CN109530910B

CN109530910B - 一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法

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Publication number: CN109530910B
Application number: CN201811460272.4A
Authority: CN
Inventors: 李斌
Original assignee: Mianyang High Tech Zone Tianli Machinery Co ltd
Current assignee: Mianyang High Tech Zone Tianli Machinery Co ltd
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: CN109530910A

Abstract

本发明公开了一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法，包括对待加工件表面进行清洁处理，将待加工件固定在激光加工设备的工作台上，调节固定待加工件表面与激光头的距离；设定激光处理的工艺参数，通过激光束对待加工件表面进行加工以改变待加工件表面的粗糙度；激光处理完毕后自然冷却。本发明利用激光的基本原理，由激光发生器生成高能量的连续激光束，聚焦后的激光作用于材料，使表面材料瞬间熔融，甚至气化，通过控制激光在材料表面的速度和强度，从而形成需要的表面粗糙痕迹。

Description

一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，具体涉及到一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法，本发明的产品优先指金属或者合金产品。

背景技术

激光表面处理工艺是通过对工件表面进行设计和激光改进处理，从而改善其表面性能的方法。它是利用激光束快速、局部地加热工件，实现局部急热或急冷，可在大气、真空等环境中进行处理。可以通过改变激光参数，可解决不同的表面处理工艺问题。工件变形极小，是一种非接触式处理方法。

激光表面处理利用激光扫描过程中材料自身的组织结构变化或引入其他材料实现工件表面性能的改善，该技术能选择性地处理工件表面，有利于在工件整体保持足够的韧性和强度的同时，表面获得较高的、特定的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗疲劳、抗氧化等。

因此，激光表面处理技术作为一种现代精密加工方法，与车削、磨削、腐蚀、抛光等传统的加工方法相比，具有以下的优势：

1、采用激光表面处理，与工件之间没有加工力的作用，具有无接触，无切削力，热影响小的优点，保证了工件的原有精度。同时，对材料的适应性较广，可以在多种材料的表面制作出非常精细的标记且耐久性非常好。

2、激光的空间控制性和时间控制性很好，对表面处理对象的材质，形状，尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工和特殊面加工。且加工方式灵活，既可以适应实验室式的单项设计的需要，也可以满足工业化大批量生产的要求。

3、激光处理精细，表面可以从毫米量级到微米量级，采用此表面处理技术的产品表面粗糙度可以根据需要自主控制，同时还可以增加产品表面硬度，类似产品表面淬火。

4、激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，可以打出各种文字，符号和图案，易于用软件设计标刻图样，更改标记内容，适应现代化生产高效率，快节奏的要求。

5、激光加工没有污染源，是一种清洁无污染的高环保加工技术。

综上，现有技术中公开了通过激光处理金属表面可以获得良好的性能以及加工精度。然而现有技术中大多应用于淬火工艺，金属合金化以及金属重熔和涂覆，较少文献公开对金属表面粗糙度的加工以及相关的加工控制工艺。

此外，现有技术中通常需要金属表面的粗糙度越低越好，但是对于某些特定的金属器件，需要获得特定范围的粗糙度，即控制粗糙度的范围，例如，在进行金属熔覆处理时，若粗糙度非常低，即表面非常光滑，不完全利于熔融金属或者合金粉末的熔覆效果，若表面粗糙度太大，也容易使得熔覆层的厚度不均匀。因此本发明需要解决上述问题，使得经过激光处理后的金属表面能够适应于激光熔覆处理。

此外，金属表面的耐磨性对金属的使用范围、使用寿命有较大的影响。例如电梯的固定轮，长期与钢缆接触，表面受到非常大的作用力，若表面的耐磨性不足，将会使得固定轮的表面形成凹凸不平的痕迹，长时间使用后更容易加剧痕迹；从而使得电梯在运行过程中变得摇晃不稳定。

