[发明专利]一种中频电磁感应加热辅助激光冲击微成形的方法和装置

说明书

本发明属于激光精密微细加工领域，具体涉及一种中频电磁感应加热辅助激光冲击微成形的方法和装置。该装置包括激光发生系统和内嵌式电磁感应加热模具两部分。本发明能够在激光冲击成型微结构之前对薄片靶材进行由内到外的透热以增强金属材料的延展性，同时在激光冲击成型微结构的过程中通过磁致塑性效应控制材料均匀低速流动，以此实现超过材料本身变形极限的大深度拉深成型。

技术领域

本发明属于激光精密微细加工领域，具体涉及一种中频电磁感应加热辅助激光冲击微成形的方法和装置。

背景技术

光学结构制品一般具有密集排布、结构规则、尺度微小等特点，在结构接近微纳级别时，由于与光波长的量级近似，能产生许多宏观器件无法起到的微观作作用，结构成型的复制率不够，会降低光学作用。因此一般的光学微结构，无论精度如何都是非常适合由激光冲击微成型来制作的。典型的应用如液晶显示器中的导光板和增亮膜等，在手机、大面积显示板等的制作方面都是极其关键的组成部分。此外，能够满足多种医学和生物学定制需要的医学诊断生物芯片和药物输送微流控芯片由于其在轻量化和生物相容性方面的严苛标准，也十分适合由激光冲击微成型来制作的。

但是，微小的零件尺寸使微成型工艺在成型机理上比传统塑性成型工艺更为复杂，其发生塑性变形的区域通常在微米级别，与工件的晶粒尺寸相接近，材料塑性流动规律与宏观零件有着显著差异，体现出相应的尺寸效应。现有单一激光冲击微成形在微纳金属构件的拉深，弯曲等成形过程中常常出现起皱、拉裂、壁厚不均匀等缺陷，这主要是由于在激光冲击波的超高应变率下材料的不均匀流动和原材料厚度不足造成的。而增加原材料厚度会不可避免的造成零件的质量和体积的上升，这在航天、医疗、电子等精密仪器中往往会造成成本的指数级增长。如何解决微纳金属零件轻量化和大幅度拉深成形的这对矛盾成为微加工领域亟待解决的难题。

考虑到金属材料预热后在磁场中的规律流动对微观尺度不良影响的缓解效应，配合上激光的非接触式冲击成形，在确保不改变固有磁场分布的前提下，提供相当可观的冲击力并实现无污染成形，能构实现超过材料本身变形极限的大深度拉深成型。这可以很好的满足航天和电子行业的轻量化要求和医疗器材行业的生物相容性要求。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种中频电磁感应加热辅助激光冲击微成形的方法和装置，其结构设计合理，将磁场的磁致塑性效应与激光的非接触式冲击结合；可实现光学结构制品的轻量化精确微成型和医疗器械的无污染制造。

1.本发明旨在提出一种中频电磁感应加热辅助激光冲击微成形的装置，其特征在于，该装置包括激光发生系统和内嵌式电磁感应加热模具两部分。所述激光发生系统包括：脉冲激光发生器，谐振腔和会聚凸透镜，由脉冲激光发生器产生的脉冲激光通过谐振腔的调制作用放大成冲击强化所需的高能激光束，然后经过会聚凸透镜的进一步聚焦作用到薄片靶材表面；所述内嵌式电磁感应加热模具包括：紧固螺帽，上盖板，薄片靶材，上盖板内嵌线圈，上线圈导线，下线圈导线，下模具内嵌线圈，导柱，模具型腔，支撑脚座；所述上盖板和模具型腔内分别内置有上盖板内嵌线圈和下模具内嵌线圈，所述上盖板内嵌线圈和下模具内嵌线圈外部均通过绝缘耐高温隔热罩进行封装，以避免感应加热过程中线圈与薄片靶材直接接触造成的短路。所述上盖板和模具型腔通过四根导柱定位配合，所述导柱与模具型腔为一体化制造成型，其上端攻有螺纹并通过四对紧固螺帽将上盖板、模具型腔以及中间的薄片靶材夹紧固定；所述薄片靶材与四根导柱的外圆面相切，以此限制其三个方向的自由度。所述上线圈导线和下线圈导线均通过铰接方式连接到上盖板内嵌线圈和下模具内嵌线圈上，用于提供恒压中频交流电；所述支撑脚座通过焊接方式连接到模具型腔的下平面上，起稳定支撑作用。

2.使用所述装置实施中频电磁感应加热辅助激光冲击微成型的方法，其特征在于，在激光冲击成型微结构之前利用中频电磁感应加热装置对预置吸收层的薄片靶材进行由内到外的均匀透热，以此增强材料的自由能，进而强化材料的塑韧延展性；此外在激光冲击成型微结构过程中通过磁场的作用产生磁致塑性效应控制材料均匀低速流动，以此实现超过材料本身变形极限的大深度拉深成型。具体步骤如下：