CN111299839A - 一种基于约束层改良的激光冲击压印装置与方法 - Google Patents

一种基于约束层改良的激光冲击压印装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光冲击压印领域，特指一种基于约束层改良的激光冲击压印装置和方法。将工件放置在工作台的伸缩夹具中，模具被放置在工件上方，其中模具有图案的表面与工件贴合，没有图案的表面贴上吸收层。伸缩夹具收缩夹紧防止水渗入工件和模具里面。然后在黑色聚酯胶带上方添加一层1‑1.5mm深水层，封闭密闭腔并向冷却腔中加入液态CO2使密闭腔的温度降低至‑10℃，水层凝固成冰层而被作为约束层，然后进行激光冲击。相较于水约束层的激光冲击而言，所形成的刚性约束层激光能量的利用效率与压印成型高度更高。且本发明通过水转化成冰形态作为刚性约束层的方法，解决的普通刚性约束层与吸收层不贴合且刚性约束层不耐用的弊端。

Description

一种基于约束层改良的激光冲击压印装置与方法
技术领域
本发明属于激光冲击压印领域，特指一种基于约束层改良的激光冲击压印装置和方法。
背景技术
激光冲击是一种通过透明约束层和能量吸收层而在金属材料上产生一定的力学作用的新型加工技术。能量吸收层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的吸收层材料有黑胶带和铝箔等。透明约束层能约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力，而且还能延长其作用时间，目前常用的约束层为水，K9玻璃。在激光冲击的冲击力下，与模具贴合的工件表面会受到挤压作用，其表面形貌会发生改变从而得到图案。由于激光冲击的作用时间短，所以其具有极高的应变率，能快速且准确的制造出所需要的表面微织构。
现有技术表明，刚性约束层所产生的冲击效果会优于弹性约束层以及流体约束层，且约束层的刚性越好，冲击波压力的提升效果越大。但是由于刚性约束层在受到激光冲击后其内部会产生拉应力，当拉应力大于材料的抗拉强度极限时，约束层内部会产生裂纹甚至导致约束层的破裂；且吸收层的表面如果有凹凸不平的位置，则会因刚性约束层与材料表面不完全贴合而导致激光冲击的效果变差。所以对于当前刚性约束层的使用则是每次激光冲击完后都需要更换刚性约束层且精确选择具有平整表面的吸收层来与刚性约束层完全贴合，这无疑大大的提高了激光冲击的成本。
发明内容
为了进一步优化激光冲击压印工艺，本发明提供了一种基于约束层改良的激光冲击压印装置与方法，从改良约束层的角度来改善表面微织构的压印效果。
本发明用伸缩夹具保证高强度金属薄膜模具和伸缩夹具的内壁间无缝隙，以防水流入高强度金属薄膜和轻合金工件里面，通过流体水来完全贴合吸收层，然后在低温下使水层凝固为冰层作为刚性约束层。冰层作为刚性约束层当出现裂纹时可以通过加热溶解然后再凝固，从而获得新的冰层，极大的节约了成本。
本发明专利提供一种基于约束层改良的激光冲击压印装置，其特征在于，该装置包括激光器，密闭腔，冷却腔，液态CO2储罐。密闭腔与冷却腔紧挨着，中间通过一道隔板相隔。密闭腔的顶部为腔盖，右侧内壁上装有加热器和温度感应器。控制显示器位于密闭腔右侧外壁上连接并控制温度感应器与加热器。工作台位于密闭腔内并位于底部位置，工作台上方装有伸缩夹具。手轮位于密闭腔的底端外壁上连接并控制伸缩夹具。液态CO2储罐位于密闭腔的左侧，输液阀连接液态CO2储罐和冷却腔，控制液态CO2从液态CO2储罐流入冷却腔中；排气阀与冷却腔相通，控制冷却腔中的气体流出。激光器位于密闭腔的右侧，激光光束从激光器中发出，经过反光镜更改路径后作用于工作台的工件上。
所述伸缩夹具内侧装有耐高温的HX-GJ-004硅胶橡胶膜，冷却腔与密闭腔之间的隔板层为导热性能较好的铜板。
本发明专利还提供一种基于约束层改良的激光冲击压印方法，其步骤为：
A)将轻合金工件打磨至表面无划痕，经过清洗，干燥后放入工作台上的伸缩夹具里。
B)将高强度金属薄膜打磨，清洗，干燥后通过皮秒激光器表面刻蚀出相应的微纳米图案，此薄膜作为模具而被放置于轻合金工件的上方紧密贴合，其中有图案的表面与轻合金工件紧密贴合，没有图案的一面贴上作为吸收层的黑色聚酯胶带。
C)通过手轮将伸缩夹具收缩，其中伸缩夹具的内侧装有硅橡胶膜以确保高强度金属薄膜模具与伸缩夹具的侧壁之间无缝隙。
D)向黑色聚酯胶带吸收层的上方加一层厚度为1-1.5mm厚的水层，然后关闭腔盖，打开输液阀将-37℃液态CO2缓慢输入到冷却腔中，通过温度感应器感应密闭腔内的温度，达到-10℃时关闭输液阀，水层凝固为冰层。
E)打开腔盖与激光器，调整激光器的功率参数：激光波长1024nm，激光能量3-6J，脉冲频率1Hz，方形光斑横纵向不搭接，冲击次数1次，然后进行激光冲击从而使轻合金工件表面获得纳米级的表面微织构图案。
F)最后关闭激光器，打开加热器加热密闭腔至150℃将其内部的水蒸发。
