CN109773340B - 一种针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法，该方法使激光清洗和激光抛光两种工艺在同一台设备上无缝结合使用，并可广泛应用于钢材零件的表面激光处理，使用一定输出能量范围的纳秒脉冲激光，使锈蚀层发生汽化机制，利用一次激光处理快速清除碳钢表面的锈蚀层，然后调整激光参数对清洗后的表面进行辐射，使碳钢凸起的熔融物发生流动，填充凹陷处并凝固，获得粗糙度较小和性能提高的抛光表面。从而克服现有技术中存在的不足，实现了有效修复激光清洗后碳钢表面的熔融坑和微尺度缺陷，降低了表面粗糙度，同时提高碳钢的激光加工效率和保持表面性能的目的。

Description

一种针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法

技术领域

本发明涉及碳钢材料表面激光加工技术领域，尤其涉及一种针对碳钢材料的激光清洗与激光抛光复合的激光加工方法及装置。

背景技术

在金属生产、工程建筑、船舶制造等与钢铁材料使用密切相关的行业，有效地去除钢材表面污染物一直是大家关注的难题。激光器和调Q、锁模等脉冲激光技术的不断发展为激光清洗技术的发展奠定了技术基础。激光清洗作为一项新兴的清洗工艺，主要采用高峰值功率的脉冲激光辐污染物表面而发生一系列物理和化学反应被有效去除，在碳钢表面除锈领域潜在巨大的发展前景。高的激光输出能量引起锈蚀层的汽化作用会提高除锈效率，与锈蚀物连接的钢基体表面由于激光的热积累效应容易造成二次氧化，清洗过程的激光冲击形成熔池等导致的微尺寸表面缺陷，降低了碳钢的二次使用性能。

目前，国内外对激光去除金属表面污染物主要通过研究激光参数对清洗效果的影响，现有技术中公开了多种激光清洗的装置和方法。如采用波长为1064nm的脉冲激光进行了系统的除锈工艺研究，采用慢、快扫描速度和低、高脉冲重复频率交替、多次扫描以及每次扫描旋转一定角度的工艺方式，获得平整表面。由于激光能量引起锈蚀层的热熔和汽化作用带来钢基体亚表面热损伤的缺点并没完全避免，表面粗糙度没达到最优。同样，待激光除锈完成后利用酒精和蒸馏水超声清洗碳钢能清洗表面残留的杂质和碎屑，从根本上没有获得光整的形貌表面。还有采用激光清洗后的碳钢样件进行研磨抛光或化学机械抛光(CMP)等表面处理，由于考虑到人工成本和耗时长，没有达到保持表面性能和生产效率之间的平衡。所以，为使钢材清洗后达到理想状态，往往需要多种激光工艺与抛光处理进行配合。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实现有效修复激光清洗后碳钢表面的熔融坑和微尺度缺陷，降低表面粗糙度，同时提高碳钢的激光加工效率和保持表面性能的激光清洗与抛光复合加工方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法，该加工方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：制备表面完全覆盖锈蚀层的碳钢样件，共聚焦显微镜测量其锈蚀层厚度，表面轮廓仪测量表面粗糙度，并定位、放置在纳秒脉冲激光加工X/Y/Z工作台上。

步骤S2：启动纳秒脉冲激光加工系统并调节激光加工系统的输出波长λ、光斑束腰半径ω、最大输出功率P、脉宽τ、重复频率f、扫描速度v等工艺参数。通过上述工艺参数的调控能够实现不同能量密度和光斑重叠率的设计，以满足激光清洗与激光抛光不同工艺步骤所需的能量密度。其中，能量密度计算公式以及激光平均功率、激光脉冲能量与能量密度之间的关系如公式(1)和公式(2)所示：

