CN107570875A - 一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及表面处理领域，具体涉及一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺。首先采用厚度为10～20μm的接触膜配合高能脉冲激光束进行激光冲击波抛光，随着金属工件表面粗糙度的降低，依次采用厚度逐渐增大的接触膜进行激光冲击波抛光，保证每次激光冲击波抛光过程中，变形的接触膜下表面最低点不与金属工件微凹坑底部接触，直至金属工件表面粗糙度达到要求，以提高激光冲击波抛光金属工件的效率和抛光效果。
Description
技术领域
本发明涉及表面处理领域，具体涉及一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺。
背景技术
抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光不能提高工件的尺寸精度或几何形状精度，而是以得到光滑表面或镜面光泽为目的。
现有技术中，机械抛光只能对规则表面进行抛光处理；化学抛光和电化学抛光耗时长、效率低；专利“一种基于激光冲击波的抛光方法及装置201410250823.X”提出通过控制激光冲击波的峰值压力介于金属工件的动态屈服强度和雨贡纽极限HEL之间，通过多次冲击来熨平金属工件表面的微凸起，从而降低金属工件的表面粗糙度，该专利采用同一功率密度和同一厚度的接触膜多次碾压的方法实现表面粗糙度的降低，在此过程中，表面粗糙度是一个逐渐降低的过程，由于接触膜的存在，激光冲击波会的强度在接触膜中衰减，选择厚度较小的接触膜可以更好的利用激光冲击波，从而提高抛光效率，然而，厚度较小的接触膜在高压冲击波作用下会发生弹性变形；此外，激光光斑内部能量分布的不均匀以及其他外部参数导致的压力脉冲空间分布不均匀也会导致接触膜变形各处变形的不均匀，从而影响激光冲击波抛光的效果，因此，采用单一厚度的较厚或者较薄的接触膜，都无法获得令人满意的抛光效率和抛光效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺，以提高激光冲击波抛光金属工件的效率和抛光效果。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺，其特征在于，首先采用厚度为10～20μm的接触膜配合高能脉冲激光束进行激光冲击波抛光，随着金属工件表面粗糙度的降低，依次采用厚度逐渐增大的接触膜进行激光冲击波抛光，保证每次激光冲击波抛光过程中，变形的接触膜下表面最低点不与金属工件微凹坑底部接触，直至金属工件表面粗糙度达到要求。
所述的高能脉冲激光束透过约束层作用于吸收层的上表面，约束层、吸收层、弹性接触膜从上至下依次覆盖在金属工件的表面上。
所述的弹性接触膜为60Si2CrVA，属于高弹性金属材料，厚度为10～150μm，强度和硬度高于金属工件的强度和硬度；弹性接触膜的下表面经抛光处理。
所述的高能脉冲激光束的脉宽范围为10～30ns，功率密度范围为109～1010GW/cm2。
本发明的工作原理为：吸收层在高能脉冲激光辐照下，产生等离子爆炸，等离子爆炸在约束层的约束作用下产生高压冲击波，在高压冲击波的作用下，弹性接触膜可“碾压”金属工件的微凸起，降低金属工件的表面粗糙度。激光冲击波在接触膜中传播时强度会衰减，从而使到达工件表面的接触压力降低，影响抛光效果，选择厚度较小的接触膜可以更好的利用激光冲击波，从而提高抛光效率，然而，厚度较小的接触膜在高压冲击波作用下，未与金属工件表面直接接触的那部分材料会发生弹性变形，若弹性变形量过大，也就是接触膜下表面最低点与金属工件表面微凹坑底部接触时，会使微凹坑底部材料也向下运动，这将导致抛光效果大幅度弱化；此外，激光光斑内部能量分布的不均匀以及其他外部参数导致的压力脉冲空间分布不均匀也会导致接触膜变形各处变形的不均匀，从而影响激光冲击波抛光的效果。因此，在表面粗糙度较大时，在保证接触膜下表面最低点与金属工件表面微凹坑底部不接触的前提下，采用厚度尽可能小的接触膜，可以减少激光冲击波的衰减，充分利用激光冲击波的能量来提高抛光效率；由于每次激光冲击波抛光作用都可以降低表面粗糙度50％以上，因此每次激光冲击波抛光后必须更换厚度更大的接触膜，可以保证每次激光冲击波抛光过程中接触膜下表面最低点与金属工件表面微凹坑底部不接触，从而保证激光抛光效果，提高抛光效率。
本发明具有的有益效果：在金属工件表面粗糙度较大时，采用厚度较小的接触膜，可以减少激光冲击波的衰减，从而在激光器脉冲能量一定的情况下，在处理过程中增大光斑来充分利用激光能量，提高抛光效率；在金属工件表面粗糙度降低时，采用厚度逐渐增大的接触膜，在保证接触膜下表面最低点与金属工件表面微凹坑底部不接触的前提下，可以充分利用激光能量，提高抛光效果；此外，在金属工件表面粗糙度较低时，采用厚度较大的接触膜，可以屏蔽由于激光能量分布不均匀等外部因素导致的空间压力分布不均匀，使不均匀冲击波传播到金属薄膜底部时有足够的时间均匀化，从而不会引起接触膜的不规则变形，提高抛光效果。
附图说明
图1是渐进式激光冲击波的抛光方法示意图。
图中：1高能脉冲激光束 2约束层 3吸收层 4弹性接触膜 5金属工件。
图2是激光冲击波抛光过程中接触膜变形示意图。
