CN105583532A - 一种减少激光打孔表面飞溅物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，包括如下步骤：步骤1、首先对试样进行抛光，然后将试样进行超声清洗，干燥备用；步骤2、将有机涂层均匀涂于试样上表面，有机涂层为石蜡和硬脂酸混合物；步骤3、用毫秒脉冲Nd:YAG激光对处理好的试样进行激光打孔；步骤4、去除表面有机物涂层，观察效果。本发明中，有机涂层材料在一定温度下会熔化，在打孔过程中会流向膜层覆盖不到的地方，能够有效保护加工面不被氧化，对整个打孔过程具有很好的保护作用。使用的膜层材料廉价易得，具有较好的经济效益。本发明使用的膜层材料镀膜方便，使用设备简单，打孔后膜层的去除简单，不需要复杂的后处理，操作非常方便。

Description

一种减少激光打孔表面飞溅物的方法

技术领域

本发明涉及到激光加工技术，是一种在金属表面涂镀一层有机物，减少激光打孔表面飞溅物的方法。

背景技术

随着航空、电子、仪器仪表、精密机械、自动控制及医疗器械等科学技术和工业生产的发展，微小深孔的应用日趋广泛。在现代工业产品不断向轻、薄、小的方向发展的过程中，其组成零件也越来越趋于小型化和精密化，对微小深孔加工精度要求也越来越高，对微小深孔加工技术也提出了更高的要求。然而采用传统的机械加工方式加工微小孔已经不能满足工艺要求,例如在高熔点的金属钼板上加工微米量级的微孔,在坚硬的碳化钨合金上加工直径为几十微米的小孔等，用常规的机械加工方法是不可能的,而采用激光打孔技术则不难实现。激光打孔技术主要是借助于高能量密度的激光束直接作用于被加工材料表面,使材料熔化、气化,从而去除材料实现打孔。激光打孔是最早实用化的激光加工技术,正成为工业生产中最有效的微孔加工方法之一，成为改造传统加工的一种有效手段。激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低及综合技术经济效益显著等优势,已成为现代制造领域的关键技术之一。目前激光打孔已用于火箭发动机和柴油机的燃料喷嘴、宝石轴承、金刚石拉丝模、化纤喷丝头等微小孔的加工中。

虽然激光打孔有很多优点，但是也存在着很多的问题。如对于毫秒激光来说，普遍存在孔周围熔融飞溅物堆积、孔径大小难以控制，重复率低、锥度大，液态金属粘附在孔壁形成再铸层。激光与工件能量传递的过程中存在热应力，会引起裂纹的产生。当使用氧气作为辅助气体时，在富氧环境下，孔周围表面飞溅堆积的熔融物和表面热影响区会出现较严重的氧化现象，严重损害了加工面的完整性，降低了打孔质量。这些不足制约了激光打孔技术的深入应用。

当前学者大多通过优化激光参数的方法来改善激光打孔飞溅物的堆积，进而提高工件表面质量，而本发明采用激光打孔前在试样表面上涂镀有机物涂层的方法，来改善激光打孔周围的表面质量，减少熔融飞溅物的产生和堆积，减轻表面热影响区的氧化，从而避免对加工表面的不必要损害，这在当前的研究中未见报道。这种方法不需要复杂繁琐的前处理和后处理，操作简单，所用材料廉价易得，具有较好的经济效益。更重要的是对加工面的保护作用非常明显可靠，孔周围熔融物堆积和表面热影响区的氧化现象明显减少。

发明内容

本发明的目的是提供一种减小毫秒脉冲激光所打微孔周围表面飞溅物的简单方法，通过在金属试样上做有机涂层，有效改善毫秒脉冲激光打孔后的工件的表面质量。在试样表面做的涂层具有易于去除、对工件表面保护效果好、不改变工件表面结构等优点。本发明提供的方法，即是对激光打孔的深入研究，同时也提供了一种改善激光打孔质量的新思路。本发明适用于包括不锈钢，高温合金在内的各种碳钢、合金钢。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，包括如下步骤：

步骤1、首先对试样进行抛光，然后将试样进行超声清洗，干燥备用；

步骤2、将有机涂层均匀涂于试样上表面，有机涂层为石蜡和硬脂酸混合物；

步骤3、用毫秒脉冲Nd:YAG激光(LASAGFLS352A,DMG,German)对处理好的试样进行激光打孔；

步骤4、去除表面有机物涂层，观察效果。

步骤1中，所述的试样为不锈钢或高温合金。

步骤1中，对试样抛光的方法为利用280#，320#、400#、500#、600#，800#，1000#和1200#氧化铝砂纸对试样进行逐级打磨并抛光；对试样超声清洗的方法为依次放入丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗。