式中，E为脉冲能量(J)，P是激光平均功率(W)，f是重复频率(Hz)，F是能量密度(J/cm²)，ω为激光束腰半径(μm)。

步骤S3：待纳秒脉冲激光清洗完成后，其表面锈蚀层基本被清除。利用表面轮廓仪测量处理后碳钢表面的粗糙度值，并对样件(碳钢)进行简单的超声清洗。

步骤S4：将超声清洗后的碳钢样件重新放置在纳秒激光系统的工作台上，利用X/Y/Z平台定位到所述步骤S2中激光清洗的方形区域，并将样件顺时针旋转90°。

步骤S5：根据步骤S2测得的清洗表面形貌来设定激光工艺参数，此时，选择比步骤S2低的激光能量和调节离焦量以获得较大的光斑，使无锈的钢基材表面主要发生热熔效应。启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在碳钢材料表面以一定速度和路径面扫射加工，最终在表面获得重熔层，以实现清洗后钢材工件的精细抛光。

步骤S6：从纳秒激光加工平台取下碳钢样件，对其进行简单超声清洗后利用表面轮廓仪测量粗糙度，利用激光共聚焦显微镜检测其表面形貌。

步骤S7：重复上述步骤以完成纳秒脉冲激光清洗和激光抛光复合过程，检测结果显示显著降低激光对钢基体表面的热损伤缺陷，保证钢材清洗与抛光的精度、质量和效率。

作为本发明的优选方案，为了提高加工的效率，降低碳钢表面粗糙度，本发明所述步骤S2中，纳秒脉冲激光加工系统所采用的激光器为近红外纳秒光纤激光器。

作为本发明的优选方案，为了适应不同碳钢的加工要求，本发明需根据实际碳钢表面情况及加工要求适当调整激光参数，本发明所述步骤S2中激光加工系统中的参数均为可调节，其输出波长λ为1064nm，光斑束腰半径为ω＝20μm；最大输出功率P为20W，脉宽可调范围τ＝4～200ns、重复频率可调范围f＝0～1000khz、扫描速度可调范围v＝0～2000mm/s。

进一步的，所述步骤S2还包括如下步骤：

步骤S21：在计算机中设置振镜运行轨迹。

步骤S22：激光对焦使光斑焦点位于碳钢锈蚀层表面，为获得较好的清洗效率，选择大于锈蚀层烧蚀阈值的激光能量密度。

步骤S23：利用振镜扫描使激光在碳钢锈蚀层表面以设定的速度和路径进行面扫射加工，实现激光清洗的快速完成。

作为本发明的优选方案，为了适应不同碳钢的加工要求，本发明需根据实际碳钢表面情况及加工要求适当调整激光参数，本发明步骤S5中设定的激光参数为：激光能量密度53J/cm²，脉宽50ns，扫描速度320mm/s，扫描线间距为0.024mm，光斑轨迹重叠率为40％，离焦量为+0.2mm；扫描区域面积为12mm*12mm。

作为本发明的优选方案，为了降低碳钢的表面粗糙度，强化钢基材的性能，本发明所述步骤S4和步骤S5可替换为：对清洗后的样件进行研磨精密抛光。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法中激光清洗过程输出能量大，脉宽长，热影响区域大，使得钢材锈蚀层发生汽化去除机制提高整体的清洗效率；激光抛光过程采用较小的输出能量，脉宽短，并调整离焦量和高斯光斑大小，控制抛光时对钢材表面的重熔深度，从而减少热输入对钢基材的损伤，获得表面粗糙度值最佳，提高激光工艺效率的同时，减少了影响钢材料基体性能的情况。

(2)本发明所提供的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法能够实现微区的精密加工，显著降低对钢材基体的影响。垂直转动清洗后的样件90°角进行抛光避免热量叠加，增加表面缺陷，可覆盖清洗过程残留的扫描路径的熔化轨道边缘，降低表面粗糙度。

(3)本发明所提供的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法采用两种激光加工技术相互配合，仅用一台设备即可无缝结合完成作业，可控性好、便于实现自动化生产；保证样件激光清洗与抛光的精度、质量和效率。在钢材表面性能和生产效率之间保持最佳的平衡。

