專利名稱：光纖激光與電化學復合納秒脈沖沉積的制造方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及制造技術中的微細快速成型加工領域，特指一種光纖激光電化學空間沉積微細制造方法與裝置，適用于高性能金屬微器件的制作、集成電路板的生產、修復等無接觸三維空間成形加工。
背景技術：
·術、微細制造技術領域。特別是近年來微機電系統(Micro Electromechanical System,簡稱MEMS)的發展，對微小零件及微執行器的需求越來越多，如微軸、微傳感器、微泵等。有的微器件甚至對于材料有特殊要求，如微型磁力閥，就要求材料有足夠的磁能積，這是常規材料所不能具備的，而通過沉積制造的方法可實現該材料的制備，即在沉積液中加入具有高磁能積的磁性粒子來提高元件的磁能積。但是，單一的電化學沉積技術由于制造機理的限制存在一定的不足，在制造領域的優越性并不顯著。將電化學沉積技術與其他技術相結合，可以獲得較好的效果，新加坡國立大學M. A. Habib等人利用基于掩模的定域電化學沉積技術制造了微細加工的電極，并用制造的成形電極進行了放電加工試驗，取得了良好的效果。而采用激光誘導的電化學沉積技術，可以使電化學反應得到顯著增強，提高沉積速率、改善沉積質量及性能；具有沉積層表面形貌好；可實現智能控制等特點，與常規的沉積技術相比有顯著優勢。國內外許多學者都對其進行了研究，美國IBM公司GutFeld首次報道了激光照射到陰極某點上可以引起局部電流密度急劇增加的實驗結果，并且研究了 Ar+激光增強Ni、Au、Cu的電沉積過程。另夕卜，國內外專家對激光電沉積技術的加工機理和設備也進行了較多的研究開發。但是基于光纖激光的電化學空間制造技術尚未報道。光纖激光器是一種新型以光纖作為工作物質的中紅外波段激光器，它以結構緊湊、轉換效率高、光束質量好、加工柔性好等優點成為一類十分有應用前景的激光光源。與燈泵激光器相比，光纖激光器(尤其是高功率雙包層光纖激光器)消耗的電能僅約為燈泵激光器的1%，而效率則是半導體激光燈泵浦固體YAG激光的2倍以上。將預準直的光纖系統插到激光器上就可以使激光通過光纖傳導到光纖輸出端。光纖激光技術具有以下優點光路靈活可變，小芯徑光纖可提供小尺寸光斑，因而能在工作上獲得功率密度較高的光強，光纖具有較小的彎曲半徑，它能接近那些采用傳統方法無法接近的工作區域，實現空間全方位遙控加工。現在光纖激光技術已經在汽車和船舶等制造業中獲得成功應用。

發明內容
本發明利用光纖激光結構緊湊、加工柔性好等優點，提出了利用光纖激光來實現三維空間電沉積的制造技術，將納秒脈沖激光與電化學納秒脈沖電流復合，能夠克服激光與電化學復合沉積時，陰極氣體不易排出，沉積層材料疏松以及定域效果不佳等缺陷，適用于高性能金屬材料的微器件制作及加工等。
一種光纖激光與電化學復合納秒脈沖沉積的制造方法，其特征在于將光纖激光技術引入到電化學沉積制造系統中，能有效地提高光束傳輸的靈活性，將其與數控加工系統相結合可實現復雜三維空間結構的加工要求。在加工過程中采用納秒脈沖的激光束與電化學納秒脈沖電流相耦合，納秒級的電化學脈沖沉積過程可避免電極表面的濃差極化，增強沉積反應的區域選擇性，同時激光的脈動效應能有效去除電沉積過程中的氫氣泡，從而顯著提高電化學沉積的定域效果和材料致密度，實現高性能金屬材料的微器件沉積成形。實現上述光纖激光電化學空間沉積微細制造方法的裝置主要包括光纖激光器、光纖傳輸系統、三維激光加工機器人和電沉積制造系統，三維激光機器人的加工頭還包括由鈦合金制造的電沉積不溶性工具陽極；電沉積系統由沉積液槽、導電基板、電化學脈沖電源、儲液槽、循環泵、過濾器、攪拌器、加熱器、溫度傳感器等構成。本發明是按下列技術方案實現的
(1)電沉積系統的導電基板固定于沉積液槽中與納秒脈沖電源負極相連接，作為電沉 積的陰極基體；納秒脈沖電源正極與激光加工頭上的鈦合金陽極相連；電沉積所需的溶液利用循環泵由儲液槽中抽出，經過濾器后送入沉積液槽，電沉積加工過程中利用攪拌器和加熱器保證沉積液中的成分均勻、溫度恒定；
