CN109967863A - 一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法 - Google Patents

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    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment

Abstract

本发明涉及一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法，与现有抛光技术相比，辅助磁场的引入显著提升了抛光件的表面质量。本发明中基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法按以下步骤实现：一、采用激光清洗技术去除材料表面的污染层或氧化层；二、设置磁场参数，形成连通的稳定磁场后，将待抛光件置于其中；三、设置激光加工优选参数，在磁场辅助作用下，对材料表面进行抛光处理。辅助磁场可对加工过程中的熔池流动，等离子体运动进行调控，有效降低激光与材料相互作用产生的负效应，使抛光件表面获得细小均匀的微观组织，提高材料表面的强度，硬度，耐蚀性等，激光加工工艺，加工区域灵活调整，加工精度高，效率高，成本低。

Description

一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法
技术领域
本发明属于激光加工领域，特别是涉及一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法。
技术背景
由于传统加工对复杂工件成型的限制，增材制造(Additive Manufacturing，AM)得到兴起和发展。与传统加工相比，AM技术不需要刀具，夹具以及复杂加工工序，可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，实现零件"自由制造"，解决了许多复杂结构零件的成形，简化生产工序，缩短生产周期。就目前来看，通过AM获得的工件仍存在较多问题，由于工件表面存在缺陷及粗糙度过大的原因，工件在使用过程中极易在缺陷处萌生裂纹，产生腐蚀，导致工件不能满足使用要求，严重限制AM构件的应用范围。如何通过表面处理的方法，有效地提高构件表面性能，成为航空航天、汽车制造、医学器件等领域亟待解决的问题。
目前常用的抛光方法包括机械抛光，化学抛光，电解抛光等，机械抛光，由于抛光设备与材料直接接触，容易对零件表面产生机械损伤且工人劳动强度高，生产效率低；化学抛光和电解抛光均可实现复杂工件的内外壁抛光，生产效率较高，但化学抛光容易对零件表面产生化学腐蚀，且抛光废液对环境存在污染；电解抛光影响参数较多，在进行抛光时不易找到合适的电解抛光参数，且无法应用于铸铁等夹杂试样。激光抛光作为一种新兴的抛光方法，其原理是利用高能束激光的传导和热辐射加热材料，材料表面凸起处优先受热熔化形成液体，在重力和表面张力作用下填充凹陷部位，使表面变得平滑。通过调节激光光束可对平面，曲面及局部区域进行精确高效地抛光，抛光过程与材料无直接接触，避免了对材料的污染和损伤，同时作为等材加工工艺，激光抛光过程几乎无废料产生，绿色环保。目前，激光抛光技术已取得一定的研究进展，但在激光与材料相互作用的过程中，材料快速熔化快速凝固的加工过程使液态熔池存在时间极短，单纯利用液体重力和表面张力实现表面平整的效果极其有限，除通过优化激光加工参数这一途径以外，如何利用辅助工艺进一步提高抛光表面质量，具有重要的研究意义。
现阶段，利用磁场外场进行工艺辅助主要应用在激光焊接，激光钻孔，激光表面熔覆等领域。已有研究表明，激光与材料相互作用过程中会产生等离子体，磁场对于等离子体的运动，以及液态熔池的流动具有显著作用，这为磁场辅助抛光提供了有力的理论支撑。
发明内容
为克服现有抛光技术的不足，本发明针对增材制造金属材料激光抛光，提出一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法，将工件置于稳定的磁场中，材料表面的液态熔池及等离子体在磁场的作用下受力产生定向运动，为液体流动注入新的驱动力，同时电磁搅拌作用使得工件表面微观组织更加细小均匀，进一步提升材料表面硬度，耐蚀性，延长使用寿命，获得良好的综合性能。辅助工艺操作简单，投入成本较低，可明显提升构件表面质量。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法，包括以下步骤：
步骤一、对于表面存在油污铁锈的待抛光件，采用激光清洗技术去除材料表面的污染层或氧化层；