(4)本发明所提供的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法全程采用计算机控制加工参数和运动轨迹，无需人工操作和转移样件，高效省时地获得表面平整，使用性能提高的清洗后钢材样件，可应用于高效率的流水线作业。

附图说明

图1是本发明所提供的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法的流程示意图。

图2是本发明所提供的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法的工作原理示意图。

图3是本发明所提供的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法使用前后对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2和图3所示，本实施例公开了一种针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法，该加工方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：制备表面完全覆盖锈蚀层的碳钢样件，共聚焦显微镜测量其锈蚀层厚度，表面轮廓仪测量表面粗糙度，并定位、放置在纳秒脉冲激光加工X/Y/Z工作台上。

步骤S2：启动纳秒脉冲激光加工系统并调节激光加工系统的输出波长λ、光斑束腰半径ω、最大输出功率P、脉宽τ、重复频率f、扫描速度v等工艺参数。通过上述工艺参数的调控能够实现不同能量密度和光斑重叠率的设计，以满足激光清洗与激光抛光不同工艺步骤所需的能量密度。其中，能量密度计算公式以及激光平均功率、激光脉冲能量与能量密度之间的关系如公式(1)和公式(2)所示：

式中，E为脉冲能量(J)，P是激光平均功率(W)，f是重复频率(Hz)，F是能量密度(J/cm²)，ω为激光束腰半径(μm)。

步骤S3：待纳秒脉冲激光清洗完成后，其表面锈蚀层基本被清除。利用表面轮廓仪测量处理后碳钢表面的粗糙度值，并对样件(碳钢)进行简单的超声清洗。

步骤S4：将超声清洗后的碳钢样件重新放置在纳秒激光系统的工作台上，利用X/Y/Z平台定位到所述步骤S2中激光清洗的方形区域，并将样件顺时针旋转90°。

步骤S5：根据步骤S2测得的清洗表面形貌来设定激光工艺参数，此时，选择比步骤S2低的激光能量和调节离焦量以获得较大的光斑，使无锈的钢基材表面主要发生热熔效应。启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在碳钢材料表面以一定速度和路径面扫射加工，最终在表面获得重熔层，以实现清洗后钢材工件的精细抛光。

步骤S6：从纳秒激光加工平台取下碳钢样件，对其进行简单超声清洗后利用表面轮廓仪测量粗糙度，利用激光共聚焦显微镜检测其表面形貌。

步骤S7：重复上述步骤以完成纳秒脉冲激光清洗和激光抛光复合过程，检测结果显示显著降低激光对钢基体表面的热损伤缺陷，保证钢材清洗与抛光的精度、质量和效率。

作为本发明的优选方案，为了提高加工的效率，降低碳钢表面粗糙度，本发明所述步骤S2中，纳秒脉冲激光加工系统所采用的激光器为近红外纳秒光纤激光器。

作为本发明的优选方案，为了适应不同碳钢的加工要求，本发明需根据实际碳钢表面情况及加工要求适当调整激光参数，本发明所述步骤S2中激光加工系统中的参数均为可调节，其输出波长λ为1064nm，光斑束腰半径为ω＝20μm；最大输出功率P为20W，脉宽可调范围τ＝4～200ns、重复频率可调范围f＝0～1000khz、扫描速度可调范围v＝0～2000mm/s。

进一步的，所述步骤S2还包括如下步骤：

步骤S21：在计算机中设置振镜运行轨迹。

步骤S22：激光对焦使光斑焦点位于碳钢锈蚀层表面，为获得较好的清洗效率，选择大于锈蚀层烧蚀阈值的激光能量密度。

步骤S23：利用振镜扫描使激光在碳钢锈蚀层表面以设定的速度和路径进行面扫射加工，实现激光清洗的快速完成。

作为本发明的优选方案，为了适应不同碳钢的加工要求，本发明需根据实际碳钢表面情况及加工要求适当调整激光参数，本发明步骤S5中设定的激光参数为：激光能量密度53J/cm²，脉宽50ns，扫描速度320mm/s，扫描线间距为0.024mm，光斑轨迹重叠率为40％，离焦量为+0.2mm；扫描区域面积为12mm*12mm。