(2)電沉積系統的電路連接完成后，開啟加熱器和攪拌器，使溶液循環系統運行一段時間，讓沉積液達到均勻穩定狀態，開啟循環泵將配置好的電沉積溶液由儲液槽充入沉積液槽中；
(3)由光纖激光器發出的納秒脈沖激光通過光纖傳導至三維機器人的激光加工頭輸入端，光纖所具有的彎曲柔性可以保證激光加工頭實現全方位的三維空間運動，激光加工頭的輸出端浸沒在沉積液中，距離導電基板:T5mm，激光束從輸出端發出后可聚焦在導電基板上的沉積區域；
(4)電沉積脈沖電源開啟，沉積液中的金屬離子在納秒脈沖電流作用下，在導電基板表面發生電化學還原反應；同時激光器發出納秒脈沖激光輻照在沉積部位，脈沖電源和脈沖激光復合的納秒脈動效應能使沉積層組織致密，晶粒細化，并排出電沉積過程中的氫氣泡，使沉積區周圍的溶液成分均勻，抑制濃差極化。本發明的技術優勢和有益效果如下
(1)將光纖激光作為能量源與電化學沉積相復合，利用其良好的傳輸柔性使得激光聚焦點可以任意改變方位，實現在三維空間里的任意形狀加工；
(2)電化學電源輸出的沉積電流和激光器發出的激光都是納秒級的超短脈沖能量，能夠將激光與電化學復合的沉積反應定域在微米級的區域內，實現二維或三維的高精度沉積成形，激光的輻照作用能夠顯著提高電沉積反應的速度和沉積層的質量；
(3)電化學沉積系統的陽極采用不溶性的鈦合金電極，將其安裝在三維激光機器人的加工頭上，實現了激光輻照系統和電化學沉積系統的高效復合，又避免了網狀或是探針電極在激光照射時產生的遮掩使加工微細程度受到限制。


圖I是本發明的結構示意圖。I、三維激光機器人,2、光纖激光器,3、傳輸光纖,4、激光加工頭,5、沉積成形的零件，6、沉積液槽，7、導電基板，8、過濾器，9、循環泵，10、儲液槽，11、加熱器，12、攪拌器，13、溫度傳感器，14、電化學脈沖電源。圖2是三維激光機器人加工頭的結構圖。41、玻璃擋板，42、不溶性陽極，43、絕緣外套，44、光纖包層，45、光纖內芯。
具體實施例方式下面結合圖I和圖2詳細說明本發明提出的具體裝置細節和工作情況。實施本發明光纖激光與電化學復合納秒脈沖沉積的制造方法所采用裝置包括依次相連的三維激光機器人I、光纖激光器2、傳輸光纖3、激光加工頭4和電沉積制造系統；三維激光機器人的加工頭4外部包裹絕緣外套43，內部包括光纖內芯45和光纖包層44，光纖前端有玻璃擋板41作為保護，還包括由鈦合金制造的電沉積不溶性工具陽極42，其結構如圖2所示；電沉積制造系統由沉積液槽6、導電基板7、過濾器8、循環泵9、儲液槽10、加熱·器11、攪拌器12、溫度傳感器13、電化學脈沖電源14等構成，各部件連接關系如圖I所示。由于激光在沉積溶液中存在能量損耗，因此選用在水中穿透能力好的紫外波長激光，光纖激光器輸出的激光束能量為5(T500mJ、脈沖寬度為1(Γ100納秒、重復頻率為IOkHz IMHz，激光聚焦后的光斑尺寸為l(T5Mm，其中激光能量和脈沖寬度、重復頻率可調節控制。為實現激光能量和沉積電場的有效復合，電化學電源輸出的納秒脈沖電流，其脈沖寬度和重復頻率與激光同步，電壓幅值為5 10V。納秒脈沖的激光束與電化學納秒脈沖電流相耦合，在納秒時間內的電化學脈沖沉積過程可避免電極表面的濃差極化，增強沉積反應的區域選擇性，同時激光的脈動效應能有效去除電沉積過程中的氫氣泡，從而顯著提高電化學沉積的定域效果和材料致密度，實現高性能金屬材料的微器件沉積成形。電化學沉積系統的陰極導電基板7與納秒脈沖電源14的負極相連接，納秒脈沖電源正極與激光加工頭上的鈦合金不溶性陽極42相連；電沉積所需的溶液利用循環泵9由儲液槽10中抽出，經過濾器8后送入沉積液槽6，電沉積加工過程中利用攪拌器12和加熱器11保證沉積液中的成分均勻、溫度恒定。由光纖激光器發出的納秒脈沖激光通過光纖傳導至三維機器人的激光加工頭，加工頭4的輸出端浸沒在沉積液中，距離導電基板:T5mm，激光束從輸出端發出后可聚焦在導電基板7上的沉積區域。復合沉積過程開啟循環泵9將配置好的電沉積溶液由儲液槽10充入沉積液槽6中，開啟加熱器11和攪拌器12，使溶液循環系統運行一段時間，讓沉積液達到均勻穩定狀態；電沉積脈沖電源開啟，沉積液中的金屬離子在納秒脈沖電流作用下，在導電基板表面發生電化學還原反應；同時激光器發出與電沉積脈沖電流同步的納秒脈沖激光輻照在沉積部位；激光能量與電沉積系統復合后，將與系統中的電極和沉積液發生相互作用，使電極反應速率大大提高，具有高的選擇性及加工精度，可以實現微區局部沉積。控制三維激光機器人的加工頭按照設計軌跡進行空間三維運動，從而實現光纖激光與電化學復合的納秒脈沖微小器件沉積成形制造。沉積過程中，調節進水閥和出水閥的大小使沉積液完全浸沒沉積部位，其液面應超過鈦合金陽極底面，沉積液的成分、濃度應根據所需要的沉積層材質合理選擇。
