CN114535812A - 一种片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片材微孔群表面的激光直写‑激光扫描诱导协同方法，属于特种加工领域，包括绘制激光直写加工路径；设置激光直写加工参数对片材直写；绘制激光扫描路径；设置激光扫描诱导参数对直写后的片材扫描诱导加工。本发明方法先通过激光直写加工产生微结构，利用这些微结构对后续激光束所产生的遮挡作用和壁聚焦效应，再通过低功率纳秒激光扫描诱导方法实现了在大气环境下的板材或箔材表面微孔群表面的加工，同时对微孔边缘则实现了激光抛光，提升了表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及到的一种片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，通过激光直写-激光扫描诱导协同方法可实现片材微孔群表面的制备。
背景技术
片材微孔群表面是指具有微米尺度孔群的板材或箔材表面，这样的表面可用作织构摩擦副，也可用于调控表面与液体工作介质的相互作用，还可以用于超级电容器等领域，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，片材表面上的微孔是通过微孔钻削、微孔电加工、激光打孔及模板刻蚀等方法制备，但这些方法各有不足，在工业上难以应用，例如，微孔钻削、微孔电加工效率较低，而且钻头的磨损和工具的消耗使得微孔的可控性降低，微孔加工成本大幅提升；而激光打孔产生的微孔边缘有大量溅出物，影响微孔质量；模板刻蚀方法工艺复杂，由于涉及到化学刻蚀，微孔可控性较差。最近，采用水下的激光加工可在表面可以不锈钢表面构造出随机微孔(Applied Surface Science 462(2018)847–855)，但这种工艺只能在水下实现，其应用受到限制，例如，超级电容器中广泛应用的铝材在水下加工容易爆炸。因此，采用一般的工艺加工微孔结构难以满足工业加工需求。而在激光加工中，先加工产生的飞溅物对后加工过程的激光束作用具有一定的遮挡作用，而已加工结构壁面对照射的激光束具有壁聚焦效应。
发明内容
针对上述情况，为了实现对微孔群的加工，需要解决或者利用遮挡作用和壁聚焦效应对微孔群加工工艺的影响。本发明提供一种片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，先通过激光直写加工产生微结构，利用这些微结构对后续激光束所产生的遮挡作用和壁聚焦效应，再通过低功率纳秒激光扫描诱导方法实现在大气环境下的板材或箔材表面微孔群表面的加工。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，包括如下步骤：
绘制激光直写加工路径；
设置激光直写加工参数对片材直写；
绘制激光扫描诱导路径；
设置激光扫描诱导参数对直写后的片材扫描诱导加工。
上述方案中，还包括选择合适参数的激光加工系统，针对激光扫描诱导选取脉冲激光器。
上述方案中，所述脉冲激光器的参数要求有：脉宽小于500纳秒，激光光斑直径D为20μm～100μm，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。
上述方案中，激光直写加工参数为：激光功率P大于3瓦；直写扫描速度根据公式v＝f×d设置，其中，v为激光直写加工扫描速度，f为激光直写加工的激光脉冲频率，d为直写加工点间距，取值范围为D/2<d<2000μm，D为激光光斑直径；扫描次数设置为大于1次且小于20次。
上述方案中，激光扫描诱导参数为：激光功率P为大于0.2瓦且小于4瓦；扫描诱导加工的扫描速度根据公式v1＝f1×d1设置，其中v1为扫描诱导加工的扫描速度，f1为扫描诱导加工的激光脉冲频率，d1为扫描诱导加工点间距，取值范围为D/20<d1<D/4，D为激光光斑直径；扫描次数设置为大于1次且小于5次。
上述方案中，在激光加工系统的软件系统里绘制激光直写加工路径，通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的激光直写加工参数。
上述方案中，在激光加工系统的软件系统里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平行线条，平行线条间距50μm～2000μm，绘制的线条即充满线框。
上述方案中，在激光加工系统的软件系统里绘制激光扫描诱导加工的扫描路径，通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的激光扫描加工参数。
上述方案中，在激光加工系统的软件系统里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间距小于激光光斑直径的1/2且大于2μm的平行线条，绘制的线条即充满线框。
上述方案中，将片材放置于激光加工系统平台并调整好激光束与片材待加工表面之间的相互位置，使片材待加工表面区域处于激光束焦平面上下0.5mm的范围内。
本发明具有的有益效果为：
1.本发明方法基于飞溅物遮挡和壁聚焦效应的耦合作用，通过激光直写加工-纳秒激光扫描诱导加工的方式实现了片材表面微孔群的制备。
2.本发明中片材表面微孔群的制备在大气氛围下实现，受到制备环境的约束很小。
