CN114260559A - 一种随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，涉及特种加工激光领域，包括如下步骤：选定激光加工系统；确定激光扫描诱导加工参数范围；将待加工零件装夹；绘制激光扫描路径；开启激光从而实现对待加工工件表面的激光扫描诱导加工。本发明通过调节控制激光扫描诱导等参数以利用飞溅物遮挡和壁聚焦效应的耦合作用从而实现激光扫描诱导加工出随机微孔表面。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及到一种随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法。是基于飞溅物遮挡和孔壁聚焦效应而实现的随机微孔表面纳秒激光扫描诱导制备方法。
背景技术
随机微孔表面是指具有微米尺度多孔且孔位置随机分布的表面，这样的表面可用作织构摩擦副表面，也可用于调控表面与液体工作介质的相互作用(如实现超疏水性能)，具有潜在的应用价值，近年来得到了广泛的关注。
一般情况下，表面上的微孔是通过确定性的方法加工出来，所加工微孔的位置存在确定性，例如通过微孔钻削、微孔电加工、激光打孔及模板刻蚀方法制备。随机微结构可通过腐蚀的方式来实现，例如，在太阳能电池领域广泛采用的腐蚀技术(CN201710127031.7)和在超疏水表面研究中的铝板材溶液腐蚀工艺(CN201910221563.6)，但这些工艺只能用于制备随机凸起结构表面，很难用于制备出随机微孔。最近，采用液体环境下的激光加工可在表面可以构造出随机微孔(Applied Surface Science 462(2018)847–855)，但这种工艺只能在液体环境下实现，其应用受到限制。从微观角度来看，激光加工过程中飞溅物的溅出过程是一个随机过程，由于飞溅物溅出后对激光束存在一定的遮挡作用，所以激光扫描后的表面形貌理应具有一定的随机性。但一般的激光加工中，飞溅物形成的随机表面形貌对激光加工确定结构影响很小，所加工的孔或槽位置具有确定性。此外，在激光加工中，一般的微孔或微槽都是通过在同一位置施加多个激光脉冲来实现，较深的孔加工中存在壁聚焦效应。基于这一原理，若激光加工中形成微孔后，与微孔位置相近(减小作用点间距或降低扫描速度)的脉冲作用也将会存在壁聚焦效应，而超出微孔范围的激光作用于飞溅物上，实现飞溅物遮挡和壁聚焦效应的耦合作用。在这种耦合作用下，所形成的微孔位置受到飞溅物的随机性影响，其位置也具有随机性，即实现随机微孔表面制备。
但是，一般的加工工艺只能用于加工确定位置的结构，而工业领域用于制备随机结构的工艺不能实现随机微孔的制备。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，通过调节控制激光扫描诱导等参数以利用飞溅物遮挡和壁聚焦效应的耦合作用从而实现激光扫描诱导加工出随机微孔表面。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，包括如下步骤：
选定激光加工系统；
确定激光扫描诱导加工参数范围；
将待加工零件装夹；
绘制激光扫描路径；
开启激光从而实现对待加工工件表面的激光扫描诱导加工。
进一步的，在选定激光加工系统步骤中，激光加工系统选脉冲激光器，脉宽小于500纳秒，激光光斑直径在20微米到100微米，激光功率大于10瓦，扫描步长或脉冲频率与最低扫描速度的乘积小于激光光斑半径的1/3。
进一步的，在确定激光加工参数范围步骤中，将与待加工工件材料具有相同材料的平板试样放置于激光加工系统平台，采用不同功率P的激光单脉冲对试样表面进行加工，最终确定激光功率阈值P0及与功率P关联的系列激光烧蚀半径r(P)。
进一步的，还包括将加工零件装夹于激光加工系统平台步骤，使待加工表面的法线与激光光轴间的夹角小于5°。
进一步的，还包括调整激光束与零件的待加工表面之间的相互位置步骤，使待加工表面区域处于激光束焦平面上下0.5mm的范围内。
进一步的，在绘制激光扫描路径步骤中，根据加工区域的要求，通过软件系统绘制与加工区域一致形状的线框图案，再通过线条填充的方式在线框内绘制线条。
进一步的，绘制线条的间距小于最小烧蚀半径的1/2且大于2μm的平行线条，绘制的线条即充满线框。
进一步的，激光扫描诱导加工参数，激光功率P设置为大于激光功率阈值P0；扫描速度根据公式v＝f×d设置，其中v为扫描速度，f为脉冲频率，d为点间距，取值范围为r(P)/10<d<r(P)/3，r(P)根据预实验测出；扫描次数设置为大于1次且小于5次。
进一步的，在开启激光从而实现表面的扫描加工步骤中，开启激光且开启激光加工系统的振镜扫描，使激光光斑按绘制的线条顺序运动，从而诱导出表面的随机微孔。
