工的位置，激光加工的功率、重复频率、扫描速度和整体扫描次数；
3)将待加工的金属表面固定机床上，将所述的激光器输出激光的焦点调节在待加工的表面上，激光束的中心与所述的待加工的金属表面圆凹坑的中心重合，将所述的激光器的激光输出的功率和重复频率调节到设定值；
4)在计算机的控制下，驱动所述的机床或激光器，使所述的激光器输出的激光的沿着扫描路径开始标刻：先最外最大同心圆网格的扫描路径开始标刻，然后通过计算机控制，将每个同心圆网格填充路径放置到不同图层，依次按直径缩小的同心圆网格的扫描路径标刻，直到最后半径最小的同心圆扫描路径标刻完成；
5)对加工后的金属表面圆凹坑进行检测，得到符合设计的金属表面圆凹坑，结束；否则，进行适当的修正激光加工，直到得到符合设计的金属表面圆凹坑。
所述的激光器一般采用皮秒或者飞秒激光器，所述的功率一般为1-100w，重复频率一般为50-1000KHz。
所述的检测可在直到最后半径最小的1-3个同心圆扫描路径激光加工前进行。
所述的不同的同心圆图层，扫描次数可以不同，例如最外两层同心圆区域设置扫描次数为2次，其余层同心圆扫描次数为1次。
所述的同心圆的直径递减间距不能过大，否则会造成圆凹坑底面有环状凸起。
实施例
要求圆凹坑直径为200um，因此设计同心圆递减间隔为30um，6层同心圆相叠加，其中最外两层同心圆区域设置扫描次数为2次，其余层同心圆扫描次数为1次；
要求圆凹坑深度在40um左右，因此设计网格填充线间距为5um。
本实施例中扫描速度为8000mm/s，扫描次数为1次；
图2是本发明实施例所采用的激光加工装置图。图中：1、超短脉冲激光器；2、第一反射镜；3、第二反射镜；4、扩束镜；5、第三反射镜；6、第四反射镜；7、扫描振镜；8、聚焦场镜；9、金属样品；10、位移平台。
超短脉冲激光器为紫外皮秒激光器，功率设计为6w，重复频率为500khz。
为了凸显本发明设计路径的优越性，我们设计了一组对比实验，图3(a)是普通的单层网格填充扫描路径，圆直径为200um，网格填充线间距为5um，总体扫描次数为4次；
图3(b)为依据本发明提供的方法设计的同心圆网格复合填充路径，最外圈大圆直径为200um，同心圆间隔为30um，网格填充线间距为5um，6层同心圆相叠加，其中最外两层同心圆区域设置扫描次数为2次，其余层同心圆扫描次数为1次，得到最终的扫描路径。
将激光器功率设置为8w，重复频率设置为500KHz，分别沿着图3(a)和图3(b)扫描路径加工金属表面时，对加工的圆凹槽进行白光干涉检测，得到相应的白光干涉形貌图：图4和图5。对比图4和图5可以发现，采用普通的单层网格填充扫描路径加工的圆凹坑底面中间会有很明显的凸起，而采用本发明提供的同心圆网格复合填充路径加工的圆凹坑底面比较平滑，不会有凸起，形貌更接近于圆凹坑。
以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种金属表面圆凹坑的激光加工方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)根据所需加工圆凹坑设计同心圆网格复合激光加工路径：
①根据所需加工圆凹坑的直径来确定同心圆的个数，最大同心圆的直径为所述的圆凹坑的直径，之后每个同心圆的直径自外向内依次递减，直径递减的间距为10-50um；
②根据所需圆凹坑的深度确定同心圆网格的激光加工线间距，线间距的范围为2-10um，深度越大，线间距越小；
2)将设计的路径导入到计算机的标刻软件中，确定激光加工参数的设定值，包括激光加工的位置，激光加工的功率、重复频率、扫描速度和整体扫描次数；
3)将待加工的金属表面固定机床上，将激光器输出激光的焦点调节在待加工的表面上，激光束的中心与所述的待加工的金属表面圆凹坑的中心重合，将所述的激光器的激光输出的功率和重复频率调节到设定值；
4)在计算机的控制下，驱动所述的机床或激光器，使所述的激光器输出的激光的沿着扫描路径开始标刻：先最外最大同心圆网格的扫描路径开始标刻，然后通过计算机控制，将每个同心圆网格填充路径放置到不同图层，依次按直径缩小的同心圆网格的扫描路径标刻，直到最后半径最小的同心圆扫描路径标刻完成；
5)对加工后的金属表面圆凹坑进行检测，得到符合设计的金属表面圆凹坑，结束；否则，进行适当的修正激光加工，直到得到符合设计的金属表面圆凹坑。
2.根据权利要求1所述的金属表面圆凹坑的激光加工方法，其特征在于，所述的激光器采用皮秒或者飞秒激光器，所述的功率为1-100w，重复频率为50-1000KHz。
3.根据权利要求1所述的金属表面圆凹坑的激光加工方法，其特征在于，所述的检测在直到最后半径最小的1-3个同心圆扫描路径激光加工前进行。
4.根据权利要求1所述的金属表面圆凹坑的激光加工方法，其特征在于，不同的同心圆图层，扫描次数不同，最外两层同心圆区域设置扫描次数为2次，其余层同心圆扫描次数为1次。
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