激光空泡空化的光电化学三维加工方法及装置

摘要

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。

权利要求

1.一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；掩模板采用由计算机控制灰度图形显示的液晶屏，能够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；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，空泡空化作用弱，光电化学反应速度慢，蚀除量小，从而实现光电化学三维加工；液晶屏掩模显示的图形用计算机进行控制，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光电化学复合加工。

2.根据权利要求1所述的一种激光空泡空化的光电化学三维加工方法，其特征在于：

激光器所发出的激光波长为1064纳米，脉冲时间为5纳秒，激光能量为0.1～1焦耳，光斑模式为基模或多模。

说明书

激光空泡空化的光电化学三维加工方法及装置

技术领域

[0001] 本发明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。

背景技术

[0002] 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：

[0003] (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。

[0004] (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。

[0005] (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。

[0006] 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。

[0007] 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。

发明内容

[0008] 本发明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。

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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ITO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。

[0012] 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→扩束系统→液晶掩模板→聚焦系统→导电玻璃电极→电解液→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。

[0013] 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：

[0014] (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。

[0015] (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。

[0016] (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。

[0017] (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。

[0018] (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。

[0019] (6)被加工工件安装在加工腔内，ITO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。

[0020] (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ITO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ITO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。

[0021] 本发明具有如下技术优势：

[0022] (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。

[0023] (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。

[0024] (3)以ITO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

[0025] 图1是激光空泡空化的光电化学三维加工方法示意框图。

[0026] 图2是加工出的椭圆形三维凹坑实例，沿椭圆长轴方向上加工深度逐渐变化。

[0027] 图1中的标号名称：1、激光器，2、激光束3、扩束系统，4、液晶掩模，5、聚焦系统，6、ITO导电玻璃电极，7、非线性电解液，8、工件，9、加工腔，10、工作台，11、电压表，12、电流表，13、电化学加工电源，14、控制信号，15、计算机。

具体实施方式

[0028] 实施例：下面结合图1详细说明本发明的工作情况和实施例。

[0029] 实施该方法的装置包括依次相连的激光器1、传输光路和复合加工与检测部分。传输光路包括：扩束系统3、液晶掩模4、聚焦系统5和ITO导电玻璃电极6；复合加工与检测部分由导电玻璃电极6、工件8、加工腔9、工作台10、电压表11、电流表12和加工电源13组成。

[0030] 激光器产生能量在0.1～1焦耳、脉冲时间为5纳秒、波长1064纳米的激光束2，激光的光斑模式选择基模或多模。激光作用在于控制光电化学反应的作用区域，提高反应电流和反应速度，因此对功率密度要求不高，从而降低了激光器的设备费用，并能够提高加工的效率。

[0031] 激光器发出的激光束2经扩束系统处理后，使其能量密度低于液晶屏的损坏阈值，就克服了激光照射后掩模易损坏的缺陷；同时液晶屏显示的是加工形状的放大图形，可以避免加工线宽太小时产生衍射而使加工形状模糊不清。液晶屏选用透射式扭曲向列型液2
晶显示板，激光器发出的激光束对该液晶屏的损坏阈值为2.5J/cm。激光束照射在液晶掩模4上，液晶屏上显示的灰度图形与加工图形成反相关系，即加工图形中不需要加工的部位在液晶屏上显黑色，需要加工的部位呈无色，加工深度较浅的部位显示浅色，加工深度较深的部位显示深色。激光束通过各部位灰度不同的液晶掩模图形后，形成能量密度与工件表面加工图形相一致的图形光斑。接着利用聚焦系统5将激光束会聚，使光斑直径缩小、能量密度提高，并透过ITO导电玻璃电极6和循环流动的非线性电解液7，最终照射在工件表-4
面。导电透光的ITO导电玻璃对激光的透过率大于85％，电阻率为1～5×10 Ω/cm。

[0032] 电化学加工部分的电路连接包括工件8与加工电源13的正极相连，它们之间串联电流表用于检测加工电流；导电玻璃电极6与电源13的负极相连，导电玻璃与工件之间保持2～3mm的距离，电压表与工件和导电玻璃并联检测加工电压，利用电压表和电流表就可以检测加工过程的各种状态。光电化学反应的溶液使用质量浓度10％～15％的NaNO3电解液，电解液完全浸没工件至ITO电极的玻璃基板，并保持电解液在工件和电极之间的循环流动。

[0033] 电化学加工电源通电后，工件表面加工区域在激光辐照引起的空泡空化作用和电化学反应的复合作用下，工件材料发生光电化学反应作用被去除，实现三维刻蚀加工。加工电源的脉冲频率为1kHz～10kHz，电压幅值为5V。在液晶掩模灰度图形的调整下，激光能量高的区域，电化学反应速度快，工件材料的蚀除量大；能量低的区域，电化学反应速度慢，工件材料的蚀除量小，可以加工出各个部位深浅不同的立体形状，从而实现基于光电化学反应的液晶掩模三维图形加工。图2就是加工出的椭圆形三维凹坑实例，可以看出在沿椭圆长轴的方向上加工深度逐渐变化。

[0034] 控制部分主要完成对液晶掩模图形显示的指令控制，以及工作台的运动控制和电化学加工电源的开关控制。对于外形尺寸较大的图形，既可以采用经扩束系统处理后较大直径的光斑多次加工，也可以采用小直径高能量的激光束分区加工，通过控制工作台的移动，逐个区域依次加工，加工出的图形形状清晰，且具有三维立体特征。