CN117206702A - 一种抑制激光制造锥度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抑制激光制造锥度的方法,包括:在试件上采用预设光参数,对待加工目标轮廓进行正入射往复扫描减材加工至预设深度,或增材沉积至预定厚度,针对目标轮廓的特征结构段,保证光运动轨迹平行于该特征结构段,保证至少在平行于特征结构段的光运动轨迹的匀速性;在预设光参数的情况下,量化被加工结构因截面锥度导致的锥面正投影宽度L,正投影方向与激光入射方向一致;针对试件,利用公式确定光轨迹的稳态扫描速度v,v的方向与目标轮廓夹角为θ,a是加工头扫描运动从速度0达到稳态速度v,或稳态速度从v减到0过程中的加速度的绝对值,k为无量纲系数;将稳态扫描速度v作为正式工件加工的稳态扫描速度。实现总沉积能量空间均化。
Description
技术领域
本申请涉及激光加工的技术领域,特别是一种抑制激光制造锥度的方法。
背景技术
激光加工具有材料普适性、无接触应力、跨尺度加工、工艺柔性高等优势。尤其是近些年快速发展的短脉冲及超短脉冲激光加工,以其独有优势在得到了广泛应用。例如,随着工业级超短脉冲激光(又名超快激光)平均功率向千瓦级迈进,其覆盖领域也快速向激光宏观制造方向迈进:激光切割、激光铣削、激光还原沉积等工艺率先得到应用,已开始用于航空航天、武器装备、电子等行业薄壁硬脆材料切割、超硬材料激光铣削、柔性电路图案沉积、3D打印等典型方向。
尽管短脉冲及超短脉冲激光加工有很多优点,但其光束径向能量天然的高斯分布,使其正入射减材或增材加工时形成的结构具有难以避免的锥度问题,其他种类的激光加工也存在这一问题。锥度问题直接影响了结构的精度,也影响了加工的极限能力。例如,对于激光减材加工,锥度的存在使得切割出的通孔呈现入口大、出口小的问题,极易使孔径超差;当限制切缝的入口宽度时,锥度问题可能直接导致材料无法切透。又如,对于激光增材制造微细金属图案,光束能量的径向高斯分布将导致图案截面不为矩形而是曲边梯形。现有抑制激光加工锥度问题一般有两种途径:通过光电器件将天然的高斯光束整形为能量径向能量分布均化的光束,或利用至少具有四轴联动的加工系统通过光束斜入射抵偿加工锥度。这些方法有其固有优势,但存在需添加额外硬件或实现较为复杂等问题。
因此,需要发展一种简易、高精度、低沉本的锥度抑制甚至消除方法,即如何既不借助四轴或更多轴联动的加工系统,也不对天然的高斯光束进行光束整形便可实现明显的锥度抑制甚至消除的方法。
发明内容
本申请提供一种抑制甚至消除结构制造锥度的方法,目的是针对径向高斯分布脉冲激光天然的加工锥度问题,在不借助光束能量径向均化、多自由度联动斜入射消锥等需要额外硬件附加成本的情况下,利用光轨迹两端启停处欠扫速引起的能量天然过沉积缺陷定量定向补偿高斯光束边缘能量欠沉积,实现总沉积能量空间均化。
第一方面,提供了一种抑制激光制造锥度的方法,包括:
步骤1,在试件上采用预设光参数,对待加工目标轮廓进行正入射往复扫描减材加工至预设深度,或增材沉积至预定厚度,针对目标轮廓的特征结构段,保证光运动轨迹平行于该特征结构段,并保证至少在平行于特征结构段的光运动轨迹的匀速性;
步骤2,量化在所述预设光参数的情况下,被加工结构因截面锥度导致的锥面正投影宽度L,正投影方向与激光入射方向一致;
步骤3,针对试件,利用公式确定光轨迹的稳态扫描速度v,v的方向与目标轮廓夹角为θ,a是加工头扫描运动从速度0达到稳态速度v,或稳态速度从v减到0过程中的加速度的绝对值,k为无量纲系数;
步骤4,将步骤3得到的稳态扫描速度v作为正式工件加工的稳态扫描速度。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述步骤4包括:
检测试件目标结构锥度是否满足需求,若不满足,跳转至步骤1或步骤3执行,直到截面锥度满足需求,并将满足需求的稳态扫描速度v用于正式工件的制造。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述跳转至步骤1,包括:
在试件上采用与前一迭代循环中不同的光参数,对待加工目标轮廓进行正入射往复扫描减材加工至预设深度,或增材沉积至预定厚度。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述跳转至步骤3,包括:
