[发明专利]多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

将工程塑料表面的金属覆层图形化去除后可实现传感器、天线等零件的制造，而多脉冲激光加工是实现这类零件的有效制造方法。激光加工具有影响因素多、加工过程中材料性质与形态变化复杂、作用时间短导致实时监测困难等特性，使得加工结果难以被准确预测和控制。而在将多脉冲激光烧蚀应用于去除工程塑料表面金属覆层时，需要将表面金属覆层彻底去除以形成功能化金属图形,同时还应尽量减少对工程塑料基底的过烧蚀。因此，基于多脉冲激光烧蚀实现工程塑料表面金属覆层的精确定量去除，是同时保证零件功能性和机械性能的关键因素。常规的激光烧蚀深度控制方法通常采用实验法，在确定激光器及待加工材料后，进行大量反复的试加工实验，通过比较烧蚀结果和目标值，选择合适的加工参数。该方法的不足之处在于由于影响激光加工结果的因素很多，需要进行大量的加工实验才能确定合适的加工参数组合，当加工目标材料或目标值发生变化时，往往需要重新进行实验，效率较低且成本较高。因此，实验法已不再适用于该类零件的高精高效加工。

近年来，通过对激光烧蚀过程的数值模拟计算来实现烧蚀深度控制的方法被广泛研究。如吴东江等人专利公告号为CN103268064A的“一种超短脉冲激光烧蚀氮化硅的模拟计算方法”的专利中，建立超短脉冲激光烧蚀氮化硅的烧蚀模型,对计算参数进行初始化；定义等离子体密度边界条件,并通过模型计算在不同模拟参数下的烧蚀阈值、深度和体积；基于计算结果和残留高度模型,对激光烧蚀残留高度进行分析评价,并给出指导参数。然而，该类方法多针对的是在工件同一位置进行烧蚀过程的仿真，且多采用单一脉冲烧蚀过程作为研究对象。而对于工程塑料表面金属覆层的图形化去除加工中，同一位置的激光脉冲数较多，且激光光斑持续移动等问题，该类方法具有一定的局限性，不能实现对金属覆层定量去除的精确控制。

发明内容

本发明的目的是针对纳秒级多脉冲激光烧蚀工程塑料表面金属覆层时，去除量难以被准确预测并控制的技术难题，克服原有反复实验法在工程应用中效率过低、成本较高等缺点。解决原有烧蚀深度模拟计算方法中针对单脉冲烧蚀及定点烧蚀所导致的在工程应用中的局限性，发明了一种多脉冲激光烧蚀金属覆层定量去除方法。该方法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。根据烧蚀过程中的能量守恒关系及激光光斑移动过程中激光束与材料的相互作用过程，建立了纳秒级多脉冲激光加工工程塑料表面覆层金属的烧蚀深度预测模型，实现对激光烧蚀中目标材料去除量精确控制，从而提高了加工效率，并降低了制造成本。

本发明所采用的技术方案是：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，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。基于纳秒级多脉冲激光烧蚀的塑料表面金属覆层定量去除控制方法具体步骤如下：

(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)]]>