CN110732780B - 一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光微加工领域,特指一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法。将整形镜放置于激光发生器和聚焦透镜之间，高能脉冲激光发生器发射的高能脉冲激光的轴心与整形透镜和聚焦镜的轴心重合,将约束层、吸收层和金属接触膜由上而下覆盖在工件表面上；金属接触膜与工件待加工表面紧密贴合的表面加工出正六边形或正方形分布的微沟槽，高能脉冲激光发生器发出的高能脉冲激光的光斑形状通过整形透镜设计成正六边形或正方形；高能脉冲激光透过约束层，与吸收层相互作用产生等离子体爆炸并形成高压冲击波，同时激光束光斑边缘与金属接触膜与工件待加工表面紧密贴合的表面的微凹槽相互耦合，实现工件待加工表面微织构的制造。

Description

一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法
技术领域
本发明属于激光微加工领域,特指一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法。
背景技术
传统的机械零部件表面结构是自然、被动、随机形成的，而在理想状态下，必然存在着一个与机械系统性能相匹配的最优表面结构。利用高能激光束可以在机械零部件表面加工出预设的微织构，从而获得有利于疲劳性能的表面形貌。
目前,在金属材料表面加工微织构形貌的方法主要有:机械法、电化学刻蚀法、电火花加工、以及电解加工等。机械法存在刀具制造复杂，加工效率低等缺陷。电化学刻蚀和电解加工需要制作掩模结构和工具电极，加工周期长，效率低。电火花放电热蚀加工机理及电极损耗影响材料表面的加工精度及表面质量。
中国专利CN1358603A“一种激光加工轧辊表面球冠状微凸形貌的方法”，通过精确控制外接辅助气体的吹气方向和压力以及激光脉宽,使得部分金属材料气化飞出,形成反冲压力并将熔池中心材料吹向熔池边缘,形成织构形貌，但若激光脉宽控制不当,则气化效应不明显,不利于形成理想微织构形貌。中国专利CN104308361A“一种激光冲击制造表面微凸起形貌的装置和方法”，但该方法取决于粘性胶受热膨胀所形成二次冲击波对微熔池中心材料的挤压效果，因此不能有效控制每个微凸起的大小及高度，也不能制造带有特定几何形貌的微织构。上述方法均存在的不足是，所加工微形貌分布随机,无法实现主动设计和控制。
发明内容
本发明针对以上方法及装置的不足，提供一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造装置与方法,以获得具有特定几何形状的微织构形貌。
为解决以上问题，本发明采用的具体技术方案如下：一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法，其特征在于，将整形镜放置于激光发生器和聚焦透镜之间，高能脉冲激光发生器发射的高能脉冲激光的轴心与整形透镜和聚焦镜的轴心重合,将约束层、吸收层和金属接触膜由上而下覆盖在工件表面上；金属接触膜与工件待加工表面紧密贴合的表面加工出正六边形或正方形分布的微沟槽，高能脉冲激光发生器发出的高能脉冲激光的光斑形状通过整形透镜设计成正六边形或正方形；高能脉冲激光透过约束层，与吸收层相互作用产生等离子体爆炸并形成高压冲击波，同时激光束光斑边缘与金属接触膜与工件待加工表面紧密贴合的表面的微凹槽相互耦合，实现工件待加工表面微织构的制造。
所述的高能脉冲激光发生器为GAIA型纳秒脉冲激光器，发射的高能脉冲激光束脉宽为10～30ns，功率密度为109～1010GW/cm2，经过整形透镜并聚焦后产生的正六边形或正方形光斑的边长均为3～4mm。
所述的金属接触膜为厚度为100～150μm的60Si2CrVA弹簧钢膜片，为高强度、高弹性、高硬度材料；正六边形或正方形分布的微沟槽由Integra-C飞秒激光系统加工形成，微沟槽宽度为5～20μm，深度为10～15μm，之后对加工有微沟槽的金属接触膜表面打磨抛光及超声清洗。
所述约束层为厚度为1～2mm的去离子水膜。
所述吸收层为厚度为150～250μm的黑色聚酯胶带。
本发明的工作原理:
利用激光冲击波的力学效应，作用于一层高强度、高弹性、高硬度的金属接触膜，该接触膜与工件表面直接接触，接触膜的接触面加工出按特定几何规律分布的微沟槽，从而在接触表面形成特定形状的微凸起(如正六边形或者正方形)，同时高能脉冲激光通过整形透镜整形成正六边形或正方形，且脉冲激光边缘与接触膜与工件待加工表面紧密贴合的微沟槽相互耦合，在工件表面耦合区域形成与接触膜的微沟槽互补的表面“微凸缘”。通过该耦合效应，可以将常规激光冲击处理中因光斑搭接导致不可控的无规则分布的“凹陷”与“凸起”，转变为主动设计含特定几何规律分布的微织构，从而获得有利于工件疲劳性能的表面形貌。
本发明的有益效果：
本发明利用形状为正六边形或正方形的激光光斑与接触膜的与工件待加工表面的微沟槽二者之间的相互耦合作用，避免了常规激光冲击处理中因圆形光斑搭接造成的不可控二次塑性变形，可制造出特定几何规律分布的微织构。