在试件上采用与前一迭代循环中不同的轨迹参数,包括以下至少一项:θ,k,v。
结合第一方面,在第一方面的某些实现方式中,所述方法满足以下至少一项:
待加工工件材料为固态材料;
激光为脉冲激光,单个持续时间<100ms;
θ取值范围定为0<θ≤90°;
k取值范围为[0.5,1.5]。
第二方面,提供了一种抑制激光制造锥度的方法,包括:
根据稳态扫描速度v和预设光参数加工工件,所述稳态扫描速度v满足v的方向与目标轮廓夹角为θ,a是加工头扫描运动从速度0达到稳态速度v,或稳态速度从v减到0过程中的加速度的绝对值,k为无量纲系数,其中,L为在所述预设光参数的情况下、目标轮廓的特征结构段因截面锥度导致的锥面正投影宽度,所述特征结构段通过正入射往复扫描方向至预设深度,或者通过正入射往复增材沉积至预定厚度,所述特征结构段的光运动轨迹平行于该特征结构段,且光运动轨迹具有匀速性。
第三方面,提供了一种激光制造工件,所述激光制造工件通过如上述第一方面至第二方面中的任意一种实现方式中所述的方法制备得到。
第四方面,提供了一种激光制造设备,所述激光制造设备用于执行如上述第一方面至第二方面中的任意一种实现方式中所述的方法。
与现有技术相比,本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果:
(1)本发明提供的一种抑制激光制造锥度的方法,相比较借助光束空间整形后的能量径向分布匀化、多自由度联动斜入射消锥等现有方法,它不需要借助光电器件对空间高斯光束进行平顶化整形,也不需要四轴或更多轴联动的加工系统,是一种经济型好的方法。
(2)本发明提供的一种抑制激光制造锥度的方法,是一种利用光轨迹两端启停处天然欠扫速引起的光能过量沉积缺陷定量定向补偿高斯光束边缘光能欠沉积,实现总沉积能量空间均化进而实现锥度抑制的方法,它利用了激光制造系统中光参数的天然缺陷和光运动轨迹控制的天然缺陷,巧妙地实现了“以缺陷治缺陷”的效果,是一种简单但精密的方法。
(3)本发明提供的一种抑制激光制造锥度的方法,给出了设定稳态扫描速度的量化计算公式,提出的方法适用于激光切割、激光铣削、激光旋切制孔、激光沉积等多种激光减材和激光增材制造方法,且锥度的抑制方法对材料种类具有普适性、锥度抵偿的程度可根据需要灵活调整。因此,本方法又是一种灵活、普适的方法。
附图说明
图1为本发明的一种抑制激光制造锥度的方法流程示意图。
图2为采用本发明后的加工深度为0.6mm时的近零锥结构显微图。
图3为采用本发明前的加工深度为0.3mm时的结构俯视观测显微图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述。
图1为本发明提供的一种抑制激光制造锥度的方法流程示意图。具体步骤如下。
步骤1:考虑平行于目标轮廓特征结构的光运动轨迹,并保证至少在平行于特征结构段的光运动轨迹的匀速性,在试件上用预设光参数及其他加工参数,对待加工目标轮廓的特征结构进行正入射往复扫描减材加工至预设深度,或增材沉积至预定厚度。
具体地,打开加工系统的激光能量,调整加工系统各元件的相对位置和姿态。为了排除因光轨迹天然运动特性缺陷,即轨迹两端启停处因天然欠扫速引起的能量过沉积及其过加工,以暴露仅因光参数缺陷(即高斯光束中间强两边弱)造成的锥度,考虑平行于目标轮廓特征结构的光运动轨迹,保证至少在平行于特征结构段的光运动轨迹的匀速性,然后在试件上用预设的光参数及其他加工参数,对待加工目标轮廓的特征结构进行正入射往复扫描减材加工值预设深度,或增材沉积至预定厚度。待加工工件材料为固态材料。所用激光为脉冲激光,单个持续时间<100ms。
步骤2:量化因被加工结构截面锥度导致的锥面正投影宽度L,即在加工深度最大处或沉积厚度最大处,测量因锥度而导致的偏离加工预设轮廓的最大偏移量。
具体地,测算出因被加工结构截面锥度导致的锥面正投影宽度L,即在加工深度最大处或沉积厚度最大处因锥度而导致的偏离加工预设轮廓的最大偏移量。正投影方向与激光入射方向一致。
步骤3:针对试件,利用提出的公式设定光轨迹的稳态扫描速度v,v的方向与目标轮廓夹角为θ,并设定其他光参数和加工参数开始加工,直到执行完预设的操作。
光轨迹的稳态扫描速度v按以下计算方法量化后设定:
