CN102732695A - 一种液体介质下金属表面激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在液体介质下对部件、试件进行激光表面加工的方法，特别涉及在液体介质下，利用激光制备手段获得优异处理区组织和特殊表面性能的一种液体介质下金属表面激光加工方法方法。具体实施过程为：将部件或试件浸于装有某种液体的容器中，激光终端透过部件或试件表面的液体水膜，照射待加工试件或部件表面。通过调节液面高度、液流速度和温度，可实现对部件或试件的不同加工需求。该方法可作为优化激光加工区组织的方法，亦可对待加工部件或试件进行预热处理，从而获得理想的表面机械性能和特殊功能。

Description

一种液体介质下金属表面激光加工方法

技术领域

本发明涉及一种在特殊条件下进行激光制备的先进制造技术领域，特别涉及一种在液体介质下，利用激光制备手段获得优异处理区组织和特殊表面性能的方法。

技术背景

激光是20世纪人类最伟大的发明之一，自1960年美国第一台红宝石激光器问世以来，激光技术及其应用的研究一直是国内外研究热点课题。作为一种受激辐射放大的光，激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性以及特殊的空间分布性、时间控制性、偏振特性等特点，在制造、测量、医学、通信、交通、能源、环境、教育等各行各业被广泛应用。激光加工技术是一种高度柔性和智能化的先进加工技术，被誉为“万能加工工具”，“未来制造技术的共同加工手段”，为材料/机械加工领域提供了一种经济效益显著而生产效率又很高的制造方法。目前，激光加工技术正以前所未有的速度向航空航天、机械制造、石化、船舶、冶金、电子、信息等领域扩展，并深刻地影响着各国科技水平。

激光加工技术主要包括激光打孔、激光切割、激光焊接、激光相变、激光熔凝、激光熔覆与合金化、激光打标、激光雕刻等，其不同的功能是通过激光与材料交互时产生的热学效应实现的。激光在材料的相变点以下加热，材料不发生结构变化，可作为材料局部传热和调质处理的一种手段；激光在相变点以上、低于熔点阶段加热，材料发生固态相变，主要获得激光相变硬化的功能；激光在熔点以上、低于汽化点阶段加热，材料受照射区熔化形成熔池，熔池外主要是传热，熔池内存在三种物理过程：传热、对流和传质，该阶段主要获得激光熔凝、激光焊接、激光熔覆和合金化、激光打标等功能；激光在材料汽化点以上加热，材料局部区域汽化并形成等离子体，此时可获得激光切割、激光雕刻等功能。

利用激光相变、熔凝、熔覆及合金化等方法，可改变材料表面的组织结构、物理性能、应力状态和化学成分等，从而改变材料的表面性能，如耐磨、抗疲劳、抗腐蚀、抗氧化等，进而提高零部件的使用寿命并扩大材料的应用范围，该方法统称为激光表面处理技术。激光表面处理技术以在金属材料表面的应用最为广泛。实际上，激光对金属材料表面处理，是一个急冷急热的热处理过程或熔化区域快速凝固的非平衡结晶过程。与常规热处理和凝固相比，激光对材料表面的加热速度和冷却速度要高得多，加热速度可达10⁴-10⁶℃/s，冷却速度达10⁴-10⁸℃/s，最终获得晶粒度更细小、位错密度更高、固溶含碳量更多的优异处理区组织，从而实现材料表面功能的优化。

目前，激光表面处理技术大都在空气介质中对材料表面进行加工处理，激光以很高的能量密度，透过介质气体(空气)后照射至材料表面，在排除由于材料表面光反射而损失的反射光能量后，剩余的入射光被材料吸收而贡献于激光辐照热效应。尽管受激光照射的处理区组织在快速冷却或非平衡结晶过程中具有许多较平衡结晶更优越的典型特征，但因激光参数、基体材料自身物理化学性能不同，处理区组织乃至其功能特性也会差异很大，因此，激光表面处理技术仍有很大空间可进一步改进或通过其它方法的组合，实现多元化制备。目前需要在以下主要方面进行改进：

a)冷却方式主要为材料的自冷却，冷却速度受基体材料自身的热物理性能限制；

b)因伴随氧化反应，空气介质中激光与材料交互出现热反应较剧烈，材料表面很易出现飞溅、气蚀、气化等现象；

c)因处理后可能会造成材料表面热应力过大、出现裂纹等缺陷造成材料表面性能下降。

在传统激光表面处理的基础上，为了获得更佳的处理区组织和更优异的表面性能，使其晶粒更精细，耐磨性、抗疲劳性和力学性能等使用性能和机械性能进一步提高；同时克服空气介质中加工的缺点和不足，拓宽激光加工的使用范围，满足资源节约型社会的建设需要，提出了本发明的技术方案。