激光熔覆技术利用高能量激光束聚集能量极高的特点，瞬间将在基材表面预置或与激光同步自动送置的、具有特殊物理、化学或力学性能的合金粉末完全熔化，同时基材部分熔化，形成一种新的复合型材料，激光束扫描后快速凝固，获得与基体冶金结合的致密覆层，以达到恢复几何尺寸和表面强化的目的。

公开号为CN1786272的中国发明专利申请给出的《激光熔覆镍基纳米WC/Co预涂层的制备方法》，该制备方法包括下列步骤：①按每克重的虫胶与10～20克重的无水乙醇称量虫胶和无水乙醇，然后将所述的虫胶加入无水乙醇中制成粘结剂；②根据需要按每克镍基纳米WC/Co粉末与0.1毫升～0.25毫升的粘结剂的比例，称量镍基纳米WC/Co粉末和所述的粘结剂并混合，充分搅拌均匀制成预涂胶；③将上述预涂胶均匀地涂在待激光熔覆处理的工件表面，制成预涂层；④烘干。采用自制的粘结剂制备镍基纳米WC/Co预涂层，然后再采用激光熔覆工艺，制备出了表面较平整，较细密、基本消除了裂纹与孔隙并与基体呈冶金结合的镍基纳米WC/Co复合涂层。

公开号为CN101338425的中国发明专利申请给出的《铁路道岔滑床板表面耐磨抗蚀合金涂层激光熔覆工艺》，包括以下工艺过程：首先滑床板表面预处理，即在室温下对滑床板表面进行除油除锈，并用酒精清洗干净；然后是合金粉末的预置，即把待熔覆的铁基、镍基或钴基合金粉末预置于上述处理后的滑床板表面，并用带有导轨的刮尺来调整预制合金粉末，使之均匀分布在滑床板表面并具有适当的厚度，以满足熔覆后涂层厚度的要求；最后是光熔覆强化滑床板，选用气体CO₂激光器，工作台为数控机床，在滑床板表面进行激光熔覆强化。

现有技术给出的上述技术方案虽能利用激光熔覆工艺对部分设备部件进行防腐耐磨涂层处理，但是熔覆层容易存在裂纹、气孔等微观不均匀的问题，这样也会对产品的质量产生重大影响，容易在受力不均匀的时候产生更大的裂纹，从而引发重大安全事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法，通过设置不同的加工条件，使产品表面获得不同的粗糙度，获得Ra1.6~Ra12.5的粗糙度后，有利于后续进行激光熔覆处理，让熔覆处理得到的熔覆层与金属基体结合更加紧密的同时，在金属表面的厚度分布更加均匀。本发明的产品是指金属产品。

为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法，包括以下步骤：

（1）对待加工的待加工件表面进行清洁处理，将待加工件固定在激光加工设备的工作台上，调节固定待加工件表面与激光头的距离；

（2）设定激光处理的工艺参数，通过激光束对待加工件表面进行加工以改变待加工件表面的粗糙度；激光处理完毕后自然冷却；

激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为450W~700W，频率为18KHz~25KHz，扫描速度为500mm/s~2000mm/s，扫描深度为0.05mm~0.75mm。

优选的，激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为450W~700W，频率为18KHz~25KHz，扫描速度为500mm/s，扫描深度为0.5mm~0.75mm，获得的待加工件表面精粗糙度为Ra6.3~Ra12.5。

优选的，激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为450W~700W，频率为18KHz~25KHz，扫描速度为500mm/s~1000mm/s，扫描深度为0.3mm~0. 5mm，获得的待加工件表面精粗糙度为Ra3.2~Ra6.3。

优选的，激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为450W~700W，频率为18KHz~25KHz，扫描速度为1000mm/s~2000mm/s，扫描深度为0.05mm~0. 3mm，获得的待加工件表面精粗糙度为Ra1.6~Ra3.2。