步骤2中，所述的有机涂层中石蜡和硬脂酸的质量比为10:1～10:4。

步骤2中，所述的有机涂层的厚度为0.2～0.5mm。

步骤3中，激光打孔的参数为：能量E＝120～60W，频率f＝30Hz。

步骤3中，激光打孔的参数为：能量E＝90W，频率f＝10～100Hz。

各组分的机理和作用

膜层作用：试样经过打磨抛光和清洗后，表面粗糙度非常小，肉眼观察非常光滑，对激光具有反射作用，减小了试样材料对激光能量的吸收，在孔形成的过程中，汽化的比例就变小，进而导致液态熔融金属的量增多，最终随着能量吸收量的增加而喷射出来聚集在微孔进口处周围。另外，氧气作为辅助气体时，在激光能量传递的过程中会对热影响区部分进行氧化，严重影响打孔质量。涂上这种有机无涂层之后，一方面可以减少对激光能量的反射，使熔融金属大量气化，减少飞溅的产生。另一方面也充当试样表面保护膜的作用，隔绝孔周围表面热影响区表面与氧气的接触，减少表面大面积氧化的可能。由于膜层的保护作用，喷射出来的熔融金属沉积到膜层上面，在后期的处理当中可以很容易去除，不伤及加工面。

激光参数的设定：采用不同激光参数，同一参数设定不同大小，充分考察膜层良好的保护效果。排除膜层只在某一定参数下才有效果的可能。

本发明的独到之处和有益效果是：

(1)通过在加工表面涂镀有机涂层的方法来减少氧气作为辅助气体激光打孔过程中飞溅物对加工面的损伤和热影响区被氧化，这在当前的研究中未见报道。

(2)有机涂层材料在一定温度下会熔化，在打孔过程中会流向膜层覆盖不到的地方，能够有效保护加工面不被氧化，对整个打孔过程具有很好的保护作用。

(3)使用的膜层材料廉价易得，具有较好的经济效益。

(4)本发明使用的膜层材料镀膜方便，使用设备简单，打孔后膜层的去除简单，不需要复杂的后处理，操作非常方便。

附图说明

图1为本发明实施例1中无有机涂层和有有机涂层涂层时，使用不同激光能量在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌，其中11、12、13为无有机涂层时，使用不同激光能量在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；14、15、16为有有机涂层时，使用不同激光能量在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；A、B、C、D、E、F、G依次对应的激光能量为120W、110W、100W、90W、80W、70W、60W，激光频率为30Hz；

图2为本发明实施例1中无有机涂层和有有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌，其中21、22、23为无有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；24、25、26为有有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；A、B、C、D、E、F依次对应的激光频率为10Hz，20Hz，30Hz，50Hz，80Hz，100Hz，激光能量为90W；

图3为本发明实施例2中无有机涂层和有有机涂层时，使用不同激光能量在GH4169高温合金上打孔得到的微孔表面形貌，其中31、32、33为为无有机涂层时，使用不同激光能量在GH4169高温合金上打孔得到的微孔表面形貌；34、35、36为有有机涂层时，使用不同激光能量在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；A、B、C、D、E、F、G依次对应的激光能量为120W、110W、100W、90W、80W、70W、60W，激光频率为30Hz；

图4为本发明实施例2中无有机涂层和有有机涂层时，使用不同激光重复频率在GH4169高温合金上打孔得到的微孔表面形貌，其中41、42、43为无有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；44、45、46为有有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；A、B、C、D、E、F依次对应的激光频率为10Hz，20Hz，30Hz，50Hz，80Hz，100Hz，激光能量为90W。

具体实施方式

本发明中所述激光的"能量"采用用激光器的功率表示，单位是瓦特W。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

以304不锈钢作为试样为例：

1.首先利用280#，320#、400#、500#、600#，800#，1000#和1200#氧化铝砂纸对304不锈钢表面进行逐级打磨并抛光，然后将试样依次放入丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗，最后干燥备用。

2.将石蜡与硬脂酸按照10:1～10:4的质量比进行混合，均匀涂于试样的上表面，其厚度为0.2～0.5mm。

3.按照预先设定好的激光参数，用毫秒脉冲Nd:YAG激光(LASAGFLS352A,DMG,German)对处理好的试样进行激光打孔实验。

4.去除试样表面有机物涂层，观察涂层对熔融金属飞溅的防护效果。

获得实验结果如下：

使用不同激光能量和重复频率打孔得到的孔表面形貌分别如图1和图2。

图1展示了有无有机涂层时不同激光能量在304不锈钢上打孔表面形貌。一共打6列孔，同一参数重复3次。其中11、12、13为无有机涂层时，使用不同激光能量在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；14、15、16为有有机涂层时，使用不同激光能量在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；A、B、C、D、E、F、G依次对应的激光能量为120W、110W、100W、90W、80W、70W、60W，激光频率为30Hz。对比有无涂层时打孔结果发现，没有涂层时，微孔表面飞溅物聚集较多，氧化较为严重，而且能量越小，这种现象越严重。当有涂层时，打孔完毕，去除涂层，孔周围表面保持光洁，无明显残留物堆积，氧化现象也明显减小。