附图说明
图1为基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法示意图。
图2为基于激光冲击波耦合效应搭接状态下的作用方式原理图。
图3为金属接触膜的微沟槽与工件表面微织构剖面图。
图4为接触膜表面为正方形微凹槽分布及激光光斑耦合形式示意图。
1脉冲激光发生器、2整形透镜、3聚焦透镜、4约束层、5吸收层、6正六边形或正方形分布的微沟槽、7金属接触膜、8激光冲击波、9工件。
具体实施方式
为了更好的阐述本发明的实施细节,下面结合附图对本发明的一种基于激光冲击波效应的高效微织构的制造装置与方法进行详细说明。
本发明基于激光冲击波耦合效应的表面微织构制造方法涉及的装置如图1所示,包括高能脉冲激光发生器1、整形透镜2、聚焦透镜3、约束层4、吸收层5、金属接触膜7。
实施实例一：
本实例中,GAIA型纳秒脉冲激光器发射的高能脉冲激光脉宽为10ns,功率密度为109～1010GW/cm2；金属接触膜为厚度为100μm的高弹性60Si2CrVA弹簧钢膜片，屈服强度为1.8GPa、硬度为320HB，接触膜的一个表面加工有正六边形分布的微沟槽，其宽度为5～20μm，深度为10～15μm；吸收层为厚度为200μm的黑色聚酯胶带；约束层为厚度为2mm的去离子水；工件为Ti6Lv4v钛合金，表面经打磨抛光并用丙酮，酒精清洗。
将60Si2CrVA弹簧钢膜片放在钛合金表面，黑色聚酯胶带覆盖在弹簧钢膜片上，使得带有正六边形微沟槽的一面与钛合金工件抛光表面紧密贴合。高能脉冲激光经过整形和聚焦并透过去离子水膜,在黑色聚酯胶带表面产生边长为3mm正六边形辐照区域。黑色聚酯胶带吸收激光能量爆炸形成高强度的冲击波。
在激光冲击波作用下，钛合金表面直接接触区的材料受到光滑接触膜的碾压，由1.15μm下降为0.67μm；而微沟槽区的材料受到挤压产生向上的塑性变形，形成按正六边形规律分布的微织构，长度为100μm,宽度为15μm,高度为5.6μm。
实施实例二：
本实例中,GAIA型纳秒脉冲激光器发射的高能脉冲激光脉宽为10ns,功率密度为109～1010GW/cm2；金属接触膜为厚度为100μm的高弹性60Si2CrVA弹簧钢膜片，屈服强度为1.8GPa、硬度为320HB，接触膜的一个表面加工有正方形分布的微沟槽，其宽度为5～20μm，深度为10～15μm；吸收层为厚度为200μm的黑色聚酯胶带；约束层为厚度为2mm的去离子水；工件为Ti6Lv4v钛合金，表面经打磨抛光并用丙酮，酒精清洗。
将60Si2CrVA弹簧钢膜片放在钛合金表面，黑色聚酯胶带覆盖在弹簧钢膜片上，使得带有正方形微沟槽的一面与钛合金工件抛光表面紧密贴合。高能脉冲激光经过整形和聚焦并透过去离子水膜,在黑色聚酯胶带表面产生边长为4mm正方形辐照区域。黑色聚酯胶带吸收激光能量爆炸形成高强度的冲击波。
在激光冲击波作用下，钛合金表面直接接触区的材料受到光滑接触膜的碾压，表面粗糙度由1.21μm下降为0.73μm；而微沟槽区的材料受到挤压产生向上的塑性变形，形成按正方形规律分布的微织构，长度为120μm,宽度为16μm,高度为6.1μm。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法，其特征在于，将整形透镜放置于激光发生器和聚焦透镜之间，高能脉冲激光发生器发射的高能脉冲激光的轴心与整形透镜和聚焦透镜的轴心重合,将约束层、吸收层和金属接触膜由上而下覆盖在工件表面上；金属接触膜与工件待加工表面紧密贴合的表面加工出正六边形微沟槽，高能脉冲激光发生器发出的高能脉冲激光的光斑形状通过整形透镜设计成正六边形，或金属接触膜与工件待加工表面紧密贴合的表面加工出正方形分布的微沟槽，高能脉冲激光发生器发出的高能脉冲激光的光斑形状通过整形透镜设计成正方形；高能脉冲激光透过约束层，与吸收层相互作用产生等离子体爆炸并形成高压冲击波，同时激光束光斑边缘与金属接触膜与工件待加工表面紧密贴合的表面的微凹槽相互耦合，实现工件待加工表面微织构的制造；所述的高能脉冲激光发生器为GAIA型纳秒脉冲激光器，发射的高能脉冲激光束脉宽为10～30ns，功率密度为109～1010GW/cm2，经过整形透镜并聚焦后产生的正六边形或正方形光斑的边长均为3～4mm；所述的金属接触膜为厚度为100～150μm的60Si2CrVA弹簧钢膜片，为高强度、高弹性、高硬度材料；正六边形或正方形分布的微沟槽由Integra-C飞秒激光系统加工形成，微沟槽宽度为5～20μm，深度为10～15μm，之后对加工有微沟槽的金属接触膜表面打磨抛光及超声清洗。
2.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法，其特征在于，所述约束层为厚度为1～2mm的去离子水膜。
3.如权利要求1所述的一种基于激光冲击波耦合效应高效微织构的制造方法，其特征在于，所述吸收层为厚度为150～250μm的黑色聚酯胶带。
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