优选的，清洗处理包括通过砂纸、毛刷或者酸洗去除待加工件表面氧化物，再使用去污溶剂将待加工件表面清洗干净并干燥。

本发明还公开了一种利用激光改变产品表面粗糙度和性质的方法，即本先通过改变金属表面的粗糙度后，再在金属表面进行熔覆处理的方法，经过熔覆处理的金属表面获得更好的耐磨性，并且耐磨层的裂纹降低。本发明利用激光改变金属表面的性质是指在改变耐磨性的同时，降低表面裂纹的特性。

本发明包括以下步骤：

（1）对待加工件表面进行清洁处理，将待加工件固定在激光加工设备的工作台上，调节固定待加工件表面与激光头的距离；

（2）设定激光处理的工艺参数，通过激光束对待加工件表面进行加工以改变待加工件表面的粗糙度；激光处理完毕后自然冷却；得到预处理件；激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为450W~700W，频率为18KHz~25KHz，扫描速度为500mm/s~2000mm/s，扫描深度为0.05mm~0.75mm；

（3）制备耐磨层浆料，将耐磨层浆料涂覆在步骤（2）制备得到的预处理件表面，然后热风烘干，烘干后进行激光熔覆处理；

耐磨层浆料包括合金粉100g~200g、粘结剂硅酸钠10g~20g、助剂环己六醇5g~10g和三乙醇胺5g~10g；溶剂为水；合金粉包括Fe10%~20%；Mo5%~10%；W3%~10%；C1%~2%；Al0.5%~0.8%；Nb0.2%~0.5%；Cr10%~20%；余量为Ni；

激光熔覆处理的方法为：将激光功率设置为500W~1000W，激光扫描速度为5mm/s~10mm/s；光斑直径为2mm~5mm；搭接率40%~60%；氩气保护下进行激光熔覆；激光熔覆处理完毕后自然冷却。

优选的，耐磨层干燥后的厚度为0.5mm~1.5mm。

优选的，耐磨层浆料的制备方法为：将合金粉、粘结剂硅酸钠、助剂环己六醇和三乙醇胺加入适量水中，在超声波作用下处理2min~5min配置成浆料，随用随配。

综上，本发明具有以下优点：

1、本发明利用激光的基本原理，由激光发生器生成高能量的连续激光束，聚焦后的激光作用于材料，使表面材料瞬间熔融，甚至气化，通过控制激光在材料表面的速度和强度，从而形成需要的表面粗糙痕迹。本发明的工艺是非接触加工，可在任何异型表面处理，工件不会变形和产生内应力，适于金属材料的处理。

2、本发明的金属熔覆处理是在经过粗糙度处理后进行的，能够使得熔覆层与金属基体之间具有更好的结合力和均一性；同时优化了熔覆层的合金粉末组分，使得熔覆层具有良好的耐磨性，并进一步通过增加助剂环己六醇和三乙醇胺来减少激光处理过程中产生的裂纹；使得产品的性质更加优良，本发明的性质是指耐磨性以及降低裂纹。

具体实施方式

一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法，包括以下步骤：

实施例1

一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法，包括以下步骤：

（1）将金属加工件的表面使用砂纸去除锈迹，然后使用去污剂将表面清洗干净，晾干后固定在激光加工设备的工作台上。然后调节固定好金属加工件表面与激光头的距离。

（2）启动激光设备，设定激光处理的工艺参数，当功率上升到设定功率后，通过激光束对待加工件表面进行加工以改变待加工件表面的粗糙度；激光处理完毕后自然冷却；

激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为500W，频率为20KHz，扫描速度为500mm/s，扫描深度为0.75mm，获得的待加工件表面精粗糙度为Ra12.5。

实施例2

一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法，包括以下步骤：

激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为500W，频率为20KHz，扫描速度为800mm/s，扫描深度为0. 5mm，获得的待加工件表面精粗糙度为Ra6.3。

实施例3

一种利用激光改变产品表面粗糙度的方法，包括以下步骤：

激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为500W，频率为20KHz，扫描速度为1500mm/s，扫描深度为0.05mm，获得的待加工件表面精粗糙度为Ra1.6。