步骤二、根据所需设置磁场发生器参数，形成连通的稳定磁场后，将待抛光件置于其中；
步骤三、将工件及磁场放于激光加工系统工作台上，确定抛光的激光加工选区位置及工艺参数，在增材制造金属材料表面进行抛光处理；
其中，步骤一中所述的清洗时间为10-30min；
其中，步骤二所述的磁场参数为，线圈匝数为100-1000，励磁电流为1A-20A，频率为1Hz-1KHz；
其中，步骤三中所述的激光加工系统为纳秒脉冲激光加工系统，激光加工参数为：激光波长193nm-1070nm，激光脉宽10ps-500ns，激光功率10W-200W，激光脉冲频率10kHz-1MHz；通过振镜使激光在材料表面进行扫射，其速度为50mm/s-1000mm/s，扫描次数为1-10次；
根据权利要求1所述的一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法，其特征在于，所述的金属材料包括增材制造的TC4，TC11，Inconel 718，铝合金，常用不锈钢等，材料厚度不限。
相对于其他辅助抛光工艺，本发明一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法，其优点包括：
(1)不需要借助化学试剂，绿色环保，对环境无污染；
(2)在激光加工系统引入磁场辅助装置，操作过程简单，可靠性强；
(3)磁场的引入使得激光抛光构件表面性能产生明显的提升；
附图说明
图1基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光的工艺方法流程图；
图2原始表面的共聚焦及光学显微镜表面形貌图；
图3无磁场辅助抛光的共聚焦及光学显微镜表面形貌图；
图4磁场辅助抛光的共聚焦及光学显微镜表面形貌图。
具体实施方式
为更好地理解本发明内容，以下结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细介绍，所举实例只用于解释本发明，并不用于限定本发明的范围。
一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法，包括如下步骤：
步骤一、使用激光清洗技术去除增材制造金属材料表面油污铁锈；
步骤二、将磁场启动，设置磁场参数，将工件置于稳定磁场中；
步骤三、确定激光抛光的选区位置，激光工艺参数及光束扫描路径，进行激光抛光，利用粒子在磁场作用的相关规律，实现表面质量的提高；
实施例1：
取厚度为5mm的Inconel 718合金板，使用激光清洗技术去除材料表面油污铁锈，表面表征结果如图2所示。
将工件置于磁场中，在不启动磁场情况下，进行激光抛光，表面表征结果如图3所示；
设置磁场参数：电流5A，电压10V，频率50Hz，启动磁场，进行激光抛光，表面表征结果如图4所示；
激光抛光在激光加工系统工作台上进行，抛激光加工参数为：激光波长1064nm，激光脉冲宽度200ns，激光功率90W，激光重复频率250kHz，光束扫描速度50mm/s，设置扫描区域8mm×8mm，扫描间距20μm，扫描次数3次。
本发明的上述实施例仅是为了说明本发明所做的举例，并不用于限定本发明的实施方式。凡是在本发明精神和原则内，对本发明方法、步骤或条件所作的任何修改、改进等，均属于本发明的范围。

Claims (2)

1.一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法，其特征在于：
步骤一、对于表面存在油污铁锈的待抛光件，采用激光清洗技术去除材料表面的污染层或氧化层；
步骤二、根据所需设置磁场发生器参数，形成连通的稳定磁场后，将待抛光件置于其中；
步骤三、将工件及磁场放于激光加工系统工作台上，确定抛光的激光加工选区位置及工艺参数，在增材制造金属材料表面进行抛光处理；
其中，步骤一中所述的清洗时间为10-30min；
其中，步骤二所述的磁场参数为，线圈匝数为100-1000，励磁电流为1A-20A，频率为1Hz-1KHz；
其中，步骤三中所述的激光加工系统为纳秒脉冲激光加工系统，激光加工参数为：激光波长193nm-1070nm，激光脉宽10ps-500ns，激光功率10W-200W，激光脉冲频率10kHz-1MHz；通过振镜使激光在材料表面进行扫射，其速度为50mm/s-1000mm/s，扫描次数为1-10次。
2.根据权利要求1所述的一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光方法，其特征在于，所述的金属材料包括增材制造的TC4，TC11，Inconel 718，铝合金，常用不锈钢等，材料厚度不限。
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