3.本发明方法激光直写加工-纳秒激光扫描诱导的耦合可以实现离散区域的微孔群制备，可以仅在离散区域具有微孔群，其他区域和微孔边缘则实现激光抛光，提升了表面质量。
4.本发明方法中激光扫描诱导过程对前面的激光直写加工产生的表面具有抛光作用，可有效改善表面质量。
附图说明
图1为本发明实施例涉及到片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法流程示意图；
图2激光直写路径的绘制示意图；
图3激光扫描诱导的扫描路径的绘制示意图；
图4直写加工样品与直写加工-激光扫描诱导协同制造样品表面扫描电镜图。
附图标记如下：
1-片材，2-激光直写加工区域边缘轮廓，3-激光直写加工区域，4-激光直写加工路径，5-激光扫描诱导区域边缘轮廓，6-激光扫描诱导路径，7-激光直写加工样品表面，8-激光直写加工微结构，9-激光直写-激光扫描诱导加工样品表面，10-原激光直写加工微结构位置，11-微孔群。
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，片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同制备方法包括如下步骤：
将片材1放置于激光加工系统平台并调整好激光束与片材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直写加工路径；
通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的激光直写加工参数；
开启激光从而实现片材表面的激光直写加工；
在纳秒激光加工系统的软件系统里绘制激光扫描诱导加工的扫描路径；
通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的激光扫描诱导加工参数；
开启激光从而实现表面的激光扫描诱导加工。
将片材1放置于激光加工系统平台并调整好激光束与片材的待加工表面之间的相互位置。具体的，将片材放置于激光加工系统平台，而后通过移动片材的方式使片材待加工区域处于激光加工幅面范围内，并通过调整激光头的高度或激光加工系统平台的高度，使片材待加工表面区域处于激光束焦平面上下0.5mm的范围内。
在纳秒激光加工系统的软件系统里绘制激光直写加工路径。具体的，结合附图2，在片材1对应区域，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激光直写加工区域边缘轮廓2，再通过线条填充的方式在激光直写加工区域3绘制平行线条作为激光直写加工路径4，平行线条间距在50μm到2000μm的范围内取值，绘制的线条即充满线框。
通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的激光直写加工参数。具体的，将激光功率P设置为大于3瓦；激光直写加工的扫描速度根据公式v＝f×d设置，其中v为激光直写加工扫描速度，f为直写加工的激光脉冲频率，d为直写加工点间距，取值范围为D/2<d<2000μm，D为激光光斑直径；扫描次数设置为大于1次且小于20次。
开启激光从而实现片材表面的激光直写加工。具体的，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激光直写加工路径4顺序运动，从而通过直写加工出片材表面的微结构，这些结构主要以沟槽或微孔形式出现。
在纳秒激光加工系统的软件系统里绘制激光扫描诱导加工的扫描路径。具体的，结合附图3，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激光扫描诱导区域边缘轮廓5，再通过线条填充的方式在线框内绘制线间距小于激光光斑直径的1/2且大于2μm的平行线条作为激光扫描诱导路径6，绘制的激光扫描诱导路径6充满激光扫描诱导区域边缘轮廓5。
通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的激光扫描诱导加工参数。具体的，激光功率P取值范围为大于0.2瓦且小于4瓦；扫描诱导加工的扫描速度根据公式v1＝f1×d1设置，其中v1为扫描诱导加工的扫描速度，f1为扫描诱导加工的激光脉冲频率，d1为扫描诱导加工点间距，取值范围为D/20<d1<D/4，D为激光光斑直径；扫描次数设置为大于1次且小于5次。
开启激光从而实现表面的激光扫描诱导加工。具体的，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激光扫描诱导路径6顺序运动，从而诱导出片材表面的微孔群。
本发明中激光直写加工和激光扫描诱导加工可以采用同一加工平台，也可采用不同的纳秒激光加工平台。采用不同激光加工平台时片材在激光扫描诱导加工平台上的放置和位置调整过程与片材在激光直写加工平台上放置和位置调整过程相同。针对直写加工，对激光器没有要求，针对激光扫描诱导，需要选择脉冲激光器，脉冲激光器的参数要求有：脉宽小于500纳秒，激光光斑直径D为20μm～100μm，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。脉冲激光器参数的选择要求可以保证扫描诱导出微孔群，并确保微孔群不会因为激光强度过大造成的塌陷。
实施例
选择片材1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，激光光斑直径为50μm。