本发明的激光表面处理对于特定的速度，强度越大，表处理的深度就越大。可利用激光设备的控制面板调节强度，也可利用计算机的驱动程序来调节。强度越大，相当于速度也越大；处理的深度也越深，表面纹理的粗糙度值就越高，反之就越低。

表面精粗糙度的大小也决定了产品表的摩擦力，若产品需要大摩擦力，则将产品表面粗糙度值加大，反之就减小。表面处理的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同。另外对大型表面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度也可以基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。

激光表处理硬度技术是利用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，由于基材内部导热冷却而使熔化层表面快速冷却并凝固结晶的工艺过程。获得的表面处理组织非常致密，沿深度方向的组织依次为熔化-凝固层、相变硬化层、热影响区和基材。激光处理层比激光淬火层的硬化深度更深、硬度要高，耐磨性也更好。

实施例4

一种利用激光改变产品表面粗糙度和性质的方法，包括以下步骤：

（1）将一个厚度为3cm的矩形板状的金属加工件的表面使用砂纸去除锈迹，然后使用去污剂将表面清洗干净，晾干后固定在激光加工设备的工作台上。然后调节固定好金属加工件表面与激光头的距离。

（3）制备耐磨层浆料，将耐磨层浆料涂覆在步骤（2）制备得到的预处理件表面，然后热风烘干，烘干后耐磨层厚度为1mm；烘干后进行激光熔覆处理。

耐磨层浆料包括合金粉100g、粘结剂硅酸钠12g、助剂环己六醇5g和三乙醇胺6g；溶剂水100g；合金粉包括Fe15g；Mo6g；W5g；C2g；Al0.5g；Nb0.5g；Cr20g%；余量为Ni；

激光熔覆处理的方法为：将激光功率设置为800W，激光扫描速度为7mm/s；光斑直径为4mm；搭接率50%；氩气保护下进行激光熔覆；激光熔覆处理完毕后自然冷却。

耐磨层浆料的制备方法为：将合金粉、粘结剂硅酸钠、助剂环己六醇和三乙醇胺加入适量水中，在超声波作用下处理3min配置成浆料，随用随配。

一、为了验证助剂对激光熔覆层裂纹的影响，本发明通过对比试验来验证两种助剂在熔覆过程中的作用。本发明通过对照例来进行对比实验，对照例参照实施例4的获得粗糙度以及耐磨层，各个对照例与实施例4的区别在于助剂的加入类型以及是否加入助剂；以及粘结剂的选择；具体各个对照例所选择的实验条件如下表1所示。

表1：对照例与实施例4的实验条件

组别	粘结剂	助剂
			实施例4	硅酸钠	环己六醇5g+三乙醇胺6g
对照例1	虫胶	环己六醇5g+三乙醇胺6g
			对照例2	环氧树脂	环己六醇5g+三乙醇胺6g
对照例3	虫胶	无助剂
			对照例4	环氧树脂	无助剂
对照例5	硅酸钠	无助剂
			对照例6	硅酸钠	环己六醇11g
对照例7	硅酸钠	三乙醇胺11g

二、本发明的裂纹检测采用渗透探伤检测的方法，其渗透检测的方法为：

将激光熔覆后的金属工件清洗后干燥；将渗透剂喷涂在金属表面，控制渗透温度为25℃，渗透时间为15min；然后去除多余渗透剂使用热风干燥金属表面；采用刷涂法施加显象剂时，用软毛刷蘸已摇均匀的显象剂，均匀地涂于被检表面，使之形成一层白色薄膜，但不允许在同一部位重复涂敷。用喷涂法施加显象剂时，先摇晃显象剂进行试喷，待喷雾均匀后再喷涂被检表面。喷咀与被检表面距离一般为30cm左右。显像5min后使用5倍显微镜进行观察。记录金属加工件正面表面的裂纹数量以及裂纹长度，结果如表2所示。

