CN101590569B - 一种激光复合制备表层仿生结构的方法和装置 - Google Patents
一种激光复合制备表层仿生结构的方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及激光加工领域，特指一种基于激光雕刻和激光冲击的力学效应复合制备表层仿生结构的方法和装置，特别适用于仿生表面和摩擦副表面的加工。本发明的特征在于首先采用激光雕刻技术在工件表面制备具有一定密度(间距)、宽度、深度、角度、形状的规则微观几何形貌，然后激光冲击强化处理微观几何形貌区域，在工件表面加工出所需要形状和布置方式的、与润滑性能要求优化匹配的微观结构。实施该方法的装置包括依次相连的控制装置、纳秒激光发生器、激光束I、导光管I、全反镜I、光斑调节装置I、光纤激光器、激光束II、导光管II、全反镜II、光斑大小调节装置II、自动喷涂装置、约束层、吸收层、工件、工件夹具系统和五轴工作台。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指一种基于激光雕刻和激光冲击的力学效应复合制备表层仿生结构的方法和装置，特别适用于仿生表面和摩擦副表面的加工。
背景技术
自然界中的生物经过亿万年的进化，其体表组织具有非常独特的结构和性能。生存在黏湿土壤中的动物，如蚯蚓、田鼠、蝼蛄、蟋蟀、蜣螂、马陆、蚂蚁、步甲等对于土壤具有良好的减黏脱附功能。已有的研究表明，这些土壤动物体表的某些触土部位呈几何非光滑形态(如凹坑、凸包、条纹、鳞片等)，其非光滑形态增大了液体在动物体表的接触角，提高体表的憎水性，破坏了水膜在体表的连续，降低毛细管力，具有与某些植物叶面类似的“莲花效应”。同时，动物体表的非光滑结构还降低了与土壤的接触面积，减小大气负压，使土壤动物体表具有抗黏附作用。目前仿生表面的制备多采用机械加工和激光热效应方法制备，其制备的仿生表面结构精度很高，但是制备的仿生表面存在残余拉应力，严重影响制备表面的机械性能(残余应力、硬度和粗糙度)和摩擦性能。
与本发明最为接近的技术是激光微造型技术。激光微造型技术是利用具有一定能量密度的激光束，在摩擦副工作表面上，形成与润滑性能要求优化匹配的、具有一定密度(间距)、宽度、深度、角度、形状的规则微观几何形貌，以使在摩擦副工作表面形成动压流体润滑或弹流润滑。同时，利用激光的热效益，改变金相组织，从而达到在摩擦副表面，润滑减磨和强化抗磨的双重效果。但这种方法是基于激光的热效应即利用激光束的能量使表面材料汽化、蒸发形成凹坑，由于激光热效应会改变工件表面材料的组织结构，在工件表面形成残余拉应力，从而影响材料的耐磨性能，因此其应用具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是要提供一种工件表层仿生结构激光复合制备的方法和装置。它可以在工件表面加工按一定方式布置的微观凹坑，然后采用激光冲击强化微观凹坑区域(产生残余压应力)，用于存储液体以便在仿生表面形成稳定良好的液膜，明显改善表面的机械性能(残余应力、硬度和粗糙度)和摩擦性能。
本发明采用的就是方案为，首先采用激光雕刻技术在工件表面制备具有一定密度(间距)、宽度、深度、角度、形状的规则微观几何形貌，然后激光冲击强化处理微观几何形貌区域，在工件表面加工出所需要形状和布置方式的、与润滑性能要求优化匹配的微观结构。
实施该方法的装置包括依次相连的控制装置、纳秒激光发生器、激光束I、导光管I、全反镜I、光斑调节装置I、光纤激光器、激光束II、导光管II、全反镜II、光斑大小调节装置II、自动喷涂装置、约束层、吸收层、工件、工件夹具系统和五轴工作台，其特征在于光斑调节装置主要控制激光光斑的大小和形状，由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成；自动喷涂装置激光冲击前能够在工件表面自动喷涂均匀的吸收层，在激光冲击时在工件表面喷洒厚度为1-2mm的水幕作为约束层；控制装置能够并行控制纳秒激光发生器、光纤激光器、自动喷涂装置以及五轴工作台，能够控制工件表面加工点和激光光束的相对位置，即通过控制装置编程和激光工艺参数实现加工的仿生表面的形貌。
激光复合制备表层仿生结构的方法的具体步骤如下：
(1)根据仿生表面微观形貌要求，通过控制装置编程生成加工轨迹。
(2)根据仿生表面的形貌、凹痕宽度和深度优化激光光斑直径和能量等工艺参数。
(3)根据上述参数利用控制装置控制光纤激光器和五轴工作台雕刻仿生表面，根据仿生表面要求的形貌、凹痕宽度和深度，可进行多次加工，通过控制装置控制五轴工作台控制工件移动，按区域分片加工，直到整个工件表面加工完成。