发明内容

针对空气介质中激光加工的不足，同时为满足现在社会对材料使用性能和机械性能强烈需求，本发明的目的是：提出了一种液体介质下金属表面激光加工方法。该方法可使经液体介质下激光加工金属表面获得优异处理区组织和功能表面。通过提高处理区的冷却速度，获得更加精细的组织结构，从而获得更加优异的表面性能，使材料的使用范围更加广泛，适应更加苛刻的服役环境，延长其使用寿命，进而节约资源。同时，克服空气介质中激光加工的缺点和不足。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：将部件或试件浸没于具有一定温度的液体介质中，待加工工件表面朝上，至液面一定厚度(液膜厚度)，激光透过待加工工件表面的液膜，照射待加工工件表面从而实现液体介质下的激光加工。液体介质包括：水、水溶液以及其它在激光照射下不发生燃烧反应的液体。待加工工件表面液膜厚度范围为0.1～5mm；液体介质温度为室温至100℃。进行加工的激光参数为：光斑模式-脉冲；功率密度：2×106～9.5×107J/cm2；脉冲宽度：0.5～20ms；频率：1～10Hz；部件相对运动速度：0.2～2mm/s。

所述液体介质的温度由温度控制系统进行控制，温度控制系统由人机界面系统、温度测量元件、信号采集器以及供水系统等组成。人机界面系统中的判断控制器根据实验所需的液体介质的温度和温度测量元件反馈的瞬时温度信号对介质的温度进行判定，根据温度测量元件反馈的瞬时信号判断介质温度是否在实验初始设定的温度范围之内，如果介质温度高于设定的温度，控制器将发出信号调控进、排液体阀门的开启，启动供水系统，实现冷热液体介质的等流量交换，保证实验在初始设定的温度下进行。

所述液体介质膜的厚度由液体膜厚度控制系统控制，液体膜厚度控制系统由人机界面系统、液面高度测量元件、信号采集器以及供水系统等组成。液膜厚度由人机界面系统中的判断控制器根据液面高度检测元件和试件台与试件的高度差计算得出。人机界面系统中的判断控制器根据初始设定的液体介质膜厚度和液面高度检测元件反馈的瞬时信号对厚度进行时时的检测判定，当液体介质膜的厚度因蒸发等原因造成液膜的厚度减少，控制器将发出信号调控进、排液体阀门的开启，启动供水系统，对液体的损失量进行补充，保证工件在相同的液体膜厚度下进行加工。

本发明不仅能够在静态液体介质条件下进行，还能够通过控制系统的控制实现在一定速度下的动态液体介质条件下进行激光加工，满足工件的不同的加工需求，而且通过液体流量测量元件能感知液体介质的瞬时流速。

为利用液体介质作为不同的工作载体，可灵活调节液体介质温度。若以提高激光加工区的冷却速度为目的，可将介质温度设定为室温状态；若以预热部件为目标，则可通过人机界面将介质温度设定为室温至100℃，加热元件将启动加热液体介质，达到预热的目的。

以上方案完成按如下工作流程框图实施，如图1所示。

本发明的实施通过如下控制器完成：该控制器包括液体介质温度控制系统、液体膜厚度控制系统以及流速测量装置。液面高度测量元件、介质温度测量元件、加热元件、液体介质流速测量元件以及信号采集装置和供水系统通过与人机界面的连接，通过人机界面中的输入编辑器实现实验所需数据的设定，通过判断控制器实现实验过程中对实验条件的控制，进而实现本发明所需的液体介质温度、液膜厚度以及流速的控制，从而使本发明得以实现。

本发明实现的操作过程如下：

1)将试件安装在试件台上，并检查实验装置线路；

2)设定实验所需液体介质的参数：液膜厚度、液体介质温度、液体介质状态(流速)；

3)设定满足实验要求的激光加工参数：光斑模式、功率密度、脉冲宽度、频率、部件相对运动速度；

4)开启激光器对试件进行加工直至加工完毕关闭激光器。

本发明具有以下显著效果：

(1)获得更快的冷却速度。由于液体介质的比热和热传导率的作用，通过液体介质的对流传热，加快了工件处理区热量的传输，从而使工件的冷却速度相对工件的自冷却具有更大的提高。

(2)获得更加精细的加工区组织。因液体介质的加入，加快了工件激光处理区的冷却速度，提高了成分过冷，同时抑制了处理区晶粒的形核与长大，从而使处理区的晶粒更精细，个别基体材料的处理区晶粒度达到纳米级。

(3)获得更加优异的表面性能。因处理区组织更精细，工件表面的耐磨性、耐腐蚀性、抗热疲劳性等表面性能更加优异。

(4)避免空气介质中加工的缺陷。液体介质的屏障作用防止飞溅、气蚀、气化、热反应(氧化反应)剧烈等现象的发生，同时液体介质能够使散热均匀，降低工件表面的热应力，减少裂纹的出现。

