[发明专利]多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法

权利要求书

1.一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：lT≈4Dtp---(1)]]>

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=F0exp(-2x2w2),x∈[-w,+w]---(3)]]>

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=(1-R)(F-Fth)(ρsΔHsl+ρlΔHlv)---(4)]]>

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：

Fn=F0exp(-2(nΔx)2w2),n∈{-nm,-nm+1,...,0,1,...,nm}---(5)]]>

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：

hn(Δx)=(1-R)(F0exp(-2(nΔx)2w2)-Fth)(ρsΔHsl+ρLΔHlv)---(6)]]>

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：

nsum=2nm+1=2×w22Δx2lnF0Fth+1;---(7)]]>

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=Σ-nmnm(1-R)(F0exp(-2(nv/f)2w2)-Fth)(ρsΔHsl+ρlΔHlv)---(8)]]>

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。