[发明专利]多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法

摘要

本发明多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法属于数控激光加工技术领域，涉及一种在数控激光加工中定量去除工程塑料表面覆层金属的方法。该方法根据能量守恒定律及纳秒尺度脉冲激光与材料作用的烧蚀机理，得到单脉冲激光烧蚀深度预测模型；通过分析多脉冲激光经过定点位置时激光脉冲的堆叠过程，建立多脉冲激光烧蚀深度预测模型，从而确定烧蚀深度与加工参数之间的对应关系，通过调节加工参数来控制去除量。本发明针对实际加工中在同一位置激光脉冲的多重烧蚀作用，非均匀的激光能量分布特性，以及激光光斑位置相对于工件始终保持移动的加工过程，实现了纳秒级多脉冲激光烧蚀中目标材料去除量精确控制，从而提高加工效率、降低制造成本。

主权项

一种多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法，其特征在于，首先根据能量守恒定律及纳秒尺度脉冲激光与材料作用的烧蚀机理，得到单脉冲激光烧蚀深度预测模型；通过分析多脉冲激光经过定点位置时激光脉冲的堆叠过程，建立多脉冲激光烧蚀深度预测模型，确定烧蚀深度与加工参数之间的对应关系，通过调节加工参数来控制去除量；多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法具体步骤如下：(1)单一脉冲去除材料厚度的计算因采用的激光光源发射的脉冲作用时间为纳秒级，能量传递为热传递，热穿透深度：$l_T\≈\sqrt{4D{t}_p}---\left(\text{1}\right)$其中，D为热扩算率，t_p为脉冲持续时间；采用一维热传递方程建立激光烧蚀模型；当目标材料表面厚度为l_T的材料从室温T_amb加热至熔化温度T_m时，目标材料的烧蚀阈值为：其中，ρ为覆层金属密度，Cp为比热容，R为热传递系数；脉冲激光能量呈高斯剖面，其空间分布为：$F=F_0\exp (-\frac{{2x}^2}{w^2}),x\∈[-w,+w]---\left(3\right)$其中，w为光束束腰半径，F₀为激光能量密度；依据能量守恒定律，当单一激光脉冲与金属层的表面相互作用时，厚度为h的材料将被气化；$h=\frac{(1-R)(F-F_{\mathrm{th}})}{({\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\ΔH}}_{\mathrm{sl}}+{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\ΔH}}_{\mathrm{lv}})}---\left(4\right)$其中，ρ_s为覆层金属固态密度，ΔH_sl为覆层金属熔化熵，ρ_l为覆层金属液态密度，ΔH_lv为覆层金属汽化熵；(2)建立多脉冲激光烧蚀深度模型及烧蚀深度的精确控制设定多脉冲激光相邻两个激光脉冲的移动距离为Δx，则第n个激光脉冲的能量F_n在位置Q上的能量分布表达式为：$F_n=F_0\exp (-\frac{2{\left(\mathrm{n\Δx}\right)}^2}{w^2}),n\∈\{-n_m,-n_m+1,...,\mathrm{0,1},...,n_m\text{}---}\left(5\right)$将公式(5)带入单脉冲激光烧蚀深度表达式(4)，得到第n个激光脉冲在同一位置Q上的烧蚀深度为：$h_n\left(\mathrm{\Δx}\right)=\frac{(1-R)(F_0\exp (-\frac{2{\left(\mathrm{n\Δx}\right)}^2}{w^2})-F_{\mathrm{th}})}{({\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\ΔH}}_{\mathrm{sl}}+{\mathrm{\ρ}}_L{\mathrm{\ΔH}}_{\mathrm{lv}})}---\left(6\right)$当多脉冲激光脉冲扫过位置Q时，设将金属覆层完全烧蚀所需要的脉冲个数为n_sum＝2n_m+1，则累积烧蚀深度为：令F_n≥F_th，得到所需的激光脉冲总数为：$n_{\mathrm{sum}}=2n_m+1=2\×\sqrt{\frac{w^2}{2{\mathrm{\Δx}}^2}\ln \frac{F_0}{F_{\mathrm{th}}}}+1;---\left(7\right)$相邻两脉冲激光的位移为Δx＝v/f，其中，v为进给速度，f为脉冲重复频率；因此，在同一位置Q处建立的激光烧蚀深度模型为：$H=\underset{{-n}_m}{\overset{n_m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(1-R)(F_0\exp (-\frac{2{(\mathrm{nv}/f)}^2}{w^2})-F_{\mathrm{th}})}{({\mathrm{\ρ}}_s{\mathrm{\ΔH}}_{\mathrm{sl}}+{\mathrm{\ρ}}_l{\mathrm{\ΔH}}_{\mathrm{lv}})}---\left(8\right)$在加工中，通过调节激光能量密度F₀，进给速度v，脉冲重复频率f来完成烧蚀深度的精确控制。