CN113481555A - 一种利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法及装置，涉及特种加工领域，该方法在激光和电化学反应复合作用下对工件进行修复；将工具阳极置于工件内部中心，工具阳极与工件保持一定间隙，激光束聚焦在工件外表面，实现内壁的定域修复。本发明针对管轴状等孔径比大的零件内壁涂层脱落失效难以修复的问题，利用工件热导率高的特性，将激光热效应与电化学沉积协同，实现工件内壁的定域镀层修复，其余无需修复区域不发生电沉积反应，操作流程简单，极大节省镀液成本，解决了深管内膛表面中镀层脱落造成的膛压低、精度下降以及内膛尺寸增大等后果，导致无法正常使用的问题。

Description

一种利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修 复的方法及装置

技术领域

本发明涉及特种加工技术中表面加工领域，尤其涉及到一种激光电化学复合加工的方法和装置，适用于管道、空心轴等内表面难加工工件的快速定域电沉积修复。

背景技术

近年来，表面涂层技术在国防、机械、航天和化工等领域发挥了重要作用，电镀层由于其具有良好的耐磨性、耐蚀性和高硬度等服役性能而被广泛应用于管状、轴状等零部件的内壁上。零件在极端条件下的机械摩擦、插拔和腐蚀等行为会带来损耗，内壁的镀层在承受高温、高压、载荷挤压时易发生局部脱落和失效，大大降低零件的精度和使用寿命。目前对孔径小、孔深长的零件的局部镀层修复解决方法主要是直接更换零件，或者先进行退镀然后再次全部电镀，但非常浪费镀液，影响生产效率。激光复合电化学技术是利用激光的热效应诱导基板受到激光辐照的区域发生电沉积现象，电沉积层具有效率高、定域性好、柔性高、结合度等优势。

国内外对激光复合电化学技术有一定研究。公布号为CN102817251A的专利中提出了一种激光脉冲电镀系统，利用激光脉冲和电信号脉冲相匹配，实现激光辐照和电沉积技术的结合，有效改善了镀层的物理化学性能，提高镀层的加工效率和分辨率，但此发明主要是针对改善电沉积层质量，并不能实现激光定域诱导电沉积的作用；公告号为CN109735883B的专利中提出了一种激光辅助柔性随动式工具电极微细电沉积的装置及方法，该方法通过使用柔性随动式工具电极限制电场分散区域以及电沉积的反应区域，提高电沉积的定域性以及构件的尺寸精度，通过控制柔性随动式工具电极的运动路径即可沉积出复杂形状的微细零件，但在此发明中，工艺较为复杂，随动式工具电极运动路径和激光扫描路径难以保持一致，镀层的定域性难以保证。

传统的激光复合电化学沉积的方法一般只能实现激光增强工件表面电沉积，改善既有电镀层的性能，无法单纯用激光得到工件内壁和背面镀层。利用微细工具阳极虽然能实现局部电沉积出镀层和微结构，但是工艺复杂，阳极和激光焦点的精准“对刀”较难实现，对装置的精度要求很高。在应用方面，目前的研究只能在激光辐照的工件表面实现电沉积，很难通过单激光诱导在工件的背面和内壁实现柔性高的定域镀层和结构，限制了该技术在工件内壁上的应用发展。

发明内容

针对现有工件内壁电镀修复技术以及定域电镀层制备技术的不足，本发明提供了一种利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，该方法将激光与电化学复合，将工件阳极置于工件内部，激光束聚焦在工件外表面，实现内壁的定域修复。

另外，本发明提供了一种实现上述修复方法的装置，该装置结构简单，方便操作并能够实现上述方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，在激光和电化学反应复合作用下对工件进行修复；将工具阳极置于工件内部中心，工具阳极与工件保持一定间隙，激光束聚焦在工件外表面，实现内壁的定域修复。

