一种修复铜薄膜疲劳损伤的多次激光辐照处理方法技术

一种修复铜薄膜疲劳损伤的多次激光辐照处理方法,该激光辐照修复装置包括脉冲激光器、光路装置、试样固定装置和导轨；固定铜薄膜试样；调整光路装置和试样固定装置在同一高度；确定激光光斑大小；控制单脉冲能量和脉冲个数进行激光辐照处理；激光辐照处理后，取下铜薄膜试样；制备疲劳损伤；重复上述过程，直至试样断裂。本发明专利技术改善了铜薄膜疲劳性能，通过多次激光辐照处理可以有效地修复疲劳损伤，从而不断提高其疲劳寿命，使其总疲劳寿命最大化。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】,该激光辐照修复装置包括脉冲激光器、光路装置、试样固定装置和导轨；固定铜薄膜试样；调整光路装置和试样固定装置在同一高度；确定激光光斑大小；控制单脉冲能量和脉冲个数进行激光辐照处理；激光辐照处理后，取下铜薄膜试样；制备疲劳损伤；重复上述过程，直至试样断裂。本专利技术改善了铜薄膜疲劳性能，通过多次激光辐照处理可以有效地修复疲劳损伤，从而不断提高其疲劳寿命，使其总疲劳寿命最大化。【专利说明】
本专利技术属于机械制造与激光加工应用
，特指一种激光辐照多次修复铜薄膜疲劳损伤的方法。
技术介绍
铜薄膜广泛地应用于大规模集成电路及微电子机械系统中，在服役过程中常常由于受到循环应力应变的作用而失效甚至破坏，从而带来较大的经济损失甚至出现生命危险，因此铜薄膜的失效问题以及采取有效的方法进行损伤修复是至关重要的。激光辐照处理是指将激光直接照射到金属表面，利用激光与金属材料间的相互作用实现对金属材料的改性处理，属于激光表面处理的范畴。激光辐照处理的原理是当激光照射到金属表面时，材料吸收激光能量使表面温度迅速升高，又由于辐照作用时间很短以及金属材料具有较好的导热性，温度快速冷却。这种快速加热和冷却处理使金属材料表面组织发生变化，这不仅能够有效地修复疲劳损伤，而且还能够多次提高其疲劳寿命，使其总疲劳寿命最大化。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决如何最大程度提高多晶铜薄膜材料疲劳寿命的问题，提供一种多次激光辐照修复疲劳损伤的 方法。通过多次激光辐照处理不断地提高铜薄膜材料的疲劳寿命，实现总疲劳寿命最大化，从而解决实际工程应用中微小构件易受循环载荷而失效的难题。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为，其步骤为:步骤I):提供制备疲劳损伤装置4和激光辐照修复装置，所述制备疲劳损伤装置4为微疲劳试验机，通过上夹具41和下夹具42夹持铜薄膜试样5 ;激光辐照修复装置包括紫外准分子脉冲激光器1、光路装置2、试样固定装置3和导轨6，所述光路装置2包括固定螺栓21、凸透镜22、光路支架23和光路底座24 ;试样固定装置3包括金属板31、磁铁片32、固定装置支架33和固定装置底座34 ;首先，将光路支架23安装到光路底座24上，所述光路支架23为双节点套筒伸缩机构，其高度可通过底部的调节螺母自由调节；手持凸透镜22，将其放置在光路支架23内框架的中间位置，通过拧紧固定螺栓21将凸透镜22固定住；其次，通过拧紧固定装置支架33上的两个螺栓将金属板31安装到固定装置支架33上，再将固定装置支架33安装到固定装置底座34上，固定装置支架33的高度是可以调节的；最后，将导轨6放置在激光器I的正前方，再分别将光路装置2和试样固定装置3放置在导轨6上；步骤2):随机选取铜薄膜试样。利用2个磁铁片32将铜薄膜试样5固定在试样固定装置3中的金属板31中心位置；步骤3):调整光路装置和试样固定装置的高度，使之与激光发射口在一条直线上；步骤4):通过调整光路装置和试样固定装置在导轨上的距离来调整激光光斑的大小;步骤5):通过激光器控制系统控制单脉冲能量和脉冲个数进行激光辐照处理；步骤6):激光辐照处理后，将铜薄膜试样从试样固定装置上取下；步骤7):通过微疲劳试验机对试样施加脉动循环，制备疲劳损伤；步骤8):重复步骤2)、3)、4)、5)、6)、7)，直至试样断裂。进一步，所述步骤I)中的脉冲激光器为紫外准分子脉冲激光器；操作顺序是先进行激光辐照再制备疲劳损伤；多次进行激光辐照处理和制备疲劳损伤过程，直至试样断裂。本文专利技术多次修复疲劳损伤工艺方法的创新在于:激光辐照试验搭建的装置简单且方便调整；在第一次制备疲劳损伤前进行一次激光辐照处理，这是一种强化手段，能明显提高疲劳强度；激光辐照处理过程中，试样表面不涂覆任何涂层，减少了对试样的额外损伤或腐蚀，工艺简单，方法实用，有很强的应用潜力。本专利技术方法的有益效果在于:通过采用上述多次修复疲劳损伤的方法使材料表面发生了微熔化，晶粒明显细化，改善了试样的表面质量，这不仅能有效地修复铜薄膜的疲劳损伤，还能显著地提高其疲劳寿命，通过多次激光辐照处理使总疲劳寿命实现了最大化的提闻。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术中多次激光辐照修复铜薄膜疲劳损伤的流程图。图2为本专利技术中多次激光辐照修复铜薄膜疲劳损伤的示意图。图3为本专利技术中铜薄膜试样修复过程中的光路装置示意图。