激光空泡空化的光电化学三维加工方法及装置制造方法及图纸

一种激光空泡空化的光电化学三维加工方法及装置，属于制造技术的特种复合加工领域。该方法利用激光束照射在溶液中工件表面产生气泡后，由于气泡溃灭形成的空泡空化作用与电化学反应复合，使得工件材料在光电化学反应作用下被去除，实现刻蚀加工，装置中由计算机控制灰度图形显示的液晶屏作为掩模板，当激光束通过该液晶掩模时，产生具有灰度特征的图像对激光光斑内能量分布进行空间调制。工件上激光辐照能量高的区域，空泡空化作用强，光电化学反应速度快，蚀除量大；能量低的区域，与之相反，从而实现三维立体图形的加工。本发明专利技术适用于导电金属材料的去除加工，通过计算机控制液晶掩模的灰度图形显示，能够显著提高复杂三维图形的加工效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制造技术中的特种复合加工领域，特指一种激光空泡空化的光电化学 三维加工方法及装置，适用于导电类金属材料的无接触三维成形加工。
技术介绍
电化学加工和激光加工都属于特种加工技术。其中，电化学加工是利用电化学反 应溶解去除工件材料，实现成形加工的制造技术。激光加工是利用具有高能量密度的激光 束照射在工件表面，使其发生形态、组织变化的制造技术。当电化学反应受到高能量激光照 射后，在电极表面会产生一系列的光、热、非线性效应，使材料表面发生光电化学反应。与常 规电化学反应相比，光电化学反应具有显著的特点(1)激光照射区域的电化学极化电位发生变化，电极的平衡电位正移，从而使电极 反应的活化能降低，电化学反应更容易发生。而且激光越强，电位的正向移动越大。(2)合适的激光波长能够引起体系中的光能吸收，由于激光的空间分辨高，可以只 在基体上光照的区域内激发、诱导光电化学反应，从而使其在定域电化学反应研究中发挥重要作用。(3)电极材料在吸收激光能量后将其转化为热能，在电极/溶液界面处形成温度 梯度，离界面越近的溶液温度越高，反之温度越低。从而在溶液中产生强烈的微对流，加快 电化学反应离子的传质过程，使反应速度加快。因此，光电化学加工的本质在于高能量激光束改变了照射区域的电极状态，激发、 诱导电化学反应，控制电化学反应的作用区域，同时提高电化学反应电流和反应速度。根据 检索到的资料，国内外对于光电化学技术的研究一方面是利用金属的光致阴极保护原理， 将其应用于材料的腐蚀与防护领域；另一方面就是将激光加工与电解加工复合进行导电类 材料的去除加工。中国专利“喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置”，专利号CN1919514A提 出在激光加工的同时复合与激光束同轴的高速喷射电解液束，激光在喷射液束的引导下 利用光热效应去除材料，被阴极极化的电解液束对激光加工区进行冷却、冲刷和电化学溶 解，去除激光加工的再铸层。这种方法在激光束穿过电解液喷射腔时，激光的部分能量会被 电解液吸收，电解液的折射、散射也会影响光束的传导，不可避免地造成激光能量的损失， 难以实现激光能量在与电化学加工体系中的有效传输。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述利用光电化学反应进行复合加工所存在的问题，提出了 一种可实现三维成形加工、材料去除区域可控性好，加工图形可灵活变化，适用于金属导电 材料的加工方法及装置。一种激光空泡空化的光电化学三维加工方法，其特征在于高能纳秒脉冲的激光 透过溶液辐照在金属靶材表面时，激光辐照能量使得照射区快速超高过热时，发生溶液的3光学击穿，在靶材/溶液界面上产生气泡，在气泡溃灭时其表面的压力梯度会形成高速液 体射流，对靶材产生空泡空化的脉动冲击作用。上述激光空泡空化的光电化学三维加工方法，其特征在于采用可由计算机控制 图形显示的液晶屏作为掩模板。该液晶掩模能够显示出带有灰度特征的图形，利用图形中 各区域的灰度差对激光透过率的不同，实现对激光光斑内能量分布的空间调制。从而使透 过的激光束成为与液晶掩模图形成反相的光斑，且各处的激光能量分布由液晶灰度控制。上述激光空泡空化的光电化学三维加工方法，其特征在于在激光与电化学复 合的光电化学加工系统中采用IT0导电玻璃作为工具电极，它既可以作为工具阴极构成 电化学反应的电流回路，又可以透过激光器所发出的激光束，保证了激光能量与电化学体 系的高效复合。