进一步的，所述工具阳极与工件可相对旋转。

进一步的，所述工具阳极为螺旋结构。

进一步的，所述工件为热导率良好的导体或半导体材料。

进一步的，通过调节激光能量的时空分布和电化学参数，可实现工件内表面电沉积或者外表面抛光或者内表面电沉积和外表面抛光同时进行，并可区别控制电沉积或者/和抛光的加工速率。

进一步的，所述工件为中空回转体。

进一步的，具体包括如下步骤：

步骤一：根据待修复区域图形绘制运动路径模型，优化后导入计算机；

步骤二：对工件内外表面进行预处理；

步骤三：工具阳极与直流脉冲电源正极相连，工件与直流脉冲电源负极相连；

步骤四：使工件内表面和工具阳极均浸没在沉积液中，通电后，工件与工具阳极形成电化学回路，开启蠕动泵，保证电化学反应发生时沉积液的浓度均匀；

步骤五：激光器发出的激光束经聚焦辐照在工件外表面，激光产生的热量通过热传导到达工件内表面待修复区域，利用激光扫描背向区域局部热效应诱导工件背面区域发生定域电沉积，除背面区域外的其余内壁区域不发生电化学反应；

步骤六：开启直流脉冲电源和脉冲激光器，实现激光诱导电化学沉积的效果；

步骤七：根据所设定的运动路径，通过运动控制器控制工件工作手臂旋转和x-y-z三轴运动平台的协同运动，对工件进行三维快速加工。

利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法的装置，包括激光辐照系统、电沉积加工系统、运动控制系统和电沉积液循环系统；所述激光辐照系统包括脉冲激光器、反射镜和聚焦透镜；所述激光器发出的激光束经反射镜进行反射后通过聚焦透镜聚焦至工件表面；所述电沉积加工系统包括直流脉冲电流、工作槽、工件和工具阳极；所述工件与直流脉冲电源负极相连，通过工件工作手臂夹持放置于工作槽上方，所述工具阳极与直流脉冲电源正极相连，并通过工具阳极工作手臂夹持放置于工件内并与工件保持一定间隙；所述运动控制系统包括计算机和运动控制器，所述计算机控制脉冲激光器、蠕动泵和直流脉冲电源，所述运动控制器控制x-y-z三轴加工平台、工件工作手臂和阳极工作手臂；所述电沉积液循环系统包括蠕动泵和管道；所述蠕动泵提供足够电沉积液入射流量使电沉积液与工件和工作阳极充分接触，形成回路。

进一步的，所述脉冲激光器为纳秒或者皮秒激光器。

有益效果：

1.针对管轴状等孔径比大的零件内壁涂层脱落失效难以修复的问题，利用工件热导率高的特性，将激光热效应与电化学沉积协同，实现工件内壁的定域镀层修复，其余无需修复区域不发生电沉积反应，操作流程简单，极大节省镀液成本，解决了深管内膛表面中镀层脱落造成的膛压低、精度下降以及内膛尺寸增大等后果，导致无法正常使用的问题。

2.在加工过程中采用脉冲激光辐照工件外表面，利用工件导热率高的优势，通过对工件表面的激光扫描，产生的热量迅速扩散到材料内壁，实现管道等内壁难加工零件的快速定域电沉积修复；通过控制加工电流、激光扫描速度、激光单脉冲能量等参数，可以实现对工件内壁电沉积速率、宽度和厚度的精确控制。另外，使用螺旋结构的工具阳极置于工件中心旋转实现电沉积液的循环流动更新，一方面消除激光热影响扩散区的负面影响，避免发生非扫描区域的沉积，提高电沉积精度，另一方面实现金属离子的快速补充，并利用冲液及时除去氢气泡，实现高速电沉积效果。本发明适用于零部件的内表面定域电沉积修复的高效加工和制造。

3.激光束聚焦在工件外表面，实现内壁的定域修复，避免了工具阳极的遮掩和激光直射的烧蚀镀层对加工的影响，实现管、轴类内壁难加工工件内表面的定域电沉积，极大节省了镀液。

4.电沉积过程中，通过调整激光参数和电参数，可以控制镀层的厚度、精度和沉积效率，提高生产的柔性，镀层的形状结构由激光束的几何形状、扫描路径、运动方式所决定，无需使用微细工具阳极。