本发明具有如下技术优势：
1.本发明通过调整控制激光扫描诱导等参数以利用飞溅物遮挡和壁聚焦效应的耦合作用从而实现激光扫描诱导加工出随机微孔表面。
2.本发明中随机孔表面的制备在大气氛围下实现，受到制备环境的约束很小。
3.本发明中将加工表面区域的法线与激光束的光轴间的夹角小于5°可以确保加工表面置于焦平面上的同时确保激光强度能够对表面扫描诱导加工。
附图说明
图1随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导方法流程；
图2小加工区域零件的装夹示意图；
图3大加工区域零件的装夹示意图；
图4扫描路径的绘制流程示意图；
图5激光及扫描参数的设置示意图；
图6加工的随机微孔表面扫描电镜图。
附图标记如下：
1-激光加工系统平台，2-垫片，3-待加工零件，4-激光束，5-激光束光轴，6-激光束焦平面，7-激光加工幅面范围，8-激光头，9-待加工表面，10-辅助二维移动平台，11-与加工区域一致形状的线框图案，12-填充线条，13-脉冲频率设置框，14-激光功率设置框，15-扫描速度设置框，16-扫描次数设置框，17-激光扫描加工开启键，18-随机微孔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合附图1所示，制备随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导方法，包括如下步骤：
选定合适参数的激光加工系统；
基于激光加工系统和待加工零件材料开展预实验以确定加工参数范围；
将待加工零件装夹于激光加工系统平台并调整好激光束与零件的待加工表面之间的相互位置；
在纳秒激光加工系统的软件系统里绘制激光扫描路径；
通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的加工参数；
开启激光从而实现表面的扫描加工。
选定合适参数的激光加工系统。选定的激光加工系统需要是脉冲激光，脉宽需要小于500纳秒，激光光斑直径在20微米到100微米的范围，激光加工系统的激光功率大于10瓦，激光加工的扫描步长或脉冲频率与最低扫描速度的乘积小于激光光斑半径的1/3。
基于激光加工系统和待加工零件材料开展预实验以确定加工参数范围。准备与待加工零件材料具有相同材料的平板试样，将试样作为附图2中的待加工零件3放置于激光加工系统平台1上，通过调整垫片2调整试样表面与激光束4的光轴5垂直，并通过调整激光加工系统平台1的高度或激光头8的高度使试样表面在激光束焦平面6上下0.5mm的范围内。采用多种不同功率P的激光单脉冲对试样表面进行加工，通过显微镜观察确定试样表面出现喷溅的激光功率阈值P0及与每个功率值P对应的激光烧蚀半径r(P)。
其次是需要将待加工零件装夹于激光加工系统平台并调整好激光束与零件的待加工表面之间的相互位置。
对于待加工表面区域9在激光加工幅面7范围之内的情况，即待加工表面区域9长宽皆小于激光加工幅面7长宽，参见附图2首先将待加工零件3放置于激光加工系统平台1，而后通过移动待加工零件3的方式使待加工表面区域9处于激光加工幅面范围7内，且通过在待加工零件3与激光加工系统平台1间添加垫片2的方式调节待加工表面区域9，使待加工表面区域9的法线与激光束4的光轴5间的夹角小于5°。对于待加工表面区域9大于激光加工幅面范围7的情况，即待加工表面区域9长宽至少有部分大于激光加工幅面7长宽，参见附图3，首先在激光加工系统平台1上放置辅助二维移动平台10，再在辅助二维移动平台10上放置待加工零件3，并通过在待加工零件3与激光加工系统平台1间添加垫片2的方式调节待加工表面区域9，使待加工表面区域9的法线与激光束4的光轴5间的夹角小于5°，待一次加工结束后，通过移动辅助二维移动平台10来实现大表面区域的逐次加工。进一步，对于以上的两种情况，通过调整激光头8的高度或激光加工系统平台1的高度，使待加工表面区域9处于激光束焦平面6上下0.5mm的范围内。
结合附图4，在纳秒激光加工系统的软件系统里绘制激光扫描路径。首先通过软件系统的图形绘制工具绘制扫描区域轮廓线框图案11，图案11形状根据加工区域的形状来确定，例如可以是圆形、方形、椭圆形或其他复杂图形等形状；选定扫描区域轮廓线框图案11，通过填充线条的操作在扫描区域轮廓线框图案11中填充平行线条12，平行线条间的间距取值需要小于最小烧蚀半径的1/2且大于2μm，平行线条12充满扫描区域轮廓线框图案11。