作为本发明的优选方案，为了降低碳钢的表面粗糙度，强化钢基材的性能，本发明所述步骤S4和步骤S5可替换为：对清洗后的样件进行研磨精密抛光。

实施例2：

如图1至图3所示，本实施例公开了一种针对碳钢材料表面的激光清洗与激光抛光复合方法，流程如图1所示，主要包括如下步骤：

(1)制备表面完全覆盖锈蚀层的具有一定厚度的碳钢样件，共聚焦显微镜测量其锈蚀层厚度为25μm，表面轮廓仪测量表面粗糙度Sa为3.3μm，并定位、放置在纳秒脉冲激光加工X/Y/Z工作台上；

(2)启动激光加工系统，激光器为近红外纳秒光纤激光器。激光加工系统输出波长λ为1064nm，光斑束腰半径ω＝20μm；最大输出功率P为20W，脉宽τ＝4～200ns、重复频率f＝0～1000khz、扫描速度v＝0～2000mm/s工艺参数可调节。通过上述工艺参数的调控实现不同能量密度和光斑重叠率的设计，满足激光清洗与激光抛光不同工艺步骤所需的能量密度。其中能量密度计算公式计算如下：激光平均功率、激光脉冲能量、能量密度之间的关系如式(1)和(2)所示：

其中，E为脉冲能量(J)，P是激光平均功率(W)，f是重复频率(Hz)，F是能量密度(J/cm²)，ω为激光束腰半径(μm)。

(3)其中步骤(2)中设定的激光参数为：激光能量密度53J/cm²，脉宽为200ns，扫描速度为240mm/s，扫描线间距为0.024mm，光斑轨迹重叠率为40％，扫描区域大小为12mm*12mm；

(4)待纳秒脉冲激光清洗完成后，经肉眼观测表面锈蚀层基本被清除。见图3；利用表面轮廓仪测量处理后碳钢表面粗糙度值Sa为1.6μm，并对样件进行简单的超声清洗；

(5)将超声处理后的碳钢样件重新放置在纳秒激光系统的工作台上，利用X/Y./Z平台定位到上述步骤(2)激光清洗的方形区域，并将样件顺时针旋转90°，目的是第一步的清洗过程由于激光高输出能量产生相邻热熔扫描轨迹，避免第二步的抛光过程因热量造成热熔反应的叠加，增加表面缺陷，覆盖先前扫描路径的熔化轨道边缘；

(6)根据步骤(2)测得的清洗表面形貌——呈现轻微淡黄色和激光热冲击形成的微小熔坑和颗粒状的熔融堆积层，设定激光工艺参数，此时选择较低的激光能量和调节离焦量获得较大的光斑，使无锈的钢基材表面主要发生热熔效应。启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在碳钢材料表面以一定速度和路径面扫射加工，最终在表面获得重熔层。以实现清洗后钢材工件的精细抛光。目的：激光抛光过程较低输出能量造成碳钢表面凸起薄层的熔化，在材料表面张力和重力的作用下发生流动，填补表面凹陷处并凝固，从而获得光滑的抛光表面；

(7)其中步骤(6)中设定的激光参数为：激光能量密度53J/cm²，脉宽50ns，扫描速度320mm/s，扫描线间距为0.024mm，光斑轨迹重叠率为40％，离焦量为+0.2mm；扫描区域面积为12mm*12mm；

(8)从纳秒激光加工平台取下碳钢样件，对其进行简单的超声清洗后利用表面轮廓仪测量粗糙度Sa值为0.731μm，利用激光共聚焦显微镜观测其表面形貌，如图3为经过激光抛光后的表面，呈现热影响区域少，相对平整状态；