5.采用表面制备有旋转螺旋结构的工具阳极放置于工件内部，为电沉积反应提供均匀电场，当工具阳极高速旋转时，可以实现电沉积液的循环和金属离子的快速补充，及时排出电沉积反应产生的氢气泡，大幅消除激光辐照区域以外的负面热影响，优化激光辐照热效应的集中性和定域性，提高镀层的精度、质量和沉积速率。

6.通过调节激光能量的时空分布以及电化学参数，实现工件内表面电沉积或外表面抛光或两者同时加工，并可以区别控制电沉积/抛光的加工速率。

7.本发明的加工系统功能完善，易于组装。工件和工具阳极均由工作手臂和x-y-z三轴运动平台控制空间运动，实现柔性加工，装置简单，成本较低易于安装、维修。

附图说明

图1为本发明实施例涉及到的激光复合电化学沉积修复工件内壁镀层加工系统示意图；

图2为激光复合电化学沉积修复工件内壁平面镀层效果示意图；

图3为激光复合电化学沉积修复工件内壁环状镀层效果示意图；

图4为图2和图3的定域修复镀层工艺截面图。

附图标记：

1-计算机；2-脉冲激光器；3-蠕动泵；4-工件工作手臂；5-反射镜；6-聚焦透镜；7-激光束；8-工具阳极；9-工作槽；10-直流脉冲电源；11-工件；12-运动控制器；13-工具阳极工作手臂；14-x-y-z三轴运动平台；15-平面修复镀层；16-电场线；17-环状修复图层；18-待修复区域；19-电沉积液。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，激光器发出的激光束7经聚焦辐照在工件11表面，激光产生的热量通过热传导到达工件11内表面，利用激光扫描背向区域局部热效应诱导工件11背面区域发生定域电沉积，其余内壁区域虽全部浸泡在沉积液19中但不发生电化学反应，直流脉冲电源10正负极分别与工具阳极8和工件11相连，工具阳极8放置于工件11内部中心，并与工件11保持一定间隙，其中，所述工件11为热导率良好的导体或半导体材料。通过调节激光能量的时空分布以及电化学参数，实现工件11内表面电沉积或外表面抛光或两者同时加工，并可以区别控制电沉积/抛光的加工速率；工具阳极8为螺旋结构，由工作手臂13夹持并与空心工件11同轴放置，通过运动控制系统调节旋转运动速度，控制电沉积液19流量。利用螺旋结构的工具阳极8实现电沉积液19的循环和金属离子的快速补充，及时排出电沉积反应产生的氢气泡，大幅消除激光辐照区域以外的负面热影响，优化激光辐照热效应的集中性和定域性，提高镀层的精度和沉积速率。激光束聚焦在工件外表面，实现内壁的定域修复，避免了工具阳极8的遮掩和激光直射的烧蚀镀层对加工的影响，实现管、轴类内壁难加工工件内表面的定域电沉积，极大节省了镀液。

具体步骤如下：

根据待修复区域图形绘制运动路径模型，优化后导入计算机1中；

对工件11内外表面进行预处理；

将工件11由工作手臂4夹持后固定在工作槽9上方，工具阳极8与直流脉冲电源10正极相连，由工作手臂13夹持放置于工件11内部中心，与工件11同轴并保持一定间隙，工件11与直流脉冲电源10负极相连；

将沉积液19注入工作槽9中，蠕动泵3的进液口和出液口分别与工作槽9和工件11端部相连，开启蠕动泵3，调节流量，使工件11内表面和工具阳极8均浸没在沉积液19中，通电后，工件11与工具阳极8形成电化学回路，保证电化学反应发生时沉积液19的浓度均匀；