结合附图5，通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的加工参数。,在激光功率设置框14将激光功率P设置为大于激光功率阈值P0的值；在脉冲频率设置框13中读出激光脉冲频率f；在扫描速度设置框15中设定扫描速度，扫描速度的计算公式为v＝f×d，其中v为扫描速度，f为脉冲频率，d为点间距，点间距的取值范围为r(P)/10<d<r(P)/2，r(P)根据预实验测出；在扫描次数设置框16中设置扫描次数为大于1次且小于5次的值。
开启激光从而实现表面的扫描加工。点击激光扫描加工开启键17开始表面的扫描加工。开启激光且开启激光加工系统的振镜扫描，使激光光斑按前述绘制的线条顺序运动，从而诱导出表面的随机微孔。
实施例
待加工零件3材料为1060铝合金板，激光加工平台为20瓦的纳秒激光加工平台，激光波长为1064nm，激光脉冲频率为20kHz。
待加工零件3为1060铝合金板，通过放置零件并调节激光头8，使1060铝合金板待加工表面处于激光焦平面上下0.5mm范围内，通过预实验确定激光阈值功率为2瓦，在6瓦时单脉冲激光在1060铝合金板上加工孔的半径为21μm。
经过预实验确定参数后，选择大于阈值的加工功率为6瓦对1060铝合金板进行扫描诱导加工(在同一1060铝合金板上加工，装夹过程相同，从略)。
在系统里绘制5mm×5mm的方框作为扫描区域轮廓线框图案，根据6瓦时单脉冲激光在1060铝合金板上加工孔的半径为21μm，在线框图案内填充间距为10μm的平行线条。
在纳秒激光加工系统的软件系统设置相关参数，激光功率为30％(6瓦)；根据6瓦时单脉冲激光在1060铝合金板上加工孔的半径为21μm，确定点间距d为10μm，再根据激光脉冲频率20kHz和点间距10μm确定扫描速度为200mm/s。再设置扫描次数为2次，点击激光扫描加工开启键开始表面的扫描加工，所加工出的表面随机微孔的扫描电镜图片如附图6所示，其中布满随机微孔18。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
选定激光加工系统；
确定激光扫描诱导加工参数范围；
将待加工零件装夹；
绘制激光扫描路径；
开启激光从而实现对待加工工件表面的激光扫描诱导加工。
2.根据权利要求1所述的随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，在选定激光加工系统步骤中，激光加工系统选脉冲激光器，脉宽小于500纳秒，激光光斑直径在20微米到100微米，激光功率大于10瓦，扫描步长或脉冲频率与最低扫描速度的乘积小于激光光斑半径的1/3。
3.根据权利要求1所述的随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，在确定激光扫描诱导加工参数范围步骤中，将与待加工工件材料具有相同材料的平板试样放置于激光加工系统平台，采用不同功率P的激光单脉冲对试样表面进行加工，最终确定激光功率阈值P0及与功率P关联的系列激光烧蚀半径r(P)。
4.根据权利要求3所述的随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，激光扫描诱导加工参数，激光功率P设置为大于激光功率阈值P0；扫描速度根据公式v＝f×d设置，其中v为扫描速度，f为脉冲频率，d为点间距，取值范围为r(P)/10<d<r(P)/3，r(P)根据预实验测出；扫描次数设置为大于1次且小于5次。
5.根据权利要求1所述的随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，还包括将加工零件装夹于激光加工系统平台步骤，使待加工表面的法线与激光光轴间的夹角小于5°。
6.根据权利要求1所述的随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，还包括调整激光束与零件的待加工表面之间的相互位置步骤，使待加工表面区域处于激光束焦平面上下0.5mm的范围内。
7.根据权利要求1所述的随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，在绘制激光扫描路径步骤中，根据加工区域的要求，通过软件系统绘制与加工区域一致形状的线框图案，再通过线条填充的方式在线框内绘制线条。
8.根据权利要求7所述的随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，绘制线条的间距小于最小烧蚀半径的1/2且大于2μm的平行线条，绘制的线条即充满线框。
9.根据权利要求1所述的随机微孔表面的纳秒激光扫描诱导制备方法，其特征在于，在开启激光从而实现表面的扫描加工步骤中，开启激光且开启激光加工系统的振镜扫描，使激光光斑按绘制的线条顺序运动，从而诱导出表面的随机微孔。
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