因此，当激光器所发出的激光束经过液晶掩模空间调制后，被聚焦并透过 ITO(indium tin oxide，氧化铟锡)电极和电解液照射在金属工件上时，所产生的空泡空化 作用和电化学作用复合，使得工件材料在光电化学反应作用下被去除，实现三维刻蚀加工。实现激光空泡空化的光电化学三维加工方法的装置包括激光器、传输光路和复合 加工与检测部分。按照激光束的前进方向，依次为激光器一扩束系统一液晶掩模板一聚焦 系统一导电玻璃电极一电解液一工件。复合加工与检测部分由导电玻璃电极、工件、加工 腔、工作台、电解液、电压表、电流表、电化学加工电源组成，电化学加工电源的负极与作为 阴极的导电玻璃相连，它们之间串联电流表检测加工电流；电源的正极与作为阳极的工件 相连，电压表与工件和导电玻璃并联检测加工电压。其中，导电玻璃电极是激光能量与电化 学作用相互耦合，实现光电化学反应的关键部件。一种激光空泡空化的光电化学三维加工方法，是按下述技术方案实现的(1)采用可由计算机控制灰度图形显示的液晶屏作为掩模板，根据所需的成形要 求设计显示图形的控制指令，并将其输入控制液晶屏显示的计算机。(2)根据工件表面要加工形状的深度、加工区域的尺寸选择激光能量、光束直径等 工艺参数。(3)根据激光能量和液晶屏的损坏阈值调节扩束系统的焦距。(4)根据工件表面加工部位的外形尺寸调节聚焦系统的焦距。(5)激光器发出的激光由扩束系统进行能量处理后到达液晶掩模，由于掩模图形 具有灰度特征，即图形的不同部位灰度不同，对激光束的透过率也不同，实现激光束空间能 量分布的调整。透过液晶掩模的激光成为具有灰度图形特征的光斑，光斑图形与液晶掩模 显示的图形成反转关系，最终激光束再由聚焦系统成像在工件表面。(6)被加工工件安装在加工腔内，IT0导电玻璃电极安装固定在工件上方。将工件 与电化学加工电源正极相连，导电玻璃与电源负极相连，电路中加入电压表和电流表用于 检测加工状态，从而构成电化学加工系统。(7)电路连接好后，启动电解液泵在加工腔中充入电解液，完全浸没工件至IT0电 极的玻璃基板，并保持电解液在电极之间的循环流动。激光束经传输光路透过IT0导电玻 璃电极，并穿过电解液后照射到工件表面；电化学加工电源通电，工件表面加工区域在激光 辐照作用下发生光电化学反应。在液晶掩模灰度图形的调整下，激光能量高的区域，空泡空 化作用强，光电化学反应速度快，蚀除量大；能量低的区域，空泡空化作用弱，光电化学反应 速度慢，蚀除量小，最终实现激光空泡空化的光电化学三维加工。本专利技术具有如下技术优势(1)在激光的传输光路中采用可显示灰度图形的液晶屏作为掩模板，利用图形的 灰度差别对激光束的透过率不同，能够实现对激光束能量分布的空间调整，即灰度越深的 部位，透过的激光束能量越少，灰度越浅的部位，透过的激光束能量就越多。当经过能量分 布调整的激光束照射在工件表面时，能量高的区域反应速度快，材料蚀除量大；能量低的区 域反应速度慢，蚀除量小，可以加工出深浅不同的立体图形，从而实现光电化学反应的三维 加工。(2)由于液晶掩模所显示的图形可以用计算机进行控制，当所需加工的图形发生 改变时，不必另外制作掩模板，只需修改计算机的控制指令，就能够快速改变掩模图形，实 现各种复杂图形的激光电化学复合加工。加工区域由透过液晶掩模的高分辨率激光有效控 制，因此就能够方便灵活的加工各种图形，在缩短掩模制作周期的同时，保证了加工的精度 及效率。(3)以IT0导电玻璃电极作为电化学加工的工具阴极，电源导通后就能够在工具 和工件之间的电解液中形成电场；同时还可以透过具有掩模图形的高能量激光束，从而保 证激光能量和电化学作用的高效耦合，实现工件上被加工区域的材料去除。附图说明图1是激光空泡空化的光电化学三维加工方法示意框图。图2是加工出的椭圆形三维凹坑本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光空泡空化的光电化学三维加工方法，利用激光在电极表面辐照引起的光电化学反应实现工件材料的去除加工，其特征在于：激光器所发出的激光束通过掩模板后透过溶液辐照在金属工件表面时，造成溶液光学击穿产生气泡，气泡溃灭形成空泡空化的脉冲冲击作用与电化学反应复合，使得工件材料在光电化学反应作用下被去除，实现刻蚀加工。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝阳，张永康，陈飞，王耀民，鲁金忠，顾永玉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]