【技術實現步驟摘要】
本申請涉及激光加工的，特別是一種抑制非均質材料激光加工損傷方法。
技術介紹
1、多孔材料、纖維增強或增韌復合材料等非均質材料以其獨特的材料組織和材料性能，廣泛應用于航空航天、武器裝備、軌道交通等領域承力結構、熱控與流體控制產品、電磁產品等方面。這些材料在形成零件結構的過程中，幾乎不可避免的面臨輪廓面、孔、腔或溝槽等結構的加工，一般通過切/磨削等傳統制造方法加工。近些年來，激光加工技術因其具有的材料普適性、無接觸應力、適合跨尺度加工等優勢，開始得到廣泛研究和應用。尤其是其中的超短脈沖激光(又名超快激光)，因其具有的低熱加工損傷等潛在能力，有望成為高質量加工非均質材料的利器。
2、激光加工的最大缺陷之一是不可避免的加工熱損傷，這對幾乎所有材料都成立，而對于多孔材料、纖維增強或增韌復合材料等非均質材料，理論和實踐探索均表明，相比較于均質化材料，因非均質材料的多組分或(和)非均質等特性，導致在材料內部傳播的激光束極易出現明顯的散射現象。散射現象的出現，不僅使得原本處于確定性折射式傳播的主流光束能量被分流從而導致加工能力下降，而且因為散射光強往往具有的“亞閾值”(即低能量)特性，使得其往往只能用來對材料進行改性從而制造出熱損傷，而不能用于改形(改形需要比閾值更高的能量)，這直接造成了非均質材料極易出現加工損傷突出、加工區域質量一致性差等問題。非均質材料組織的固有特殊性，使得即使采用飛秒激光、皮秒激光等具有低熱加工效應的激光對其進行直接加工，也極易出現上述加工質量問題。
3、因此，需要發展一種簡易、低成本的非均質材料
技術實現思路
1、本申請提供一種抑制非均質材料激光加工損傷方法，目的是通過對非均質材料被加工部位進行液體填充，實現非均質材料超快激光加工損傷抑制。
2、第一方面，提供了一種抑制非均質材料激光加工損傷方法，包括：
3、步驟s1：將被加工材料浸沒于輔助液體中，使得被加工材料在被加工部位被輔助液體充分浸潤，其中，被加工材料為固態非均質材料，在所用激光中心波長下，被加工材料室溫復折射率為n1，輔助液體在工作溫度下的有效復折射率為n2，空氣室溫復折射率為n3，輔助液體滿足：
4、步驟s2：對被加工材料進行激光減材加工，加工完畢后清理殘留的輔助液體。
5、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，被加工材料的組織形態為在激光與材料相互作用界面，材料滿足以下至少一項：孔隙率在20％～95％且孔隙特征尺寸的至少一個維度分布在5μm～1mm區間取值；在激光與材料作用界面處，被加工材料粗糙度分布在ra5μm～ra100μm范圍內。
6、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，輔助液體中除含有作為主要組分的液體本身外還加入固體顆粒，固體顆粒用于調整輔助液體在工作溫度下的有效復折射率，加入固體顆粒后輔助液體為具有流態性質的混合物。
7、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，固體顆粒滿足以下至少一項：
8、固體顆粒包括硅納米顆粒粉末、nacl顆粒的至少一項；
9、固體顆粒溶入作為主要組分的液體后的平均粒徑小于被加工材料最小孔隙特征尺寸值；
10、固體顆粒溶入作為主要組分的液體后的平均粒徑小于被加工材料加工斷面粗糙度ra的取值。
11、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，被加工材料與輔助液體的匹配關系滿足：
12、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，在步驟s2中，在對被加工材料進行激光減材加工后，若加工質量不滿足要求，跳轉至步驟s1并重新選擇新的輔助液體進行加工，直到加工質量達標。
13、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，在所用激光中心波長下，新選擇的輔助液體在工作溫度下的有效復折射率為n4，滿足：
14、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，步驟s2中加工用脈沖激光的脈沖通量f滿足：f大于被加工材料去除加工閾值f0，且f＞fth；
15、fth＝(a×e2-b)×tpk
16、式中，fth為輔助液體的單脈沖加工閾值，e2為輔助液體在工作溫度下的禁帶寬度，tp為單個脈沖持續時間，k、a和b是無量綱常數，其中k的取值為0.25～0.35；a的取值為0.80～1.20j/(cm2·ps0.3·ev)；b的取值為1.00～1.55j/(cm2·ps0.3)。
17、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，所用激光為脈沖激光且單個脈沖持續時間tp＜100ps。
18、結合第一方面，在第一方面的某些實現方式中，被加工材料禁帶寬度為e1滿足0≤e1≤13.5ev，輔助液體為在工作溫度下禁帶寬度為e2≥2.0ev的流體。
19、第二方面，提供了一種激光加工設備，該激光加工設備用于執行如上述第一方面中的任意一種實現方式中所述的激光加工損傷方法。
20、與現有技術相比，本申請提供的方案至少包括以下有益技術效果：