其中,L是步骤2中在加工深度最大处或沉积厚度最大处因锥度而导致的偏离加工预设轮廓的最大偏移量,k是一取值在1附近的无量纲可变参量,取值范围为[0.5,1.5],通常取值为1,kL的物理意义是:利用光轨迹两端启停处欠扫速抵偿实现最优抑锥效果所需的有效长度——考虑到因L无法非常精确的确定,或即使能精确确定但使得光轨迹处于<v的长度正好等于L,并不总是能产生最优的锥度抵偿效果;a是加工头扫描运动从速度0达到稳态速度v,或稳态速度从v减到0过程中的加速度的绝对值,θ是步骤3中轨迹方向与目标轮廓的夹角,θ取值范围定为0<θ≤90°。
步骤4:检测试件目标结构锥度是否满足需求:若不满足,跳转至步骤1或步骤3执行,直到截面锥度满足需求,并将输出结果用于正式工件的制造。
在一些实施例中,可以优先跳转至步骤3,并根据需求调整步骤3中的轨迹参数(包括θ、k、v)。步骤3可以用于在光参数确定的情况下,让光轨迹参数适应光参数。当轨迹参数多次调整后,截面锥度仍不满足需求的情况下,可以跳转至步骤1,并改变光参数,例如调整空间高斯光斑的峰值通量。跳转至步骤1有利于排除光参数不适引入的问题。
具体地,根据结构的尺度和精度,选择光学显微镜、游标卡尺或其他测量手段,检测试件目标结构锥度是否满足需求。若不满足,跳转至步骤2后执行,并根据需求调整步骤3中的参数,直到截面锥度满足需求。将输出结果用于正式工件的制造。
下面结合具体实施例进行进一步说明:
被加工材料为厚度2mm、面积22mm×22mm的人造多晶金刚石,需要在其上加工后留下尺寸为0.3mm×0.3mm×0.6mm、总面积达10mm×10mm的周期性阵列正方柱,相邻正方柱间的盲腔尺寸为0.3mm×0.3mm×0.6mm。
数控激光加工设备的激光器可发出中心波长为532nm的高斯光束,经光路传输和扫描加工头透镜聚焦,投射到工件表面后,可产生单个脉冲持续时间为15ps、脉冲频率为0.1MHz~2MHz可调的单脉冲序列,产生的空间高斯光斑的峰值通量最高可达10J/cm2,按“1/e2”型高斯光斑直径定义的聚焦光斑直径约为60μm。所用扫描振镜加工头扫描加工加速度a=51000m/s2为加工头固有性能。
首先,考虑平行于目标轮廓特征结构的光运动轨迹,保证平行于特征结构段的光运动轨迹的匀速性,然后在试件上用预设的光参数及其他光轨迹参数,对待加工目标轮廓的特征结构进行正入射往复扫描铣削至预设深度。记录下关键的参数,包括脉冲峰值通量F0、一个光斑点位上的等效光斑数n、脉冲重复频率f和扫描铣削的层数N。
其次,量化因截面锥度导致的锥面正投影宽度L。经截面锥度测量,平均锥度为16.5°,即当加工深度为0.6mm时,将产生tan(16.5°)×0.6mm≈0.178mm的锥面正投影宽度L。探究发现,虽然加工锥度是随着加工深度不断变化的(即锥面并不是一个严格的平面),但加工深度为0.2mm、0.4mm、0.6mm时,以成形锥面的平均锥度却稳定在14-17°之间。因此,为了大大减小工作量,不必须加工到0.6mm深度才评估锥度及对应的L,而是可根据深度为0.2mm时的锥角推算加工深度为0.6mm时锥面正投影宽度L。
再次,利用提出的公式设定光轨迹的稳态扫描速度v。由于所用扫描振镜加速度a=51000m/s2、锥面正投影宽度L=0.178mm,预设轨迹速度v方向与目标轮廓的夹角θ=45°,可根据计算公式(取k为典型值1),得到v=5.05m/s。同时,沿用第一步中的关键参数,包括脉冲峰值通量F0、一个光斑点位上的等效光斑数n、脉冲重复频率f和扫描铣削的层数N,以保证因高斯光束分布特性造成的锥度因素贡献度不变。
最后,选择光学显微镜,检测试件目标结构锥度是否满足需求。经观测,发现截面的锥度仅有1°不到(各个方台的断面锥度分布在0°~2°之间),即加工出的结构精度,已非常接近0.3mm×0.3mm×0.6mm的方柱,已完全满足产品的制造需求,无需再迭代精修消锥。故将输出结果用于正式工件的制造。加工的构件局部图如图2所示。
可见,已实现预设的0.3mm×0.3mm×0.6mm阵列正方柱的目标,且各个方台的近零锥面没有出现明显的石墨化等缺陷。可见,所提方法实现了阵列小结构较好的控形与控性加工。