權利要求
1.一種光纖激光與電化學復合納秒脈沖沉積的制造方法，其特征在于 電沉積系統的導電基板固定于沉積液槽中與納秒脈沖電源負極相連接，作為電沉積的陰極基體；納秒脈沖電源正極與激光加工頭上的鈦合金不溶性陽極相連；開啟儲液槽中的加熱器和攪拌器，使溶液循環系統運行一段時間，讓沉積液達到成分均勻、溫度恒定的狀態；開啟循環泵將配置好的電沉積溶液由儲液槽經過濾器后充入沉積液槽中； 由光纖激光器發出的納秒脈沖激光通過光纖傳導至三維機器人的激光加工頭輸入端，光纖所具有的彎曲柔性保證了激光加工頭實現全方位的三維空間運動，激光加工頭的輸出端浸沒在沉積液中，距離導電基板:T5mm，激光束從輸出端發出后可聚焦在導電基板上的沉積區域； 電沉積脈沖電源開啟，沉積液中的金屬離子在納秒脈沖電流作用下，在導電基板表面發生電化學還原反應；同時激光器發出與電沉積脈沖電流同步的納秒脈沖激光輻照在沉積部位；脈沖電源和脈沖激光復合的納秒脈動效應可避免電極表面的濃差極化，增強沉積反應的區域選擇性，使沉積層組織致密，晶粒細化，并排出電沉積過程中的氫氣泡，使電極反應速率顯著提高，實現具有高選擇性及加工精度的微區局部沉積； 控制三維激光機器人的加工頭按照設計軌跡進行空間三維運動，從而實現光纖激光與電化學復合的納秒脈沖微小器件沉積成形制造； 沉積過程中，調節進水閥和出水閥的大小使沉積液完全浸沒沉積部位，其液面應超過鈦合金陽極底面，沉積液的成分、濃度應根據所需要的沉積層材質合理選擇。
2.根據權利要求I所述的一種光纖激光與電化學復合納秒脈沖沉積的制造方法，其特征在于選用在水中穿透能力好的紫外波長激光，光纖激光器輸出的激光束能量為5(T500mJ、脈沖寬度為1(Γ100納秒、重復頻率為IOkHz 1MHz，激光聚焦后的光斑尺寸為 ，其中激光能量和脈沖寬度、重復頻率可調節控制。
3.根據權利要求I和2所述的一種光纖激光與電化學復合納秒脈沖沉積的制造方法，其特征在于電沉積電源輸出的納秒脈沖電流，其脈沖寬度和重復頻率與權利要求2中的納秒脈沖激光同步，電壓幅值為5 10V。
4.為實施權利要求I所述的一種光纖激光與電化學復合納秒脈沖沉積制造方法的裝置，包括三維激光機器人、光纖激光器、傳輸光纖、激光加工頭和電沉積制造系統，電沉積系統由沉積液槽、導電基板、電化學脈沖電源、儲液槽、循環泵、過濾器、攪拌器、加熱器、溫度傳感器等構成，其特征在于三維激光機器人的加工頭外部包裹絕緣外套，內部包括光纖內芯和光纖包層，光纖前端有玻璃擋板作為保護，還包括由鈦合金制造的電沉積不溶性工具陽極。
全文摘要
本發明涉及一種光纖激光與電化學復合納秒脈沖沉積的制造方法和裝置，將光纖激光技術引入到電化學沉積制造系統中，有效地提高了光束傳輸的靈活性，將其與數控加工系統相結合可實現復雜三維空間結構的加工要求。在加工過程中采用納秒脈沖的激光束與電化學納秒脈沖電流相耦合，納秒級的電化學脈沖沉積過程可避免電極表面的濃差極化，增強沉積反應的區域選擇性，同時激光的脈動效應能有效去除電沉積過程中的氫氣泡，從而顯著提高電化學沉積的定域效果和材料致密度，實現高性能金屬材料的微器件沉積成形。本發明適用于高性能金屬材料三維微器件的制作，屬于微細快速成型加工領域。
文檔編號C25D5/02GK102787333SQ20121029932
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月22日 優先權日2012年8月22日
發明者任旭東, 張朝陽, 李中洋, 毛衛平, 葛濤, 魯金忠 申請人:江蘇大學