21、(1)本專利技術提供的一種抑制非均質材料激光加工損傷的方法，采用菲涅爾(fresnel)定律等光學反射原理，利用折射率匹配的思想減少激光束在非均質材料-輔助液體界面的能量反射，從而在非均質材料內產生類似于激光加工常規材料(即均質化材料)的效果：即將常規做法下的激光與非均質材料的二元相互作用轉變成激光、非均質材料、輔助液體三者相互作用，實現雜散光抑制，這為抑制雜散光對結構邊緣的熱損傷區的制造創造了有利條件；同時，通過對輔助液體施加高于其加工閾值能量的輻照強度，使得液體通過發生相變產生空化氣泡，并通過后續空化氣泡的破裂產生的瞬時局部強有力的機械剝離效果，進一步實現了對結構邊緣的熱損傷區的去除；此外，液體對熱影響區彌散性的抑制也創造了有力條件。因此，本方法是一種原理清晰、措施有效的較直接干式加工明顯提升加工質量的方法。
22、(2)本專利技術提供的一種抑制非均質材料激光加工損傷的方法，通過量化不同脈沖寬度、不同禁帶寬度的液體所需施加的脈沖激光的脈沖通量f，為利用液體通過非線性電離產生后續相變和空化氣泡提供了量化的保障；同時，對于不同加工質量的需求，本專利技術提供了折射率匹配的半定量指導，且本專利技術提供了可選輔助液體種類靈活可調的液體選型策略，以保障折射率匹配的可實現性，因此是一種方法可靠、計算簡單、可調性強的提升非均質材料加工質量的方法。
23、(3)本專利技術提供的一種抑制非均質材料激光加工損傷的方法，相比較傳統常規形式的激光直接加工方法，僅通過增加輔助液體的耗材投入方式實現加工加工質量的提升，因此是一種簡單、經濟的方法。
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1.一種抑制非均質材料激光加工損傷方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，被加工材料的組織形態為在激光與材料相互作用界面，材料滿足以下至少一項：孔隙率在20％～95％且孔隙特征尺寸的至少一個維度分布在5μm～1mm區間取值；在激光與材料作用界面處，被加工材料粗糙度分布在Ra5μm～Ra100μm范圍內。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，輔助液體中除含有作為主要組分的液體本身外，還加入固體顆粒，固體顆粒用于調整輔助液體在工作溫度下的有效復折射率，加入固體顆粒后輔助液體為具有流態性質的混合物。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，固體顆粒滿足以下至少一項：
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，被加工材料與輔助液體的匹配關系滿足：
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟S2中，在對被加工材料進行激光減材加工后，若加工質量不滿足要求，跳轉至步驟S1并重新選擇新的輔助液體進行加工，直到加工質量達標。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，在所用激光中心波長
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2中加工用脈沖激光的脈沖通量F滿足：F大于被加工材料去除加工閾值F0，且F＞Fth；
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所用激光為脈沖激光且單個脈沖持續時間tp＜100ps。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的方法，其特征在于，被加工材料禁帶寬度為E1滿足0≤E1≤13.5eV，輔助液體為在工作溫度下禁帶寬度為E2≥2.0eV的流體。
...【技術特征摘要】
1.一種抑制非均質材料激光加工損傷方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，被加工材料的組織形態為在激光與材料相互作用界面，材料滿足以下至少一項：孔隙率在20％～95％且孔隙特征尺寸的至少一個維度分布在5μm～1mm區間取值；在激光與材料作用界面處，被加工材料粗糙度分布在ra5μm～ra100μm范圍內。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，輔助液體中除含有作為主要組分的液體本身外，還加入固體顆粒，固體顆粒用于調整輔助液體在工作溫度下的有效復折射率，加入固體顆粒后輔助液體為具有流態性質的混合物。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，固體顆粒滿足以下至少一項：
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，被加工材料與輔助液體的匹配關系滿足：
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【專利技術屬性】
技術研發人員：張開虎，趙長喜，張加波，趙越，陳旭，高永亮，高澤，張孝輝，鄭立彥，王磊，田桂芝，崔志剛，趙歡，
申請(專利權)人：北京衛星制造廠有限公司，
類型：發明
國別省市：
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