[发明专利]连续激光电化学金属微成形加工方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于电化学加工领域，具体涉及一种连续激光电化学金属微成形加工方法及系统。

背景技术

激光加工适合于大部分材料，具有非接触、灵活和精确等优点。但是激光直刻材料时，激光束对其光班附近产生的热影响区、沉积和冲击破坏效应等，在微米、亚微米级刻蚀加工时产生了不容忽视的问题。

电化学刻蚀被认为是一种环境友好的刻蚀工艺，该工艺温度较低，对样品特征损伤小，刻蚀速率高，深宽比高。但电化学刻蚀中的钝化膜使金属阳极溶解过程的超电位升高，阻碍或延缓了电化学刻蚀的进行，必须采用有效的措施来破坏金属钝化膜、活化金属表面。

总之现有的电化学刻蚀和激光刻蚀虽都具有一定的优势，但也存在效率和分辨率的缺陷。现已有人提出将两者相结合的新型复合工艺――激光电化学刻蚀。此种工艺现还不完善。

发明内容

本发明的目的是提供一种连续激光电化学金属微成形加工方法，可对金属材料进行分辨率达到μm级微成形加工。

本发明的另一目的是提供一种连续激光电化学金属微成形加工系统，包括激光控制单元、连续激光器、工作台、电解液池，工件置于溶液环境中加工。

根据溶液环境下连续激光加热可使溶液中物质爆发沸腾，设置溶液沸腾换热系数模拟爆发沸腾对温度场的影响，从而简化溶液中物质温度场的求解。

有限元仿真计算连续激光对溶液中金属材料定点加热和扫描加热过程中的激光光斑中心温度随时间的变化，所得曲线分别如图1和图2所示。由图1可见，连续激光定点加热溶液中的金属，其表面温度快速升高并在0.5秒内达到一个饱和值，图2中几条曲线表达激光扫描中几个不同点的温度时程分布，均为呈现陡升陡降的尖锐温度时程曲线。由此可见连续激光对金属表面加热迅速，且溶液对激光光斑周边金属的冷却作用大大缩小激光热效应对加工区域外的影响，故连续激光扫描可对溶液中金属进行微成形加工。

本发明提供的连续激光电化学金属微成形加工方法，金属材料的工件固定于电化学刻蚀的电解液中，工件为阳极，连续激光聚焦于工件表面，光班沿待加工点或线扫描，所述连续激光聚焦于工件表面某个定点达到的最高温度小于工件金属材料的熔点，高于电解液的沸点。激光功率足以将激光光斑辐照区附近1mm以内的溶液加热至沸腾。

本方法的连续激光的热效应不会使工件表面熔融，但激光加热后能使待加工处的电化学反应明显加快，迅速完成电化学刻蚀。

本发明设计的连续激光电化学金属微成形加工系统，包括盛放电解液的反应池、阴极和稳压电源，工件浸在反应池的电解液中、固定于反应池底，阴极固定在工件上方。阴极和工件分别与稳压电源的2个输出端相接，工件为阳极。本系统还包括激光控制单元、连续激光器、反射镜、聚焦透镜和工作台，激光控制单元连接控制连续激光器，连续激光器输出的激光束经反射镜、聚焦透镜将激光聚焦于工件表面；反应池固定于工作台上，所述工作台为可在平面的X轴和Y轴平动的工作台。

所述反应池的电解液液面与工件上表面的距离为面3～5mm。

所述阴极可固定于工件上方，阴极与工件上表面距离为1～3mm。

为了保证反应池内的电解液液面与工件表面的距离不变，还配有微量泵和电解液池，微量泵进水口接入电解液池，出水口接入反应池。

为了精确控制工作台的移动，计算机连接控制X轴和Y轴伺服电机、驱动工作台进行二维平动。计算机按设定的加工路线控制X轴和Y轴伺服电机运行、驱动工作台X轴和Y轴移动，从而使工作台上的反应池内的工件在激光束的光斑下移动，使工件表面的加工区域被激光扫描加热。

为了监控电化学反应情况，在阴极和工件上连接示波器，掌握电流等参数。

与现有技术相比，本发明连续激光电化学金属微成形加工方法及系统的优点为：1、根据溶液中激光加热的温度场和热效应分析，提供了连续激光促进电化学刻蚀进程的金属材料工件微成形加工方法和系统，可达到μm级的较高分辨率，可获得加工图形线宽与激光束光斑直径接近的刻蚀效果；2、与普通电化学刻蚀相比，本发明可提高刻蚀分辨率；3、系统由现有仪器部件组成，易于实现。

附图说明

图1为有限元仿真计算连续激光对溶液中金属材料定点加热过程中激光光斑中心的温度时程曲线；

图2为有限元仿真计算连续激光对溶液中金属材料扫描加热过程中数个点的激光光斑中心的温度时程曲线；

图3为本连续激光电化学金属微成形加工系统实施例结构示意图。