(4)利用控制装置控制自动喷涂装置在要加工的表面喷涂均匀的吸收层。
(5)吸收层干燥以后，利用控制装置控制纳秒激光发生器、自动喷涂装置和五轴工作台对雕刻表面进行激光冲击，在激光冲击时在工件表面喷洒厚度为1-2mm的水幕作为约束层，通过约束层照射到雕刻表面的吸收层上引起吸收层的汽化、电离形成冲击波，雕刻表面在冲击波的作用下发生塑性变形，即达到冲击强化效果。通过控制装置控制五轴工作台控制工件移动，按区域分片加工，直到整个工件表面加工完成。
本发明具有以下优势：
(1)激光束作为仿生表面的热源和力源，因而它属于非接触式加工，不存在刀具的磨损和消耗，工艺简单。
(2)采用光纤激光器雕刻仿生表面，由于可控性好、光束质量好、脉冲重复频率高以及输出功率稳定，能够制备高质量的仿生微观结构。
(3)激光冲击参数精确可控，重复性好，冲击强化的效果均匀，冲击波可雕刻表面实现一次或多次强化直到满足要求为至，冲击后无需再处理。
(4)激光冲击可以消除激光雕刻微观结构的残余拉应力，形成深度的残余压应力，并且明显改善表面粗糙度(表面粗糙度提高1-2个等级)，同时提高了仿生表面的硬度、晶粒细化、抗疲劳性能、抗应力腐蚀和摩擦性能。
附图说明
图1为激光复合制备表层仿生结构装置的示意图。
图2为激光复合处理在奥氏体不锈钢0Cr18Ni9表面制备的网格状仿生表面结构图。
图3为图3为奥氏体不锈钢0Cr18Ni9网格状仿生结构激光冲击前后表面微硬度和残余应力的比较图。
图4为光纤激光器雕刻的网格状结构的三维形貌和沟槽X向和Y向的截面形貌及表面粗糙度分布。
图5为激光冲击以后网格状结构的三维形貌和沟槽X向和Y向的截面形貌及表面粗糙度分布。
图中，1.控制装置 2.纳秒激光发生器 3.激光束I 4.导光管I 5.全反镜 6.光斑大小调节装置I 7.光纤激光器 8.激光束II 9.导光管II 10.光斑调节装置II 11.自动喷涂装置 12.约束层 13.吸收层 14.工件夹具系统 15.工件 16.五轴工作台
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
用本发明进行激光复合制备仿生结构的装置包括依次相连的控制装置(1)、光路系统I或光路系统II、自动喷涂装置(11)、约束层(12)、吸收层(13)、工具夹具系统(14)、工件(15)和五轴工作台(16)。光路系统I和光路系统II是并行结构，其中光路系统I包括依次相连的纳秒激光发生器(2)、激光束I(3)、导光管I(4)、全反镜(5)、光斑大小调节装置I(6)，光路系统II包括依次相连光纤激光器(7)、激光束II(8)、导光管II(9)、全反镜(5)、光斑大小调节装置II(10)，当使用光纤激光器(7)雕刻表面时，光路系统I处于不工作状态，当使用纳秒激光发生器(2)进行强化时，光路系统II处于不工作状态；光纤激光器7平均输出功率5-20W，脉冲重复率10-100KHz，输出波长1.06um，光束质量好，接近衍射极限。激光束II8可以是TEM00基横模输出，M2接近1，光束发散角为0.24mrad，从而可实现高速激光标刻，可以通过光斑大小调节装置II(10)精确控制光斑的大小和形状，还可以通过导光管II(9)和全反镜(5)控制激光束II(8)的方向。利用控制装置(1)能够并行控制纳秒激光发生器(2)、光纤激光器(7)、自动喷涂装置(11)以及五轴工作台(16)，能够控制工件(15)表面加工点和激光束I(3)或者激光束II(8)的相对位置，即通过控制装置编程(1)和激光工艺参数实现加工的仿生表面的形貌。
纳秒激光发生器(2)能量在1~50焦尔、持续时间为8~30纳秒的激光脉冲，激光束I(3)的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由控制装置(1)调节和控制。由纳秒激光发生器(2)产生的激光束I(3)通过光斑大小调节装置I(6)精确控制光斑的大小和形状，还可以通过导光管II(4)、全反镜(5)和五轴工作台(16)控制激光束II(8)和工件(15)加工表面的相对位置。在激光冲击强化过程中，利用控制装置(1)控制自动喷涂装置(11)在要加工的表面喷涂均匀的吸收层(13)，待吸收层(13)干燥以后，利用控制装置(1)控制纳秒激光发生器(2)、自动喷涂装置(11)和五轴工作台(16)对雕刻表面进行激光冲击，通过约束层(12)照射到雕刻表面的吸收层(13)上引起吸收层(13)的汽化、电离形成冲击波，雕刻表面在冲击波的作用下发生塑性变形，即达到冲击强化效果。通过控制装置(1)控制五轴工作台(16)控制工件(15)移动，按区域分片加工，直到整个工件(15)表面加工完成。