其中所述轻合金为铝合金或者是镁合金，高强度金属薄膜为强度超过1500MPa的弹簧钢或者钛合金，厚度为1mm。
本发明装置和方法的增益效果如下；
1.本发明从固体约束层的效果比液体更佳的理念出发，提出了由液态水转化为固态冰作为约束层的思路，充分利用了激光冲击的能量，使压印高度以及压印效果更大化。
2.本发明从工艺成本的角度出发，通过以冰层作为约束层，且控制密闭腔内环境来循环利用冰层，极大的减少了工艺成本。
附图说明
图1为一种基于约束层改良的激光冲击压印装置图。
图2为激光冲击时伸缩夹具里各材料单元的分布图。
图中，1、激光器；2、反光镜；3、控制显示器；4、加热器；5、温度感应器；6、腔盖；7、伸缩夹具；8、工作台；9、手轮；10、密闭腔；11、冷却腔12、排气阀；13、输液阀；14、液态CO2储罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
预处理：将轻合金工件打磨至表面无划痕，经过清洗，干燥后放入工作台8上的伸缩夹具7里。
安放模具：将厚度为1mm高强度金属薄膜打磨，清洗，干燥。然后制作好微纳米图案的CAD图并输入到皮秒激光器中，将高强度金属薄膜放入皮秒激光器的加工平台上，皮秒激光器通过激光的烧蚀作用在钛合金表面刻蚀出相应的微纳米图案，此薄膜作为模具而被放置于轻合金工件的上方紧密贴合，其中高强度金属薄膜有图案的表面与轻合金工件紧密贴合，没有图案的一面贴上作为吸收层的黑色聚酯胶带。通过手轮9将伸缩夹具7收缩，其中伸缩夹具7的内侧装有硅橡胶膜以确保高强度金属薄膜与伸缩夹具7的侧壁之间无缝隙。
制造冰约束层：向黑色聚酯胶带的上方加一层厚度为1-1.5mm厚的水层。然后关闭腔盖6，打开输液阀13将-37℃液态CO2缓慢输入到冷却腔11中，通过温度感应器5感应密闭腔10内的温度，达到-10℃时关闭输液阀13，水层凝固为冰层。
激光冲击：打开腔盖6与激光器1，调整激光器的功率参数：激光波长1024nm，激光能量3-6J，脉冲频率1Hz，方形光斑横纵向不搭接，冲击次数1次，然后进行激光冲击从而使轻合金工件表面获得纳米级的表面微织构图案。
最后关闭激光器1，打开加热器4加热密闭腔10至150℃将其内部的水蒸发。
实例1
约束层改良后的激光冲击压印6061铝合金
10mm×10mm×2mm的6061铝合金工件经打磨，清洗，干燥后被放入工作台8上的伸缩夹具7里。将另一块尺寸为10mm×10mm×1mm的钛合金打磨，清洗，干燥，然后制作好微纳米图案的CAD图并输入到皮秒激光器中，将钛合金放入皮秒激光器的加工平台上，皮秒激光器通过激光的烧蚀作用在钛合金表面刻蚀出相应的微纳米图案，图案为500个深度为20μm，宽度为30μm的坑洞。此钛合金作为模具而被放置于铝合金工件的上方紧密贴合，其中钛合金有图案的表面与铝合金工件紧密贴合，没有图案的一面贴上作为吸收层的黑色聚酯胶带。伸缩夹具7的内侧装有耐高温硅胶膜，通过手轮9将伸缩夹具7收缩以确保钛合金模具与伸缩夹具7的侧壁之间无缝隙。向黑色聚酯胶带的上方加一层厚度为1.5mm厚的水层。然后关闭腔盖6，打开输液阀13将-37℃液态CO2缓慢输入到冷却腔11中，通过温度感应器5感应密闭腔10内的温度，达到-10℃时关闭输液阀13，水层凝固为冰层，厚度为1.7mm。打开腔盖6与激光器1，调整激光器的功率参数：激光波长1024nm，激光能量4J，脉冲频率1Hz，方形光斑横纵向不搭接，冲击次数1次，然后进行激光冲击从而使铝合金表面获得纳米级的表面微织构图案。最后关闭激光器1，打开加热器4加热密闭腔10至150℃将其内部的水蒸发。
实例2
激光冲击压印6061铝合金
10mm×10mm×2mm的6061铝合金工件经打磨，清洗，干燥后被放入工作台8上的伸缩夹具7里。将另一块尺寸为10mm×10mm×1mm的钛合金打磨，清洗，干燥，然后制作好微纳米图案的CAD图并输入到皮秒激光器中，将钛合金放入皮秒激光器的加工平台上，皮秒激光器通过激光的烧蚀作用在钛合金表面刻蚀出相应的微纳米图案，图案为500个深度为20μm，宽度为30μm的坑洞。此钛合金作为模具而被放置于铝合金工件的上方紧密贴合，其中钛合金有图案的表面与铝合金工件紧密贴合，没有图案的一面贴上作为吸收层的黑色聚酯胶带。伸缩夹具7的内侧装有耐高温硅胶膜，通过手轮9将伸缩夹具7收缩以确保钛合金模具与伸缩夹具7的侧壁之间无缝隙。向黑色聚酯胶带的上方加一层厚度为1.5mm厚的水层。打开激光器1，调整激光器的功率参数：激光波长1024nm，激光能量4J，脉冲频率1Hz，方形光斑横纵向不搭接，冲击次数1次，然后进行激光冲击从而使铝合金表面获得纳米级的表面微织构图案。
经过奥林巴斯光学数码显微镜观察实例1与实例2的表面形貌高度，观察到实例1的凸包平均高度要比实例2的凸包平均高度高17.6％。
表1为实施例1和实施例2对比
凸包平均高度
实例1 15.3μm
实例2 13.0μm

