[发明专利]一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统

说明书

一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，包括飞秒激光器、激光调谐模块、机械光闸、激光偏振模块、可变倍扩束器、平面反射镜、光学衍射元件、成丝改质模块、成丝辅助件、装夹专用工装、多轴联动电控位移台、工控机、机械臂、化学腐蚀池和碱性中和池。通过可变倍扩束器、光学衍射元件和成丝改质模块调控飞秒激光成丝长度与直径，实现硬脆材料大深径比加工；通过成丝辅助件避免成丝前端加工一致性差的不良影响；通过机械光闸、多轴联动电控位移台和工控机等光机电协同控制，完成复杂构件激光改质功能；本发明具有加工深径比大、加工品质优良、可成型复杂构件、操作全自动化等优点，在航空航天、半导体、电子工业等领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于激光精密制造技术领域，具体涉及到一种基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统。

背景技术

凭借着性能稳定、机械强度大、绝缘性能强、光学特性好等一系列优势，铌酸锂晶体、石英晶体、石英玻璃、钢化玻璃等硬脆材料在航空航天、半导体、电子工业等领域占据着重要地位。随着上述应用领域迅猛发展，硬脆材料复杂构件成型尺寸精度和加工效率要求越来越高。

目前，硬脆材料复杂构件主要采用机械切屑、长脉冲激光热熔和飞秒激光改质的加工设备。机械切屑和长脉冲激光热熔的加工设备，存在着残余应力大、表面污染严重、尺寸精度差等技术瓶颈；另外飞秒激光成丝改质过程中非线性光学效应和等离子体效应，易造成亚表面损伤、微观缺陷、加工一致性差等品质问题。因此，迫切需要开发可适用于硬脆材料复杂构件的精密成型加工系统。

为了提升复杂构件成型加工精度，避免亚表面损伤和微观缺陷，提升加工一致性，需要研究一种基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于成丝改质与化学腐蚀的硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，解决现有技术中存在的目前设备成型加工尺寸精度低，加工品质差的问题。该系统具有成型尺寸精度高、加工品质优良、全自动化操作等优点。

本发明采用的技术方案为：

一种硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统，包括飞秒激光器、激光调谐模块、机械光闸、激光偏振模块、可变倍扩束器、平面反射镜、光学衍射元件、成丝改质模块和成丝辅助件；

所述飞秒激光器用于产生飞秒激光脉冲光束，通过激光调谐模块调节所述飞秒激光脉冲光束的工作波长；机械光闸用于控制激光传输光路快速通断，激光偏振模块用于调节通过机械光闸后的飞秒激光脉冲光束的偏振状态；

所述可变倍扩束器用于连续调节飞秒激光脉冲光束的光束直径，再通过平面反射镜调节激光传输光路，使飞秒激光脉冲光束垂直入射光学衍射元件，光学衍射元件用于激光光束空间整形，调制激光空间光强分布并输出长焦深光束，之后通过成丝改质模块按固定比例整体缩小整形后光束，增强激光功率密度至待加工工件材料阈值，完成在待加工工件内部的成丝改质；

所述成丝辅助件覆盖于待加工工件表面，避免功率密度不稳定的飞秒激光成丝前端作用于待加工工件，提升待加工工件成丝改质一致性。

进一步的，本发明硬脆材料复杂构件飞秒激光精密成型加工系统还包括装夹专用工装、多轴联动电控位移台、工控机、机械臂、化学腐蚀池和碱性中和池；

通过装夹专用工装固定待加工工件，且装夹专用工装上表面中间镂空防止激光对装夹专用工装的损坏；再通过多轴联动电控位移台完成固定在其上的装夹专用工装的三维复杂路径的匀速运动，通过工控机协同控制机械光闸和多轴联动电控位移台，完成复杂构件激光加工；

所述机械臂用于激光加工完成后将待加工工件移动至化学腐蚀池内，进行飞秒激光成丝改质区域化学腐蚀去除材料，化学腐蚀完成后将待加工工件移动至碱性中和池内，中和待加工工件残余腐蚀液，完成硬脆材料复杂构件精密成型加工。