[发明专利]激光空泡空化的光电化学三维加工方法及装置

说明书

技术领域

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

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：

(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。

(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。

(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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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：