作为对比,若不采用本发明的利用光轨迹两端启停处欠扫速产生的过切作为补偿,则由于高斯光束“中间强两边弱”的特性,将造成如上所述的高达16.5°的平均锥度,因此,当加工预设目标结果为0.3mm×0.3mm×0.3mm的正方柱时,实际产生的是深度0.3mm、入口尺寸在0.3mm×0.3mm但底部尺寸为0.48mm×0.48mm的锥台,如图3所示。且锥面的存在,拦截了不断正入射的以便达到预设加工深度过程中的脉冲能量,这使得上部已经形成的锥面承受了本不该有的能量,这直接造成了金刚石锥面的石墨化。
作为一种共性方法,本发明提供的一种抑制激光制造锥度的方法,显然具有良好的普适性:其利用光轨迹两端启停处天然欠扫速产生的能量过沉积缺陷,定量定向补偿了因高斯光束引起的光斑边缘能量欠沉积,实现了总沉积能量的空间均化。由于不管是激光铣削,还是激光切割,抑或是激光增材制造,其物理本质都是激光能量与物质的相互作用。因此,一旦实现了总沉积能量的空间均化,则抑制甚至彻底消除锥度成为水到渠成的必然结果。可见,本发明还具有简单、可靠的特性,可直接沿用现有大众化设备条件而无需添加任何额外硬件条件即可实现锥度抑制甚至消除,是一种经济性好、易于实现的方法。
本发明虽然以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本发明,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做出可能的变动和修改,因此,本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种抑制激光制造锥度的方法,其特征在于,包括:
步骤1,在试件上采用预设光参数,对待加工目标轮廓进行正入射往复扫描减材加工至预设深度,或增材沉积至预定厚度,针对目标轮廓的特征结构段,保证光运动轨迹平行于该特征结构段,并保证至少在平行于特征结构段的光运动轨迹的匀速性;
步骤2,量化在所述预设光参数的情况下,被加工结构因截面锥度导致的锥面正投影宽度L,正投影方向与激光入射方向一致;
步骤3,针对试件,利用公式确定光轨迹的稳态扫描速度v,v的方向与目标轮廓夹角为θ,a是加工头扫描运动从速度0达到稳态速度v,或稳态速度从v减到0过程中的加速度的绝对值,k为无量纲系数;
步骤4,将步骤3得到的稳态扫描速度v作为正式工件加工的稳态扫描速度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤4包括:
检测试件目标结构锥度是否满足需求,若不满足,跳转至步骤1或步骤3执行,直到截面锥度满足需求,并将满足需求的稳态扫描速度v用于正式工件的制造。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述跳转至步骤1,包括:
在试件上采用与前一迭代循环中不同的光参数,对待加工目标轮廓进行正入射往复扫描减材加工至预设深度,或增材沉积至预定厚度。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述跳转至步骤3,包括:
在试件上采用与前一迭代循环中不同的轨迹参数,包括以下至少一项:θ,k。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方法满足以下至少一项:
待加工工件材料为固态材料;
激光为脉冲激光,单个持续时间<100ms;
θ取值范围定为0<θ≤90°;
k取值范围为[0.5,1.5]。
6.一种抑制激光制造锥度的方法,其特征在于,包括:
根据稳态扫描速度v和预设光参数加工工件,所述稳态扫描速度v满足v的方向与目标轮廓夹角为θ,a是加工头扫描运动从速度0达到稳态速度v,或稳态速度从v减到0过程中的加速度的绝对值,k为无量纲系数,其中,L为在所述预设光参数的情况下、目标轮廓的特征结构段因截面锥度导致的锥面正投影宽度,所述特征结构段通过正入射往复扫描方向至预设深度,或者通过正入射往复增材沉积至预定厚度,所述特征结构段的光运动轨迹平行于该特征结构段,且光运动轨迹具有匀速性。
7.一种激光制造工件,其特征在于,所述激光制造工件通过如权利要求1至6中任一项所述的方法制备得到。
8.一种激光制造设备,其特征在于,所述激光制造设备用于执行如权利要求1至6中任一项所述的方法。
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