CN102626826B - 一种基于激光冲击波的高效微凹槽制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于激光冲击波的高效微凹槽制造技术。吸收层在高能脉冲激光辐照下产生冲击波，利用激光诱导的冲击波产生的巨大压力，将金属网嵌入金属材料表面，在金属表面形成微凹槽。

Description

一种基于激光冲击波的高效微凹槽制造装置及方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面微制造领域，具体地是指一种基于激光冲击波的高效微凹槽制造技术。
背景技术
通过在船舶及水下航行器表面制作微米尺度的微凹槽，是减少航行阻力的有效途径；在摩擦副表面制作微米尺度的微凹槽，可以用来储存润滑油及摩擦过程中产生的磨损碎片，大大提高摩擦副的耐磨性能；同时，微凹槽的制作也是微机电系统（MEMS）、生物技术等领域的重要研究方向之一。
目前，在金属表面制备微凹槽的技术主要有机械法、电化学法、激光烧蚀法、电子束加工法等。机械法存在刀具制造复杂、加工效率低的缺点；电化学法存在工艺复杂、易污染环境的缺点；激光烧蚀法会破坏表面的完整性，激光烧蚀产生的热效应会引起材料微观组织的变化以及在表面形成残余拉应力层，其制得的微凹槽表面粗糙度高；电子束加工法存在加工效率低的缺点。专利201010221857.8提出了一种铝表面微凹槽制备方法，也存在着工艺复杂，加工效率低的缺点。
发明内容
本发明针对以上技术的不足，提供一种基于激光冲击波的高效微凹槽制造技术。高能脉冲激光经过聚焦透镜聚焦后，辐照在吸收层表面，吸收层吸收激光能量产生等离子爆炸形成高强度的冲击波，约束层的作用是延长等离子爆炸的维持时间以提高冲击波峰值压力和延长冲击波的持续时间。金属网在冲击波产生的强大推力下，嵌入工件表面，形成微凹槽。以下为本发明的具体实施例，但不用来限制本发明。本发明包括激光器、聚焦透镜、约束层、吸收层、金属网、有机粘合剂和工件。
所述的金属网可以使各种类型的编织网，如方孔网、席型网等，其丝径小于等于0.5mm。
所述的金属网必须通过有机粘合剂紧密的粘合在工件表面，粘结剂的厚度小于3μm，以最大程度的利用冲击波产生的推力。
所述的激光器为高能脉冲激光器，焦点位置光斑直径大于3mm，并且此时光斑内激光功率密度大于等于1GW/cm2。
所述的吸收层可以是铝箔，也可以是黑色聚酯胶带，其厚度大于150μm，，可以经受5次以上的激光辐照而不破裂，以实现对同一位置的多次冲击；同时也为了充分利用激光产生的冲击波的能量，其厚度必须小于250μm。
所述的吸收层为流水，以方便进行连续加工其厚度为1mm~2mm。
本发明的有益效果如下：
1、通过改变金属网的种类，可以获得不同形状的微凹槽。
2、本发明制作的微凹槽，粗糙度小于0.4。
3、本发明加工微凹槽，不受工件表面形状的限制，如可以对齿轮、凸轮表面进行微凹槽加工。
4、本发明加工的微凹槽，其表层为压应力层，可有效提高工件疲劳寿命。
5、该方法可实现自动化，生产效率高，如在本发明采用的激光器上，可以获得约48 cm2/min的加工效率。
附图说明
图1：基于激光冲击波的高效微凹槽制造技术装置示意图；
图2：用本方法在纯钛表面制备出的高效凹槽光学显微镜照片；
图1中包括，1激光器、2聚焦透镜、3 脉冲激光、4约束层、5吸收层、6金属网、7有机粘合剂、8工件。
具体实施方式
基于激光冲击波的高效微凹槽制造技术的实施步骤如下：
A、工件（8）进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗；
B、将金属网（6）通过有机粘合剂（7）粘合在工件（8）表面；
C、将吸收层（5）覆盖在金属网（6）表面；
D、将约束层（4）覆盖在吸收层（5）表面；
E、激光器（1）发出高能量脉冲激光，脉冲激光（3）经过聚焦透镜（2）聚焦后，辐照在吸收层（5）表面，吸收层（5）吸收激光能量爆炸形成高强度的冲击波，金属网（6）在冲击波产生的强大推力下，嵌入工件（8）表面，形成微凹槽；
F、去除金属网（6），并用丙酮清洗工件（8）。
具体实施例一：工件为纯钛，纯钛进行表面打磨抛光，用丙酮、酒精清洗；将300目不锈钢方孔网通过有机粘合剂粘合在纯钛表面；将厚度为240μm的铝箔覆盖在不锈钢方孔网表面；将在铝箔表面覆盖厚度约为1mm的水膜；本发明采用的激光器重复频率为5HZ，激光器发出能量为12.5J，脉宽为10ns的脉冲激光，经过聚焦透镜聚焦后，在铝箔表面形成直径大约为4.5cm的辐照区域，铝箔吸收激光能量爆炸形成高强度的冲击波，300目不锈钢方孔网在冲击波产生的强大推力下，下端部分嵌入纯钛表面，形成微凹槽；去除300目不锈钢方孔网，并用丙酮清洗纯钛表面。
该方法处理后，经光学显微镜观察，在纯钛表面获得如图2所示的宽度为10μm，长度为100μm，最大深度为5μm的微凹槽表面。

Claims (8)

1.基于激光冲击波的高效微凹槽制造装置，其特征在于，包括激光器(1)、聚焦透镜(2)、约束层(4)、吸收层(5)、金属网(6)、有机粘合剂(7)和工件(8)，激光器(1)正对于聚焦透镜(2)；金属网(6)通过有机粘合剂(7)粘合于工件(8)表面；吸收层(5)覆盖在金属网(6)上；约束层(4)覆盖在吸收层(5)表面；激光器(1)发出的脉冲激光(3)穿过约束层(4)，辐照在吸收层(5)上。
2.实施权利要求1所述的基于激光冲击波的高效微凹槽制造装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：
A、对工件(8)进行表面打磨抛光，然后用丙酮、酒精清洗；
B、将金属网(6)通过有机粘合剂(7)粘合在工件(8)表面；
C、将吸收层(5)覆盖在金属网(6)表面；
D、将约束层(4)覆盖在吸收层(5)表面；
E、激光器(1)发出脉冲激光(3)，脉冲激光(3)经过聚焦透镜(2)聚焦后，辐照在吸收层(5)表面，吸收层(5)吸收激光能量爆炸形成冲击波，金属网(6)在冲击波产生的推力下，嵌入工件(8)表面，形成微凹槽；
F、去除金属网(6)，并用丙酮清洗工件(8)。
3.根据权利要求2所述的的方法，其特征在于，所述的金属网使用方孔网，其丝径小于等于0.5mm。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的金属网,其材料的屈服强度大于待处理工件材料的屈服强度。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的金属网通过有机粘合剂紧密的粘合在工件表面，粘结剂的厚度小于3μm。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的激光器(1)为脉冲激光器，焦点位置光斑直径大于3mm，光斑内激光功率密度大于等于1GW/cm2。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的吸收层是铝箔或黑色聚酯胶带，其厚度大于150μm并小于500μm。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的约束层为流水。
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