图2展示了有无涂层时不同激光重复频率在304不锈钢上打孔表面形貌。一共打6列孔，同一参数重复3次。其中21、22、23为无有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；24、25、26为有有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；A、B、C、D、E、F依次对应的激光频率为10Hz，20Hz，30Hz，50Hz，80Hz，100Hz，激光能量为90W。对比打孔结果，该种涂层依然能发挥同样好的效果。有涂层存在时，孔周围表面飞溅残留物聚集和严重氧化现象得到较大改善。

实施例2

以GH4169高温合金作为试样为例：

1.首先利用280#，320#、400#、500#、600#，800#，1000#和1200#氧化铝砂纸对GH4169高温合金圆片表面进行逐级打磨并抛光，然后将试样依次放入丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗，最后干燥备用。

2.将石蜡与硬脂酸按照10:2～10:3的质量比进行混合，均匀涂于试样的上表面，其厚度为0.3～0.4mm。

3.按照预先设定好的激光参数，用毫秒脉冲Nd:YAG激光(LASAGFLS352A,DMG,German)对处理好的试样进行激光打孔实验。

4.去除试样表面有机物涂层，观察涂层对熔融金属飞溅的防护效果。

获得实验结果如下：

使用不同激光能量和重复频率在GH4169高温合金上打孔得到的孔表面形貌分别如图3和图4。

图3展示了有无涂层时不同激光能量在GH4169高温合金上打孔表面形貌。一共打6列孔，同一参数重复3次。其中31、32、33为为无有机涂层时，使用不同激光能量在GH4169高温合金上打孔得到的微孔表面形貌；34、35、36为有有机涂层时，使用不同激光能量在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；A、B、C、D、E、F、G依次对应的激光能量为120W、110W、100W、90W、80W、70W、60W，激光频率为30Hz。对比有无涂层时打孔结果发现，没有涂层时，微孔表面飞溅物聚集较多，氧化严重，而且能量越小，这种现象越明显，严重影响加工质量。当有涂层时，孔周围表面光洁无残留物，氧化现象也明显减小，此结果和在304不锈钢上打孔时保持一致。

图4展示了有无涂层时不同激光重复频率在GH4169高温合金上打孔表面形貌。一共打6列孔，同一参数重复3次。其中41、42、43为无有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；44、45、46为有有机涂层时，使用不同激光重复频率在304不锈钢上打孔得到的微孔表面形貌；A、B、C、D、E、F依次对应的激光频率为10Hz，20Hz，30Hz，50Hz，80Hz，100Hz，激光能量为90W。对比打孔结果，该种涂层在不同激光参数和加工材料的情况下依然能发挥同样好的效果。有涂层存在时，孔周围表面飞溅残留物聚集和严重氧化现象得到明显改善。

Claims (7)

1.一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、首先对试样进行抛光，然后将试样进行超声清洗，干燥备用；

步骤2、将有机涂层均匀涂于试样上表面，所述的有机涂层为石蜡和硬脂酸混合物；

步骤3、用毫秒脉冲Nd:YAG激光对处理好的试样进行激光打孔；

步骤4、去除表面有机物涂层，观察效果。

2.根据权利要求1所述的一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，其特征在于，步骤1中，所述的试样为不锈钢或高温合金。

3.根据权利要求1所述的一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，其特征在于，步骤1中，对试样抛光的方法为利用280#，320#、400#、500#、600#，800#，1000#和1200#氧化铝砂纸对试样进行逐级打磨并抛光；对试样超声清洗的方法为依次放入丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗。

4.根据权利要求1所述的一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，其特征在于，步骤2中，所述的有机涂层中石蜡和硬脂酸的质量比为10:1～10:4。

5.根据权利要求1所述的一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，其特征在于，步骤2中，所述的有机涂层的厚度为0.2～0.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，其特征在于，步骤3中，激光打孔的参数为：能量E＝120～60W，频率f＝30Hz。

7.根据权利要求1所述的一种减少激光打孔表面飞溅物的方法，其特征在于，步骤3中，激光打孔的参数为：能量E＝90W，频率f＝10～100Hz。