CN110936021B - 一种扫描式激光复合化学抛光装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种扫描式激光复合化学抛光装置及方法，利用本发明装置和方法处理可得到表面具有低粗糙度抛光层的钛合金工件，本发明方法无需预处理，可以有效降低钛合金表面粗糙度，提高表面光泽度，提高表面质量，同时本发明不受工件尺寸限制，可实现大型钛合金工件的现场抛光处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种扫描式激光复合化学抛光装置及方法，属于精密表面处理技术领域。
背景技术
钛及钛合金具有密度小、抗腐蚀性能好、比强度高等一系列优异的特性，因而广泛应用于航空、航天、医疗等各个领域。但随着各种工业上对钛及钛合金表面平整要求的不断提高，制备出表面光亮平整的钛及钛合金就显得尤为重要。化学抛光即酸腐蚀，是指让化学介质中表面微观凸出的部分较凹部分优先溶解，从而得到平滑面，所采用的化学介质一般为氢氟酸或含氟离子的酸性溶液。但是氢氟酸是一种高毒物质，极易挥发到空气中，对环境和人体会产生巨大危害。而且在激光灯高温下会产生爆炸。除此之外，由于化学抛光还存在抛光效率低、抛光效果低以及处理尺寸受限的问题。
由于激光特有的优良属性，自从20世纪中期激光器的研制成功以来，激光已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。当激光作用于液相中的金属表面时，激光的热效应会在金属表面产生局部的电场以及加速局部区域的化学反应动力，这能有效提高化学抛光的速率以及质量。
因此，本发明结合激光和化学抛光的特性，在配置具有环保中性的化学抛光液的基础上，将激光束和水射流耦合，对钛合金工件进行激光复合化学抛光处理，以此来改善零件表面的粗糙度和光洁度。本发明能突破传统化学抛光对处理工件尺寸的限制，可实现大型工件乃至现场的抛光处理。再者，本发明无需繁琐的气密性装置，装置简单，稳定性高，只需要补充母液(对环境污染小)，可循环使用，利用率高。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种扫描式激光复合化学抛光装置及方法。利用本发明装置和方法处理可得到表面具有低粗糙度抛光层的钛合金工件。本发明方法无需预处理，可以有效降低钛合金表面粗糙度，提高表面光泽度，提高表面质量。同时本发明不受工件尺寸限制，可实现大型钛合金工件的现场抛光处理。
本发明的技术方案如下：
一种扫描式激光复合化学抛光装置，包括：扫描振镜系统、喷嘴、储存槽、回收槽；所述储存槽内设有抽水泵、搅拌器、加热棒、温度计，并且储存槽内装有化学抛光液，所述抽水泵经流量阀与喷嘴连接，所述回收槽与储存槽的底部通过管道连通，回收槽的上方设置待处理的工件，所述扫描振镜系统位于工件上方；
进一步，所述喷嘴的出口尺寸为10mm，其倾斜角度α＝45-60°。
本发明还提供了利用上述装置进行扫描式激光复合化学抛光的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)按如下组分组成配制化学抛光液：20-50g/L苹果酸、50-100mL/L乳酸、60-120g/L氯化钠、50-200g/L磷酸三钠，溶剂为水；
以上配方中，苹果酸有机酸对金属离子具有络合剂作用，处理过程中能促进金属离子离开工件表面，有利于材料的去除；乳酸中含有羟基，能有效防止腐蚀和过腐蚀；
(2)激光复合化学抛光处理：将化学抛光液加入储存槽中，开启搅拌器并通过加热棒和温度计维持温度在30～50℃，化学抛光液在抽水泵和喷嘴的共同作用下形成水射流喷向工件表面，从而在工件表面形成一层动态的水流层，同时激光在扫描振镜系统的控制下对加工区域进行扫描，扫描振镜系统和喷嘴(均固定于机床上)两者同时运动完成激光复合化学抛光处理；
工件材质为钛合金；
化学抛光液的温度维持在30-50℃，温度太低，不利于抛光，温度太高会使氯离子、磷酸根离子活动增大，在钛合金表面产生腐蚀烧灼现象；
水射流的流速通过通过流量阀进行控制，水射流的流速选择2-5m/s，作用是带走抛光过程中由于激光照射产生的大量气泡，防止表面出现气蚀坑；
激光器优选为光纤激光器，激光的焦点定位于工件表面和动态水流层的交界处，激光的工艺参数为：激光功率30-100W、扫描速度为800-2000mm/s；
激光扫描时，以“8”字形的摆动方式处理推进，整体处理速度为5-10mm/s；
以上对化学抛光液温度、水射流流速、激光工艺参数和整体处理速度均作了限定，激光工艺参数与水射流参数必须优化和相互匹配才能更好的改善工件表面质量，反之则会出现沸腾、金属盐沉积或高温腐蚀等不利于提高表面质量的现象。
相比于现有技术，本发明的突出优点是：
(1)非接触式抛光。接触式抛光在样品上施加了外力，样品在外力下容易破裂。而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力。可解决超硬、超软、脆性等材料的抛光问题。
(2)在加工过程中，化学抛光液主要通过喷嘴以水流形式作用于处理区域，不受工件尺寸的限制，可实现选区和复杂结构的抛光处理。同时化学抛光液可以隔绝空气，能避免钛合金表面因高温作用发生氧化。
(3)激光的热效应可以加快化学抛光的反应速度，使化学反应增强几个数量级；激光作用产生的温度差产生的局部电场，能将化学反应转变为电化学反应，使得抛光的速率增加。
(4)激光在抛光液中加工材料产生热流和水流作用可以将反应产物带离加工区域，促进反应的进行。