图4为本专利技术中铜薄膜试样修复过程中的试样固定装置示意图。图5为本专利技术中制备铜薄膜试样疲劳损伤的疲劳试验机示意图。图1至图5中:1、紫外准分子脉冲激光器，2、光路装置，3、试样固定装置，4、疲劳试验机，5、铜薄膜试样，6、导轨，21、固定螺栓，22、凸透镜，23、光路支架，24、光路底座，31、金属板，32、磁铁片，33、固定装置支架，34、固定装置底座，41、上夹具，42、下夹具。【具体实施方式】下面结合附图，通过举例进一步阐明本专利技术方法的具体操作流程，请参阅图1至图5。激光辐照处理原始试样，对试样施加最大主应力为140MPa的脉动循环，循环至3倍的原始寿命，再对其进行激光辐照处理，依次类推，直至试样断裂。对，其步骤为: 步骤I):提供制备疲劳损伤装置4和激光辐照修复装置，所述制备疲劳损伤装置4为微疲劳试验机，通过上夹具41和下夹具42夹持铜薄膜试样5 ;激光辐照修复装置包括紫外准分子脉冲激光器1、光路装置2、试样固定装置3和导轨6，所述光路装置2包括固定螺栓21、凸透镜22、光路支架23和光路底座24 ;试样固定装置3包括金属板31、磁铁片32、固定装置支架33和固定装置底座34 ;首先，将光路支架23安装到光路底座24上，所述光路支架23为双节点套筒伸缩机构，其高度可通过底部的调节螺母自由调节；手持凸透镜22，将其放置在光路支架23内框架的中间位置，通过拧紧固定螺栓21将凸透镜22固定住；其次，通过拧紧固定装置支架33上的两个螺栓将金属板31安装到固定装置支架33上，再将固定装置支架33安装到固定装置底座34上，固定装置支架33的高度是可以调节的；最后，将导轨6放置在激光器I的正前方，再分别将光路装置2和试样固定装置3放置在导轨6上；步骤2):随机选取铜薄膜试样。利用2个磁铁片32将铜薄膜试样5固定在试样固定装置3中的金属板31中心位置；步骤3):调整光路支架23和固定装置支架33的高度，使激光器I发射口、凸透镜22以及铜薄膜试样5缺口处在一条直线上；步骤4):通过调整光路底座24和试样固定装置底座34在导轨6上的距离来调整激光光斑的大小，保证激光光斑的宽度为2毫米；步骤5):通过激光器I控制系统来控制单脉冲能量和脉冲个数，保证作用在试样上的激光能量密度为7KJ/m2，脉冲个数为1，单个脉冲作用的时间为30纳秒；脉冲激光器I发射出的激光束经过光路装置2中凸透镜22的聚焦作用辐照在铜薄膜试样5的缺口处。试样表面发生微熔化，晶粒得到了细化，显著地改善了试样的疲劳性能，提高了疲劳寿命；步骤6):激光辐照处理后，取下2个磁铁片32，将铜薄膜试样5轻轻地从试样固定装置3中的金属板31上取下；步骤7):拧紧上夹具41和下夹具42将铜薄膜试样5垂直地固定在微疲劳试验机4上，对铜薄膜试样5施加最大主应力为140MPa的脉动循环。根据已拟合得到的S-N曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种修复铜薄膜疲劳损伤的多次激光辐照处理方法，其特征为：其步骤为， 步骤1）：提供制备疲劳损伤装置（4）和激光辐照修复装置，所述制备疲劳损伤装置（4）为微疲劳试验机，通过上夹具（41）和下夹具（42）夹持铜薄膜试样（5）；激光辐照修复装置包括紫外准分子脉冲激光器（1）、光路装置（2）、试样固定装置（3）和导轨（6），所述光路装置（2）包括固定螺栓（21）、凸透镜（22）、光路支架（23）和光路底座（24）；试样固定装置（3）包括金属板（31）、磁铁片（32）、固定装置支架（33）和固定装置底座（34）；首先，将光路支架（23）安装到光路底座（24）上，所述光路支架（23）为双节点套筒伸缩机构，其高度可通过底部的调节螺母自由调节；手持凸透镜（22），将其放置在光路支架（23）内框架的中间位置，通过拧紧固定螺栓（21）将凸透镜（22）固定住；其次，通过拧紧固定装置支架（33）上的两个螺栓将金属板（31）安装到固定装置支架（33）上，再将固定装置支架（33）安装到固定装置底座（34）上，固定装置支架（33）的高度是可以调节的；最后，将导轨（6）放置在激光器（1）的正前方，再分别将光路装置（2）和试样固定装置（3）放置在导轨（6）上； 步骤2）：随机选取铜薄膜试样；利用2个磁铁片（32）将铜薄膜试样（5）固定在试样固定装置（3）中的金属板（31）中心位置； 步骤3）：调整光路装置和试样固定装置的高度，使之与激光器发射口在一条直线上； 步骤4）：通过调整光路装置和试样固定装置在导轨上的位置来 调整激光光斑的大小； 步骤5）：通过激光器控制系统控制单脉冲能量和脉冲个数进行激光辐照处理； 步骤6）：激光辐照处理后，将铜薄膜试样从试样固定装置上取下； 步骤7）：通过微疲劳试验机对试样施加脉动循环，制备疲劳损伤； 步骤8）：重复步骤2）、3）、4）、5）、6）、7），直至试样断裂。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尚德广，刘凤珠，郭毓博，任崇刚，刘小冬，张立红，郭振坤，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11