以下为激光复合制备仿生结构实例，先采用光纤激光器在奥氏体不锈钢0Cr18Ni9表面制备网格状结构，激光器平均输出功率5-20W，脉冲重复率10-100KHz，输出波长1.06um，光斑直径为40um，光束质量好，接近衍射极限。然后采用激光冲击强化处理，重复频率为3Hz的YAG激光光斑直径为0.5mm，脉冲能量为3J，激光波长为1064nm，激光脉冲宽度为20ns，对制备网格状结构进行激光冲击强化处理。
图2为激光复合处理在奥氏体不锈钢0Cr18Ni9表面制备的网格状仿生表面结构图，先采用光纤激光器进行激光雕刻，然后采用激光冲击强化。其中(a)为实物SEM图像，(b)为网格状结构图。
图3为奥氏体不锈钢0Cr18Ni9网格状仿生结构激光冲击前后表面微硬度和残余应力的比较图，其中(a)为表面微硬度比较柱状图，(b)为表面残余应力比较柱状图。图中1-4为激光雕刻后[即激光冲击前]的表面微硬度和残余应力值，5-8为激光冲击后的表面微硬度和残余应力值。从图中可以看出激光冲击前后微硬度分别是239.5HV0.2和261.3HV0.2，表面残余应力分别是48.7MPa和-149.6MPa，微硬度明显增加，表面残余应力发生质变，从拉应力转化为压应力。
图4为光纤激光器雕刻的网格状结构的三维形貌和沟槽X向和Y向的截面形貌及表面粗糙度分布，沟槽底部的粗糙度在-2μm和0.5μm之间波动，沟槽的宽度和深度分别为50μm和7.6μm；图5为激光冲击以后网格状结构的三维形貌和沟槽X向和Y向的截面形貌及表面粗糙度分布，激光冲击以后沟槽底部的粗糙度在-1μm和-0.2μm之间波动，沟槽的宽度和深度分别为50μm和6.5μm。激光冲击以后网格结构的沟槽底部的粗糙度明显降低。
激光复合处理制备的网格状仿生结构的表面微硬度、残余应力和粗糙度都有明显改善，有助于提高仿生表面的机械性能、摩擦磨损以及抗腐蚀能力。
Claims (4)
1.一种激光复合制备表层仿生结构的方法，特征在于，具体步骤如下：
(1)根据仿生表面微观形貌要求，通过控制装置(1)编程生成加工轨迹；
(2)根据仿生表面的形貌、凹痕宽度和深度优化激光光斑直径和能量工艺参数；
(3)根据上述参数利用控制装置(1)控制光纤激光器(7)和五轴工作台(16)雕刻仿生表面，根据仿生表面要求的形貌、凹痕宽度和深度，可进行多次加工，通过控制装置(1)控制五轴工作台(16)控制工件(15)移动，按区域分片加工，直到整个工件(15)表面加工完成；
(4)利用控制装置(1)控制自动喷涂装置在要加工的表面喷涂均匀的吸收层；
(5)吸收层干燥以后，利用控制装置(1)控制纳秒激光发生器(2)、自动喷涂装置(11)和五轴工作台(16)对雕刻表面进行激光冲击，在激光冲击时在工件(15)表面喷洒约束层(12)，通过约束层(12)照射到雕刻表面的吸收层(13)上引起吸收层(13)的汽化、电离形成冲击波，雕刻表面在冲击波的作用下发生塑性变形，即达到冲击强化效果；通过控制装置(1)控制五轴工作台(16)控制工件(15)移动，按区域分片加工，直到整个工件(15)表面加工完成。
2.根据权利要求1所述的一种激光复合制备表层仿生结构的方法，特征在于，所述自动喷涂装置(11)激光冲击前能够在工件表面自动喷涂均匀的吸收层(13)，在激光冲击时在工件表面喷洒厚度为1-2mm的水幕作为约束层(12)。
3.一种实施权利要求1所述的一种激光复合制备表层仿生结构的方法的装置，特征在于，包括依次相连的控制装置(1)、光路系统I或光路系统II、自动喷涂装置(11)、约束层(12)、吸收层(13)、工具夹具系统(14)、工件(15)和五轴工作台(16)；光路系统I和光路系统II是并行结构，其中光路系统I包括依次相连的纳秒激光发生器(2)、激光束I(3)、导光管I(4)、全反镜(5)、光斑大小调节装置I(6)，光路系统II包括依次相连光纤激光器(7)、激光束II(8)、导光管II(9)、全反镜(5)、光斑大小调节装置II(10)，当使用光纤激光器(7)雕刻表面时，光路系统I处于不工作状态，当使用纳秒激光发生器(2)进行强化时，光路系统II处于不工作状态；控制装置(1)并行控制纳秒激光发生器(2)、光纤激光器(7)、自动喷涂装置(11)以及五轴工作台(16)，控制工件(15)表面加工点和激光束I(3)或者激光束II(8)的相对位置。
4.根据权利要求3所述的一种激光复合制备表层仿生结构的装置，特征在于，所述光斑大小调节装置I(6)和光斑大小调节装置II(10)由一组凹透镜和一片大曲率的凸透镜组成。
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