图中：4接触膜 41接触膜下表面最低点 5金属工件 51金属工件微凹坑底部。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明的一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺如图1所示，包括工作台高能脉冲激光束1、约束层2、吸收层3、弹性接触膜4和金属工件5。约束层2、吸收层3、弹性接触膜4依次覆盖在金属工件5的待处理表面上。
实施实例一：
本实例中，脉冲激光器最大允许单脉冲能量为10J，所发出的高能脉冲激光束1脉宽为10ns；约束层2为流动的去离子水膜，其厚度约为1mm；弹性接触膜4的材质为60Si2CrVA高弹性弹簧钢，硬度为700HV，动态屈服强度为2.8GPa，下表面粗糙度为60nm，厚度50μm；金属工件3材质为纯铝，其硬度为25HV，雨贡纽极限(HEL)约为700MPa，初始表面粗糙度为1.43μm。
在金属工件5的同一位置分别进行5次激光冲击波抛光，采用的参数为：第一次，激光脉冲能量10J，光斑直径6mm，接触膜4厚度15μm；第二次，激光脉冲能量10J，光斑直径5.6mm，接触膜4厚度30μm；第三次，激光脉冲能量10J，光斑直径5mm，接触膜4厚度50μm；第四次，激光脉冲能量10J，光斑直径4.5mm，接触膜4厚度70μm；第五次，激光脉冲能量10J，光斑直径4mm，接触膜4厚度100μm。经过5次激光冲击波抛光后，金属工件表面粗糙度为85nm。
实施实例二
本实例中，脉冲激光器最大允许单脉冲能量为10J，所发出的高能脉冲激光束1脉宽为10ns；约束层2为流动的去离子水膜，其厚度约为1mm；弹性接触膜4的材质为60Si2CrVA高弹性弹簧钢，硬度为700HV，动态屈服强度为2.8GPa,下表面粗糙度为60nm，厚度50μm；金属工件5材质为LY2铝合金，其硬度为130HV，雨贡纽极限(HEL)约为1GPa，初始表面粗糙度为1.62μm。
在金属工件5的同一位置分别进行5次激光冲击波抛光，采用的参数为：第一次，激光脉冲能量10J，光斑直径5.5mm，接触膜4厚度15μm；第二次，激光脉冲能量10J，光斑直径5mm，接触膜4厚度30μm；第三次，激光脉冲能量10J，光斑直径4.5mm，接触膜4厚度50μm；第四次，激光脉冲能量10J，光斑直径4mm，接触膜4厚度70μm；第五次，激光脉冲能量10J，光斑直径3.5mm，接触膜4厚度100μm。经过5次激光冲击波抛光后，金属工件表面粗糙度为80nm。
实施实例三
本实例中，脉冲激光器最大允许单脉冲能量为10J，所发出的高能脉冲激光束1脉宽为10ns；约束层2为流动的去离子水膜，其厚度约为1mm；弹性接触膜4的材质为60Si2CrVA高弹性弹簧钢，硬度为700HV，动态屈服强度为2.8GPa,下表面粗糙度为60nm，厚度50μm；金属工件5材质为H65黄铜，其硬度为160HV，雨贡纽极限HEL为1.2GPa，初始表面粗糙度为2.15μm。
在金属工件5的同一位置分别进行5次激光冲击波抛光，采用的参数为：第一次，激光脉冲能量10J，光斑直径5.3mm，接触膜4厚度15μm；第二次，激光脉冲能量10J，光斑直径4.8mm，接触膜4厚度30μm；第三次，激光脉冲能量10J，光斑直径4.4mm，接触膜4厚度50μm；第四次，激光脉冲能量10J，光斑直径4mm，接触膜4厚度70μm；第五次，激光脉冲能量10J，光斑直径3.4mm，接触膜4厚度100μm。经过5次激光冲击波抛光后，金属工件表面粗糙度为90nm。
Claims (5)
1.一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺，其特征在于：首先采用厚度为10～20μm的接触膜配合高能脉冲激光束进行激光冲击波抛光，随着金属工件表面粗糙度的降低，依次采用厚度逐渐增大的接触膜进行激光冲击波抛光，保证每次激光冲击波抛光过程中，变形的接触膜下表面最低点不与金属工件微凹坑底部接触，直至金属工件表面粗糙度达到要求。
2.如权利要求1所述的一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺，其特征在于：所述的高能脉冲激光束透过约束层作用于吸收层的上表面，约束层、吸收层、弹性接触膜从上至下依次覆盖在金属工件的表面上。
3.如权利要求1所述的一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺，其特征在于：所述的弹性接触膜为60Si2CrVA，属于高弹性金属材料，厚度为10～150μm，强度和硬度高于金属工件的强度和硬度；弹性接触膜的下表面经抛光处理。
4.如权利要求1所述的一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺，其特征在于：所述的高能脉冲激光束的脉宽范围为10～30ns，功率密度范围为109～1010GW/cm2。
5.如权利要求1所述的一种变厚度接触膜的激光冲击波抛光工艺，其特征在于：在金属工件表面粗糙度较大时，采用厚度较小的接触膜，可以减少激光冲击波的衰减，从而在激光器脉冲能量一定的情况下，在处理过程中增大光斑来充分利用激光能量，提高抛光效率；在金属工件表面粗糙度降低时，采用厚度逐渐增大的接触膜，在保证接触膜下表面最低点与金属工件表面微凹坑底部不接触的前提下，可以充分利用激光能量，提高抛光效果；此外，在金属工件表面粗糙度较低时，采用厚度较大的接触膜，可以屏蔽由于激光能量分布不均匀等外部因素导致的空间压力分布不均匀，使不均匀冲击波传播到金属薄膜底部时有足够的时间均匀化，从而不会引起接触膜的不规则变形，提高抛光效果。
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