Claims (8)

1.一种基于约束层改良的激光冲击压印装置，其特征在于，所述装置包括激光器，密闭腔，冷却腔，液态CO2储罐；密闭腔与冷却腔紧挨着，中间通过一道隔板相隔；密闭腔的顶部为腔盖，右侧内壁上装有加热器和温度感应器，控制显示器位于密闭腔右侧外壁上连接并控制温度感应器与加热器；工作台位于密闭腔内并位于底部位置，工作台上方装有伸缩夹具，手轮位于密闭腔的底端外壁上连接并控制伸缩夹具；液态CO2储罐位于密闭腔的左侧，输液阀连接液态CO2储罐和冷却腔，控制液态CO2从液态CO2储罐流入冷却腔中；排气阀与冷却腔相通，控制冷却腔中的气体流出；激光器位于密闭腔的右侧，激光光束从激光器中发出，经过反光镜更改路径后作用于工作台的工件上。
2.如权利要求1所述的一种基于约束层改良的激光冲击压印装置，其特征在于，所述伸缩夹具内侧装有耐高温的HX-GJ-004硅胶橡胶膜，冷却腔与密闭腔之间的隔板层为导热性能较好的铜板。。
3.利用如权利要求1所述装置实施基于约束层改良的激光冲击压印的方法其特征在于，具体步骤为：
A)将轻合金工件打磨至表面无划痕，经过清洗，干燥后放入工作台上的伸缩夹具里；
B)将高强度金属薄膜打磨，清洗，干燥后通过皮秒激光器表面刻蚀出相应的微纳米图案，此薄膜作为模具而被放置于轻合金工件的上方紧密贴合，其中有图案的表面与轻合金工件紧密贴合，没有图案的一面贴上吸收层；
C)通过手轮将伸缩夹具收缩，其中伸缩夹具的内侧装有硅橡胶膜以确保高强度金属薄膜模具与伸缩夹具的侧壁之间无缝隙；
D)向吸收层的上方加一层水层，然后关闭腔盖，打开输液阀将液态CO2缓慢输入到冷却腔中，通过温度感应器感应密闭腔内的温度，达到一定温度时关闭输液阀，水层凝固为冰层；
E)打开腔盖与激光器，调整激光器的工艺参数，然后进行激光冲击从而使轻合金工件表面获得纳米级的表面微织构图案；
F)最后关闭激光器，打开加热器加热密闭腔使得其内部的水蒸发。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤A)中，所述轻合金为铝合金或者是镁合金。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤B)中，高强度金属薄膜为强度超过1500MPa的弹簧钢或者钛合金，厚度为1mm；吸收层为黑色聚酯胶带。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤D)中，向吸收层的上方加一层厚度为1-1.5mm厚的水层，液态CO2的温度为-37℃，所述一定温度为-10℃。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤E)中，激光器的工艺参数为：激光波长1024nm，激光能量3-6J，脉冲频率1Hz，方形光斑横纵向不搭接，冲击次数1次。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤F)中，打开加热器加热密闭腔至150℃将其内部的水蒸发。
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