观察到的裂纹根据裂纹长度与宽度比进行分类；当显示裂痕的长度与宽度之比大于3时的裂纹称为线状裂纹；当显示裂痕的长度与宽度之比小于3时的裂纹称为圆状裂纹。即线状裂纹为长条形的裂痕，圆状裂纹多为气孔产生所致，表2中的总长度的单位为mm。

表2：检测结果

金属熔覆过程中，粘结剂以及助剂受热情况下会产生一些气体，可能使得熔覆层容易出现气孔，从而形成了圆状裂纹。金属基体、耐磨层粉末在受热以及退热的过程中会产生相变以及应力分布不均的问题，从而导致出现长条状即线状的裂纹。线状裂纹越多越长，说明金属熔覆时的工艺有待提高。

从表2可以看出，圆状裂纹数量均不多，说明在处理过程中因为气孔导致的裂纹类型较少。线状裂纹总长度和数量每个实施例不相同，说明不同助剂对裂纹形成具有一定影响。具体的，从对照例1和对照例2以及实施例4相比较可以认为，再更换粘结剂的情况下，三个实验组的数据接近，说明粘结剂对本发明的裂纹的形成不具有显著性的影响。从对照例3、对照例4以及对照例5可以看出，在缺少两种助剂的情况下，线状裂纹的数量和总长度均出现了显著性的提高，说明金属熔覆后存在较多裂纹，性质受到影响。对照例6和对照例7是分别只含有一种助剂的情况下，结果看出两种助剂均具有一定的降低裂纹形成的作用，因此两者合并使用时能够最大限度的降低裂纹的形成。

三、为了检测本发明的金属产品熔覆处理后的耐磨性；本发明以实施例4制备得到的金属产品进行耐磨性检测，对照组是未经处理的厚度为3cm的矩形板状的金属加工件。耐磨性实验是以砂轮作为摩擦副，对金属板表面进行不断的摩擦，摩擦转速为200r/min；每个砂轮上施加荷载为30kg；摩擦30min后测量金属板质量损失值，并以质量损失值和金属板面积的比值作为磨损率。经过计算，实施例4的磨损率为1.5%，对照组的磨损率为8.4%。由此可见，本发明处理后的熔覆层具有良好的耐磨性。

实施例5

Claims

1.一种利用激光改变产品表面粗糙度和性质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对待加工件表面进行清洁处理，将待加工件固定在激光加工设备的工作台上，调节固定待加工件表面与激光头的距离；

(2)设定激光处理的工艺参数，通过激光束对待加工件表面进行加工以改变待加工件表面的粗糙度；激光处理完毕后自然冷却；得到预处理件；所述激光处理的工艺参数为：调节激光加工设备的功率为450W～700W，频率为18KHz～25KHz，扫描速度为500mm/s～2000mm/s，扫描深度为0.05mm～0.75mm；

(3)制备耐磨层浆料，将耐磨层浆料涂覆在步骤(2)制备得到的预处理件表面，然后热风烘干，烘干后进行激光熔覆处理；

所述耐磨层浆料包括合金粉100g～200g、粘结剂硅酸钠10g～20g、助剂环己六醇5g～10g和三乙醇胺5g～10g；溶剂为水；所述合金粉包括Fe10％～20％；Mo5％～10％；W3％～10％；C1％～2％；Al0.5％～0.8％；Nb0.2％～0.5％；Cr10％～20％；余量为Ni；

所述激光熔覆处理的方法为：将激光功率设置为500W～1000W，激光扫描速度为5mm/s～10mm/s；光斑直径为2mm～5mm；搭接率40％～60％；氩气保护下进行激光熔覆；激光熔覆处理完毕后自然冷却。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述耐磨层干燥后的厚度为0.5mm～1.5mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述耐磨层浆料的制备方法为：将合金粉、粘结剂硅酸钠、助剂环己六醇和三乙醇胺加入适量水中，在超声波作用下处理2min～5min配置成浆料，随用随配。