附图说明

图1：工作流程框图。

图2：加工示意图。

图3：冷却速度柱状图(℃/s)。

图4：空气介质和流动水介质下不同水膜厚度GCr15轴承钢激光处理效果图，其中：

图4A：处理区表面扫描电镜图；

图4B：硬度分布曲线。

图5：空气介质和静止水介质下不同水膜厚度激光处理蠕墨铸铁表面的摩擦磨损性能图，其中：

图5A：不同介质下磨损量对比柱状图；

图5B：不同介质对蠕墨铸铁摩擦系数曲线。

图6：空气介质和静止水介质下不同水膜厚激光处理H13钢表面的磨损形貌对比图。

图2中：1、液面高度测量元件；2、液面；3、加热元件；4、激光加工终端；5、液体温度测量元件；6、试件；7、液体流速测量元件；8、盛水装置；9、工作台

具体实施方式

实施例一：空气和静止水介质下不同水膜厚度蠕墨铸铁激光处理区冷却速度。

利用图2所示部件及程序进行水膜介质下激光表面制备，并选择空气介质下制备试样作为参考样。试件材质为蠕墨铸铁，试件尺寸为20×10×10mm³；激光参数为：脉冲频率3Hz，脉宽5ms，激光单脉冲能量71J，光斑直径为0.7mm，离焦量5mm。处理试件类型分别为：空气介质处理，1mm、2mm和3mm水膜介质处理。水介质的温度为室温25℃。结合各试件在不同条件下加工的处理区组织特点，利用激光与材料交互的传热原理计算了不同加工介质和介质厚度下处理区的冷却速度，如图3所示。相比空气介质，水膜介质的加入明显提高了处理区的冷却速度，水膜厚度的不同对冷却速度有很大影响，水膜厚度越大，冷却速度越快。超过一定水膜厚度阚值，因大部分热量被水介质吸收而达不到激光处理的效果。

实施例二：空气介质和流动水介质下不同水膜厚度GCr15轴承钢激光处理效果。

利用图2所示部件及程序进行水膜介质下激光表面制备，并选择空气介质下制备试样作为参考样。试件GCr15轴承钢化学成份(百分含量)为：C 0.95、Si 0.2、Mn 0.3、Cr 1.35、P<0.027、S<0.02。GCr15轴承钢标准试件尺寸为20×10×10mm³；激光参数为：脉冲频率为1Hz，脉宽为5ms，输入单脉冲能量78J，光斑直径为0.7mm，离焦量为5mm。水膜厚度分别设定为1mm、2mm、3mm；水流速度为0.5mm/s；水介质温度为室温25℃。

采用FEI XL-30FEG ESEM型场发射扫描电子显微镜分别对处理后试件a(1mm水膜)、b(2mm水膜)、c(3mm水膜)、d(空气介质)的表面形貌进行观察，如图4A所示。由图可见，激光水膜介质下制备可获得高度细化胞状晶，处理区显微组织与空气介质下截然不同。对比发现，一些颗粒尺寸达到纳米级尺度范畴，且随着水膜厚度的增加，纳米颗粒的尺寸显著减小，其变化趋势如图4A(a)-(c)所示。1mm水膜厚度下处理区晶粒较粗，无纳米晶；2mm水膜厚度下处理区大部分颗粒都极为细小，达到纳米级；而3mm水膜厚度下激光处理区绝大部分为纳米晶。

采用美国HXD-1000型全自动显微硬度计对制备好的a、b、c、d四个试件处理区进行硬度测量，测量点间距约为25μm，加载载荷50g，加载时间5s，误差为±25HV，其结果如图4B所示。由图可见，水膜介质下激光处理后的试件硬度明显高于空气介质；随着水膜厚度的增加，试件的硬度值也逐渐增加，在3mm水膜中处理的硬度值最高。

实施例三：空气介质和静止水介质下不同水膜厚度激光处理蠕墨铸铁表面的摩擦磨损性能。

利用图2所示部件及程序进行水膜介质下激光表面制备，并选择空气介质下制备试样作为参考样。试件蠕墨铸铁(CGI)的化学成分(百分含量)为：C 3.56、Si 2.56、Mn 0.75、P0.03、S 0.03、Re 0.02、Mg 0.02。蠕墨铸铁(CGI)标准试件尺寸为20×10×10mm³；激光参数为：脉冲频率为1Hz，脉宽为5ms，输入单脉冲能量71J，光斑直径为0.7mm，离焦量为5mm。水膜厚度分别为1mm、2mm、3mm；水膜为静止状态；水介质温度为室温25℃。