附图说明
图1为本发明扫描式激光复合化学抛光装置的示意图；
其中，1-扫描振镜系统，2-喷嘴，3-流量阀，4-温度计，5-储存槽，6-加热棒，7-搅拌器，8-抽水泵，9-回收槽，10-工件，11-化学抛光液。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1所示，一种扫描式激光复合化学抛光装置，包括：扫描振镜系统1、喷嘴2、储存槽5、回收槽9；所述储存槽5内设有抽水泵8、搅拌器7、加热棒6、温度计4，并且储存槽5内装有化学抛光液11，所述抽水泵8经流量阀3与喷嘴2连接，所述回收槽9与储存槽5的底部通过管道连通，回收槽9的上方设置待处理的工件10，所述扫描振镜系统1位于工件10上方；
喷嘴2的出口尺寸为10mm，其倾斜角度α＝45-60°。
以下处理的工件为钛合金，抛光之前的粗糙度为1.20μm。
实施例1
(1)配置化学抛光液，其组分为：50g/L苹果酸、100ml/L乳酸、60g/L的氯化钠和200g/L磷酸三钠，搅拌至充分溶解，得到化学抛光液。
(2)激光复合化学抛光处理：调整化学抛光液温度，控制水射流流速、设定激光工艺参数和整体处理速度。激光参数与水射流参数必须优化和相互匹配才能更好的改善工件表面质量，反之则会出现沸腾、金属盐沉积或高温腐蚀等不利于提高表面质量的现象。设定抛光液的温度调整为30℃、水射流的流速选择2m/s、激光工艺参数为激光功率为50W、扫描速度为800mm/s、扫描路径为“8”字形、整体处理速度为10mm/s
(3)利用三维轮廓测得表面粗糙度为0.32μm。
实施例2
配置化学抛光液和激光复合化学抛光处理步骤如同实施案例1。选择抛光液组分为50g/L苹果酸、50ml/L乳酸、120g/L的氯化钠和50g/L磷酸三钠。抛光液的温度调整为50℃、水射流的流速选择5m/s、激光工艺参数为激光功率为100W、扫描速度为2000mm/s、扫描路径为“8”字形、整体处理速度为5mm/s。
利用三维轮廓测得表面粗糙度为0.23μm。
实施例3
配置化学抛光液和激光复合化学抛光处理步骤如同实施案例1。选择抛光液组分为30g/L苹果酸、70ml/L乳酸、90g/L的氯化钠和125g/L磷酸三钠。抛光液的温度调整为40℃、水射流的流速选择4m/s、激光工艺参数为激光功率为65W、扫描速度为1400mm/s、扫描路径为“8”字形、整体处理速度为7mm/s。
利用三维轮廓测得表面粗糙度为0.17μm。
实施例4
配置化学抛光液和激光复合化学抛光处理步骤如同实施案例1。选择抛光液组分为50g/L苹果酸、50ml/L乳酸、120g/L的氯化钠和50g/L磷酸三钠。抛光液的温度调整为40℃、水射流的流速选择4m/s、激光工艺参数为激光功率为65W、扫描速度为1400mm/s、扫描路径为“8”字形、整体处理速度为7mm/s。
利用三维轮廓测得表面粗糙度为0.11μm。
对比例
青岛理工大学丁瑞堂发表的《工艺参数对激光化学复合抛光304不锈钢性能影响的研究》研究了不同激光工艺参数对于激光化学复合抛光对于304不锈钢的性能影响，但是他在静态溶液中，无法排除激光热积累带来的气泡对于抛光的影响。同时他的化学液无法实现循环使用，其中加的盐酸依旧具有一定污染环境的能力。本发明的可以完全排除气泡的影响，大幅度减少热累积，同时化学液能够循环利用，对环境无污染。在合适的范围中抛光精度比已报道的文献高。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种扫描式激光复合化学抛光的方法，其特征在于，扫描式激光复合化学抛光的装置包括：扫描振镜系统、喷嘴、储存槽、回收槽；所述储存槽内设有抽水泵、搅拌器、加热棒、温度计，并且储存槽内装有化学抛光液，所述抽水泵经流量阀与喷嘴连接，所述回收槽与储存槽的底部通过管道连通，回收槽的上方设置待处理的工件，所述扫描振镜系统位于工件上方；
所述方法包括如下步骤：
(1)按如下组分组成配制化学抛光液：20-50g/L苹果酸、50-100mL/L乳酸、60-120g/L氯化钠、50-200g/L磷酸三钠，溶剂为水；
(2)激光复合化学抛光处理：将化学抛光液加入储存槽中，开启搅拌器并通过加热棒和温度计维持温度在30～50℃，化学抛光液在抽水泵和喷嘴的共同作用下形成水射流喷向工件表面，从而在工件表面形成一层动态的水流层，同时激光在扫描振镜系统的控制下对加工区域进行扫描，扫描振镜系统和喷嘴两者同时运动完成激光复合化学抛光处理；
水射流的流速通过流量阀进行控制，水射流的流速选择2-5m/s；
激光的焦点定位于工件表面和动态水流层的交界处，激光的工艺参数为：激光功率30-100W、扫描速度为800-2000mm/s；
激光扫描时，以“8”字形的摆动方式处理推进，整体处理速度为5-10mm/s。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，工件材质为钛合金。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，激光器为光纤激光器。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置中，喷嘴的出口尺寸为10mm。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置中，喷嘴的倾斜角度α＝45-60°。
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