CN111940907A - 流水辅助超快激光制备微纳结构的装置及方法 - Google Patents

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林子轩
杜忠华
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高光发
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岳帅
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Abstract

本发明公开了一种流水辅助超快激光制备微纳结构的装置和方法，首先将工件通过夹具与伺服进给装置固连；通过伺服进给装置将工件放入工作箱中，调整喷嘴的悬高、入射角度及流水流速，打开喷嘴，在时间T1内，在工件表面形成均匀稳定流水层；在时间T2内，通过伺服进给装置将工件移动至激光加工区域，打开激光器发出激光，通过反射镜和凸透镜，将激光准确聚焦于流水层下的工件上表面的加工位置；在时间T3内，超快激光与工件上表面通过光化学作用，形成一层钛合金表面结构；根据工件预设的金属微结构加工的深度，循环加工，直至工件加工完成。本发明有效去除再铸层及碎屑提高了加工质量，加工中无需改变零件装夹，提高了加工效率。

Description

流水辅助超快激光制备微纳结构的装置及方法
技术领域
本发明属于特种加工技术，特别是涉及一种流水辅助超快激光制备微纳结构的装置及方法。
背景技术
飞机机翼等表面因具备特殊的钛合金表面结构而实现减阻、自清洁的特性。钛合金表面结构的几何形状复杂，加工难度大，加工质量要求高。加工质量（再铸层、微裂纹）直接决定减阻、自清洁的效果，并决定飞机相关部件的寿命和可靠性。钛合金表面结构的微细加工方法研究已经成为国内外研究的热点。
C.A.A.Rashed采用水射流辅助激光加工刻蚀金属材料，通过水射流减小再铸层、消除碎屑，但长脉冲激光依然通过热效应去除材料，存在再铸层和微裂纹等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流水辅助超快激光制备微纳结构的装置及方法，结合流水辅助方法和超快激光加工技术的优点，解决了短脉冲激光与长脉冲激光加工钛合金表面过程中产生的再铸层、微裂纹对其加工质量的影响，以及加工碎屑对激光衰减的影响的问题。流水辅助可以及时去除碎屑，避免水与碎屑形成的混合物对激光的衰减，并减少传递到工件上的热量。超快激光因有极短的脉冲宽度，在较低的脉冲能量下获得很高的峰值功率，当激光与材料互相作用时，发生多光子吸收效应，实现材料的冷加工，与此同时，超快激光的加工精度高。
实现本发明目的的技术解决方案为：本发明所述的流水辅助超快激光制备微纳结构装置，包括夹具、伺服进给装置、喷嘴、激光器、聚焦系统和工作箱。工作箱设置在工作台上，具有钛合金表面的工件设置在工作箱内，伺服进给装置通过夹具与工件固连，带动工件运动，激光器发出的激光通过聚焦系统反射并聚焦到工件的加工位置，对工件进行加工，喷嘴连接水管用于引进水流，在激光加工的同时对加工位置进行冲洗。
一种流水辅助超快激光制备微纳结构的加工方法，步骤如下：
步骤一：工件通过夹具与伺服进给装置固连，通过伺服进给装置调整工件的位置，伺服进给装置带动工件上下左右前后移动，转入步骤二。
步骤二：通过伺服进给装置将工件放入工作箱中，调整喷嘴的悬高、入射角度及流水流速等工艺参数，打开喷嘴，在时间T1内，在工件表面形成均匀稳定流水层，流水层可以及时冲刷烧蚀区域上的碎屑，减少加工中形成的碎屑，转入步骤三。
步骤三：在时间T2内，通过伺服进给装置将工件移动至激光加工区域，打开激光器发出激光，通过反射镜和凸透镜，将激光准确聚焦于流水层下的工件上表面的加工位置，转入步骤四。
步骤四：在时间T3内，超快激光与工件上表面通过光化学作用，快速形成一层钛合金表面结构，所述钛合金表面结构的形状包括一级微结构和二级微纳结构，在形成一级微结构的同时，一级微结构上表面诱导产生二级微纳结构，所述二级微纳结构为纳米次级结构，转入步骤五。
步骤五：根据工件预设的金属微结构（微孔或者微槽）加工的深度，重复上述步骤四，直至工件加工完成。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）无再铸层加工，采用超快激光，在流动的薄水层下，通过光化学作用，快速形成钛合金表面结构，无再铸层影响。
（2） 流水有效去除碎屑，均匀稳定的定向流水及时冲刷烧蚀区域上的碎屑，减少加工中形成的碎屑。
（3）在流水层下，超快激光诱导作用下，能形成高层次纳米次级结构。在流动的薄水层下，适当地选取激光脉冲能量、扫描速度等参数，有效地控制纳米结构的形貌、种类。
（4）加工过程实现一次装夹，改善微结构成型、提供结构强度。
附图说明
图1为本发明流水辅助超快激光制备微纳结构装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，本发明所述的流水辅助超快激光制备微纳结构装置，包括夹具2、伺服进给装置3、喷嘴5、激光器6、聚焦系统和工作箱9。工作箱9设置在工作台4上，具有钛合金表面的工件1设置在工作箱9内，伺服进给装置3通过夹具2与工件1固连，带动工件1运动，激光器6发出的激光通过聚焦系统反射并聚焦到工件1的加工位置，对工件1进行加工，喷嘴5连接水管用于引进水流，在激光加工的同时对加工位置进行冲洗。
所述聚焦系统包括共光轴设置的反射镜7和凸透镜8，激光器6发出的激光经反射镜7反射进入凸透镜8，经凸透镜8聚焦射入位于工作箱9内的工件1的加工位置。
所述伺服进给装置3为XYZ三轴联动装置，带动工件1上下左右前后移动。
所述夹具2包括两个对称的卡箍，两个卡箍卡在工件1的非加工侧壁上，将其包裹，并通过螺栓固连。
所述激光器6采用超快激光器。
一种流水辅助超快激光制备微纳结构的加工方法，步骤如下：
步骤一：工件1通过夹具2与伺服进给装置3固连，通过伺服进给装置3调整工件1的位置，伺服进给装置3带动工件1上下左右前后移动，转入步骤二。
步骤二：通过伺服进给装置3将工件1放入工作箱9中，调整喷嘴5的悬高、入射角度及流水流速等工艺参数，打开喷嘴5，在时间T1内，在工件1表面形成15mm-20mm均匀稳定流水层10，流水层10可以及时冲刷烧蚀区域上的碎屑，减少加工中形成的碎屑，转入步骤三。
步骤三：在时间T2内，通过伺服进给装置3将工件1移动至激光加工区域，打开激光器6发出激光，通过反射镜7和凸透镜8，将激光准确聚焦于流水层10下的工件1上表面的加工位置，转入步骤四。
步骤四：在时间T3内，超快激光与工件1上表面通过光化学作用，快速形成一层钛合金表面结构，所述钛合金表面结构的形状包括一级微结构和二级微纳结构，在形成一级微结构的同时，一级微结构上表面诱导产生二级微纳结构，所述二级微纳结构为纳米次级结构，转入步骤五。
步骤五：根据工件1预设的金属微结构（微孔或者微槽）加工的深度，重复上述步骤四，直至工件1加工完成。
在整个加工过程中，喷嘴5不断喷出水流，形成稳定流水层10。
所述工件1距离所述喷嘴5形成的流水层10顶面15mm-20mm。
上述加工装置结构简单，通过夹具2固定工件1，工件1只需要一次装夹，保证了加工精度，通过喷嘴5形成均匀稳定流水层，及时冲刷碎屑，通过超快激光加工工件1，聚焦强度高，对材料进行冷加工消除了再铸层。