对制备好的试件进行了常温摩擦磨损试验，摩擦副材料选用调质处理的45号钢，平均洛式硬度50HRC，载荷12Kg，转速350r(min)^-1，磨损时间30min；采用FA2004型电子天平(精度0.0001g)测量试样磨损前后的质量，其磨损量如图5A。由图可见，水下激光处理后试样的磨损量均低于空气中处理，其中1mm、2mm和3mm水膜厚度中激光处理获得试样的磨损量比空气中处理的试样分别减小20.51％、41.02％、51.28％。

图5B为试验测得的摩擦系数。在磨损的初始阶段，摩擦系数迅速增加，但随着摩擦过程的深入，摩擦系数逐渐趋于稳定；水膜介质下激光处理后试样在磨损过程中可获得较小的磨擦系数，而且处理区使得摩擦应力分布更加均匀，从而得到稳定的摩擦系数。

实施例四：空气介质和静止水介质下不同水膜厚度激光处理H13钢表面的磨损形貌。

利用图2所示部件及程序进行水膜介质下激光表面制备，并选择空气介质下制备试样作为参考样。试件H13钢的化学成分(百分含量)为：C 0.36、Si 1.09、Mn 0.32、Cr 5012、Mo 1.32、P 0.023、S 0.025。H13钢标准试件尺寸为20×10×10mm3；激光参数为：脉冲频率为1Hz，脉宽为5ms，输入单脉冲能量71J，光斑直径为0.7mm，离焦量为5mm。水膜厚度分别为1mm、2mm、3mm；水膜为静止状态；水介质温度为室温25℃。

对制备好的试件a(空气介质)、b(1mm水膜)、c(2mm水膜)、d(3mm水膜)进行了常温摩擦磨损实验，摩擦副材料选用调质处理的45号钢，平均洛式硬度50HRC，载荷12Kg，转速350r(min)-1，磨损时间30min。利用扫描电镜对磨损后的形貌进行了扫描，如图6所示。由图可见，空气介质下激光处理试样其表面材料塑性变形严重，脱落的磨屑在磨损过程中粘附于摩擦面，存在固相焊合并伴随有大量犁沟，表现出粘着磨损和磨粒磨损的特征，这种情况下磨损量最大；而在水膜介质下激光处理后的试件，基本没有磨屑粘附，主要是犁沟凹槽，并随着水膜厚度的增加，犁沟的数量和深度均减少。

实施例五：静止水介质下相同水膜厚度不同水介质温度激光处理蠕墨铸铁的处理效果。

利用图2所示部件及程序进行水膜介质下激光表面制备。试件材质为蠕墨铸铁，试件尺寸为20×10×10mm³；激光参数为：脉冲频率3Hz，脉宽5ms，激光单脉冲能量71J，光斑直径为0.7mm，离焦量5mm。水膜厚度为1.5mm；将加工前水介质温度提高至100℃。通过对加工后试件剖面的高倍显微镜观察，与室温25℃条件下相比，水介质温度为100℃时，激光处理区内及与基体界面处的裂纹明显减少，处理区与基体连接处过渡更平顺，显微组织的晶粒尺寸有所增大，但变化不明显。从而可知，水介质温度为100℃时，对待加工其预热作用，激光处理区的残余热应力将有所降低。

Claims (4)

1.一种液体介质下金属表面激光加工方法，其特征在于，加工过程按一下步骤进行：将部件或试件浸没于具有一定温度的液体介质中，待加工工件表面朝上，至液面有一定液膜，激光透过待加工工件表面的液膜，照射待加工工件表面进行液体介质激光加工；

所述液体介质包括：水、水溶液以及其它在激光照射下不发生燃烧反应的液体；

所述待加工工件表面的液膜厚度范围为0.1～5mm；

液体介质温度为室温至100℃；

进行加工的激光参数为：光斑模式-脉冲；功率密度-2×10⁶～9.5×10⁷J/cm²；脉冲宽度-0.5～20ms；频率-1～10Hz；部件相对运动速度-0.2～2mm/s。

2.根据权利要求1所述的一种液体介质下金属表面激光加工方法，其特征在于，利用液面高度测量元件和温度测量元件，获得待加工工件表面液体介质膜厚度和温度的瞬时数据，通过控制器控制进、排液体阀门，自动调节液体介质厚度和温度。

3.根据权利要求1所述的一种液体介质下金属表面激光加工方法，其特征在于，液膜在静止状态和流动状态形成，并通过流速测量元件感知瞬时流动速度，通过控制进排液阀门进行流量调节，所述流动速度范围为0.1～0.9mm/s。

4.根据权利要求1所述的一种液体介质下金属表面激光加工方法，其特征在于，所述液体介质温度视加工目标不同可调，若以提高加工区的冷却速度为目标，将液体介质温度设定为室温状态；若以预热部件为目标，则可将液体介质温度设定为室温至100℃。

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