(9)重复上述步骤即完成纳秒脉冲激光清洗和激光抛光复合过程，结果显示显著较低了激光对钢基体表面的热损伤缺陷，保证钢材清洗与抛光的精度、质量和效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：制备表面完全覆盖锈蚀层的碳钢样件，激光共聚焦显微镜测量其锈蚀层厚度，表面轮廓仪测量表面粗糙度，并定位、放置在纳秒脉冲激光加工平台上；

步骤S2：启动纳秒脉冲激光加工系统并调节纳秒脉冲激光加工系统的输出波长λ、光斑束腰半径ω、激光平均功率P、脉宽τ、重复频率f、扫描速度v工艺参数；通过上述工艺参数的调控实现不同能量密度和光斑重叠率的设计，满足激光清洗与激光抛光不同工艺步骤所需的能量密度；其中能量密度计算公式以及激光平均功率、激光脉冲能量与能量密度之间的关系如式(1)和(2)所示：

式中，E为激光脉冲能量(J)，P是激光平均功率(W)，f是重复频率(Hz)，F是能量密度(J/cm²)，ω为光斑束腰半径(μm)；

所述步骤S2还包括如下步骤：

步骤S21：在计算机中设置振镜运行轨迹；

步骤S22：激光对焦使光斑焦点位于碳钢样件锈蚀层表面，为获得较好的清洗效率，选择大于锈蚀层烧蚀阈值的激光能量密度；

步骤S23：利用振镜扫描使激光在碳钢样件锈蚀层表面以设定的速度和路径进行面扫射加工，实现激光清洗的快速完成；

步骤S3：待纳秒脉冲激光清洗完成后，表面锈蚀层基本被清除；利用表面轮廓仪测量处理后碳钢样件表面粗糙度值，并对碳钢样件进行简单超声清洗；

步骤S4：将超声清洗后的碳钢样件重新放置在纳秒脉冲激光加工平台上，利用纳秒脉冲激光加工平台定位到所述步骤S2中激光清洗的方形区域，并将碳钢样件顺时针旋转90°；

步骤S5：根据步骤S2测得的清洗表面形貌设定激光工艺参数，此时选择比步骤S2低的激光能量和调节离焦量获得较大的光斑，使无锈的碳钢样件表面主要发生热熔效应；启动纳秒脉冲激光加工系统，利用振镜扫描使激光在碳钢样件材料表面以一定速度和路径面扫射加工，最终在表面获得重熔层，以实现清洗后碳钢样件的精细抛光；

步骤S6：从纳秒脉冲激光加工平台取下碳钢样件，对其进行简单超声清洗后利用表面轮廓仪测量粗糙度，利用激光共聚焦显微镜检测其表面形貌；

步骤S7：重复上述步骤以完成纳秒脉冲激光清洗和激光抛光复合过程，检测结果显示显著降低激光对碳钢样件表面的热损伤缺陷，保证碳钢样件清洗与抛光的精度、质量和效率。

2.根据权利要求1所述的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，纳秒脉冲激光加工系统所采用的激光器为近红外纳秒光纤激光器。

3.根据权利要求1所述的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法，其特征在于，所述步骤S2中纳秒脉冲激光加工系统输出波长λ为1064nm，光斑束腰半径为ω＝20μm；最大输出功率P为20W，脉宽可调范围为τ＝4～200ns、重复频率可调范围f＝0～1000khz、扫描速度可调范围v＝0～2000mm/s。

4.根据权利要求1所述的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法，其特征在于，其中步骤S5中设定的激光参数为：激光能量密度53J/cm²，重复频率10khz，脉宽50ns，扫描速度320mm/s，扫描线间距为0.024mm，光斑轨迹重叠率为40％，离焦量为+0.2mm；扫描区域面积为12mm*12mm。

5.根据权利要求1所述的针对碳钢表面的激光清洗与抛光复合加工方法，其特征在于，所述步骤S4和步骤S5可替换为：对清洗后的碳钢样件进行研磨精密抛光。

Images