Claims (8)

1.一种流水辅助超快激光制备微纳结构装置，其特征在于：包括，
工作箱（9），作为工件（1）的加工容器；
夹具（2），用于夹持工件（1）；
伺服进给装置（3），通过夹具（2）与工件（1）固连，带动工件（1）上下左右前后移动；
激光器（6），发出超快激光用于加工；
喷嘴（5），作为水流喷射口，在激光加工的同时对加工位置进行冲洗；
聚焦系统，对超快激光进行反射和聚焦，将其汇聚到工件（1）上，对其进行激光加工。
2.根据权利要求1所述的流水辅助超快激光制备微纳结构装置，其特征在于：所述聚焦系统包括共光轴设置的反射镜（7）和凸透镜（8），激光器（6）发出的激光经反射镜（7）反射进入凸透镜（8），经凸透镜（8）聚焦射入位于工作箱（9）内的工件（1）的加工位置。
3.根据权利要求1所述的流水辅助超快激光制备微纳结构装置，其特征在于：所述伺服进给装置（3）为XYZ三轴联动装置，带动工件（1）上下左右前后移动。
4.根据权利要求1所述的流水辅助超快激光制备微纳结构装置，其特征在于：所述夹具（2）包括两个对称的卡箍，两个卡箍卡在工件（1）的非加工侧壁上，将其包裹，并固连。
5.一种基于上述权利要求1~4中任意一项所述的流水辅助超快激光制备微纳结构的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：工件（1）通过夹具（2）与伺服进给装置（3）固连，通过伺服进给装置（3）调整工件（1）的位置，伺服进给装置（3）带动工件（1）上下左右前后移动，转入步骤二；
步骤二：通过伺服进给装置（3）将工件（1）放入工作箱（9）中，调整喷嘴（5）的悬高、入射角度及流水流速，打开喷嘴（5），在时间T1内，在工件（1）表面形成均匀稳定流水层（10），流水层（10）用于及时冲刷烧蚀区域上的碎屑，减少加工中形成的碎屑，转入步骤三；
步骤三：在时间T2内，通过伺服进给装置（3）将工件（1）移动至激光加工区域，打开激光器（6）发出激光，通过反射镜（7）和凸透镜（8），将激光准确聚焦于流水层（10）下的工件（1）上表面的加工位置，转入步骤四；
步骤四：在时间T3内，超快激光与工件（1）上表面通过光化学作用，快速形成一层钛合金表面结构，所述钛合金表面结构的形状包括一级微结构和二级微纳结构，在形成一级微结构的同时，一级微结构上表面诱导产生二级微纳结构，转入步骤五；
步骤五：根据工件（1）预设的金属微结构加工的深度，重复上述步骤四，直至工件（1）加工完成。
6.根据权利要求5所述的流水辅助超快激光制备微纳结构的方法，其特征在于：步骤四中，所述二级微纳结构为纳米次级结构。
7.根据权利要求5所述的流水辅助超快激光制备微纳结构的方法，其特征在于：在整个加工过程中，喷嘴（5）不断喷出水流，形成稳定流水层（10）。
8.根据权利要求5所述的流水辅助超快激光制备微纳结构的方法，其特征在于：所述工件（1）距离所述喷嘴（5）形成的流水层（10）顶面15mm-20mm。
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