片材1为3mm厚平板1060铝合金板，通过放置片材并调节激光头，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。在激光加工系统软件内绘制5mm×5mm的方框，再在方框内填充间距为200微米的平行线条。之后在纳秒激光加工系统的软件系统设置相关参数，将激光功率调节为18瓦，选定激光直写加工点间距d为30μm，再根据激光脉冲频率20kHz和点间距30μm确定扫描速度为600mm/s，再设置扫描次数为2次。点击激光扫描加工开启键开始片材表面的激光直写加工，所加工激光直写加工样品表面7上的激光直写加工微结构(线条)8扫描电镜图片参见附图4左侧扫描电镜图。经过激光直写加工获得激光直写加工微结构8后，再在系统里绘制5mm×5mm的方框作为激光扫描诱导区域轮廓线框，在线框图案内填充间距为10μm的平行线条作为激光扫描路径。将激光功率设置为2瓦；根据点间距选择依据选定点间距d1为10μm，再根据激光脉冲频率20kHz和点间距10微米确定扫描速度为200mm/s，设置扫描次数为1次。点击激光扫描加工开启键开始片材表面的激光扫描诱导加工，所加工出激光直写-激光扫描诱导加工样品表面9上的微孔群11的扫描电镜图片参见附图4右侧扫描电镜图所示，可以看出在原激光直写加工微结构位置10区域及附近产生了大量微孔，而其他区域表现较为光滑，从而可以印证激光直写加工-纳秒激光扫描诱导的耦合可以实现微孔群制备，对微孔边缘则实现了激光抛光，提升了表面质量。
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 (10)
1.一种片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，包括如下步骤：
绘制激光直写加工路径；
设置激光直写加工参数对片材直写；
绘制激光扫描诱导路径；
设置激光扫描诱导参数对直写后的片材扫描诱导加工。
2.根据权利要求1所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，还包括选择合适参数的激光加工系统，针对激光扫描诱导选取脉冲激光器。
3.根据权利要求2所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，所述脉冲激光器的参数要求有：脉宽小于500纳秒，激光光斑直径D为20μm～100μm，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。
4.根据权利要求1所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，激光直写加工参数为：激光功率P大于3瓦；直写扫描速度根据公式v＝f×d设置，其中，v为激光直写加工扫描速度，f为激光直写加工的激光脉冲频率，d为直写加工点间距，取值范围为D/2<d<2000μm，D为激光光斑直径；扫描次数设置为大于1次且小于20次。
5.根据权利要求1所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，激光扫描诱导参数为：激光功率P为大于0.2瓦且小于4瓦；扫描诱导加工的扫描速度根据公式v1＝f1×d1设置，其中v1为扫描诱导加工的扫描速度，f1为扫描诱导加工的激光脉冲频率，d1为扫描诱导加工点间距，取值范围为D/20<d1<D/4，D为激光光斑直径；扫描次数设置为大于1次且小于5次。
6.根据权利要求1所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，在激光加工系统的软件系统里绘制激光直写加工路径，通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的激光直写加工参数。
7.根据权利要求6所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，在激光加工系统的软件系统里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平行线条，平行线条间距50μm～2000μm，绘制的线条即充满线框。
8.根据权利要求1所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，在激光加工系统的软件系统里绘制激光扫描诱导加工的扫描路径，通过纳秒激光加工系统的软件系统设置适当的激光扫描加工参数。
9.根据权利要求1所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，在激光加工系统的软件系统里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间距小于激光光斑直径的1/2且大于2μm的平行线条，绘制的线条即充满线框。
10.根据权利要求1所述的片材微孔群表面的激光直写-激光扫描诱导协同方法，其特征在于，将片材放置于激光加工系统平台并调整好激光束与片材待加工表面之间的相互位置，使片材待加工表面区域处于激光束焦平面上下0.5mm的范围内。
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