将工件工作手臂13和工具阳极工作手臂4安装在x-y-z三轴运动平台14上并调整高度和位置，使激光束7聚焦在工件11外表面上，并能与工件11内表面待修复区域对应；

开启直流脉冲电源10和脉冲激光器2，实现激光诱导电化学沉积的效果；

根据所设定的运动路径，通过运动控制器12控制工件工作手臂13旋转和x-y-z三轴运动平台14的协同运动，对工件进行三维快速加工。

一种利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的装置，包括激光辐照系统、电沉积加工系统、运动控制系统和电沉积液19循环系统；所述激光辐照系统包括脉冲激光器2、反射镜5、聚焦透镜6；所述激光器2发出的激光束7经反射镜5进行45°反射后改变传输方向，通过聚焦透镜6聚焦至工件11表面；所述电沉积加工系统包括直流脉冲电流10、工作槽9、工件11和螺旋工具阳极8，所述工件11与直流脉冲电源10负极相连，通过工件工作手臂4夹持放置于工作槽9上方，所述螺旋工作阳极8与直流脉冲电源10正极相连，并通过工具阳极工作手臂13夹持放置于工件11正下方，与工件11保持一定间隙；所述运动控制系统包括计算机和运动控制器，所述计算机控制脉冲激光器1、蠕动泵3和直流脉冲电源10，所上述运动控制器控制x-y-z三轴加工平台14、工件工作手臂4和阳极工作手臂13；所述电沉积液19循环系统包括和螺旋工作阳极8、蠕动泵3及泵管；所述蠕动泵3提供足够电沉积液19入射流量使电沉积液19与阴阳极充分接触，形成回路。所述工件由工作手臂4夹持，可实现轴线旋转运动，对回转体工件11实现旋转加工。

结合附图1所示，计算机1分别与直流脉冲电源10、脉冲激光器2、蠕动泵3以及运动控制器12相连；计算机1可控制调节脉冲激光器2的激光参数、直流脉冲电源10的电参数以及蠕动泵3的流量参数，通过运动控制器12控制x-y-z三轴运动平台14的运动以及夹持工件11和工具阳极8的工作手臂4和13的旋转运动。

工件11放置在工作槽9上方，工具阳极8位于工件11的中心，并于工件11内壁保持一定间隙，调节蠕动泵3流量参数，使电沉积液19将间隙充满，直流脉冲电源10的正极连接工具阳极8，负极连接工件11，形成电化学回路；脉冲激光器2发出的激光束7经反射镜5改变传输方向，再经聚焦透镜6聚焦于工件11表面，激光对表面的热效应传导至工件11内壁，诱导工件11内壁实现电沉积，通过运动控制器12控制工件工作手臂13的旋转以及计算机调节的激光扫描路径以实现待修复区域形状的沉积。蠕动泵3的进液口和出液口分别与工作槽9和工件11端部相连，电沉积液19存储在工作槽9中，由蠕动泵3提供动力将沉积液19从工作槽9输送至工件11内部，电沉积液19通过工件11的另一端回流至工作槽9内实现循环。

结合附图2和3，激光束聚焦在工件11表面后产生的热效应传递至工件11内壁，引发区域的电场集中效应，限制电沉积仅发生在激光辐照区域的背面，聚焦后的激光束4沿着预设路径循环往复扫描时，在工件11内壁实现平面镀层修复，通过调控激光参数、电参数以及工具阳极8的旋转速度，实现对镀层厚度、精度和沉积速率的控制。当运动控制器12调控工件11旋转后，计算机1调整不同的激光参数和出光频率可以制备出不同形状尺寸的环状修复镀层。附图4为定域修复镀层工艺截面图，通过工件11的旋转运动及激光束4扫描路径的相互配合，实现对待修复区域18的定域电镀。

本发明具体实施方法如下：

通过分析待修复区域形状制定激光的扫描路径和对x-y-z三轴运动平台14的动态调控方案，以保证修复的镀层和原镀层平整度一致，镀层尺寸精度达到要求。

工件11需要由导热率较好的材料制成，厚度为0～5mm之间，工件内壁与工具阳极8的间隙保持在3～5mm之间，对工件11的内外表面进行预处理，工件11与直流脉冲电源10负极相连，工具阳极8与直流脉冲电源10正极相连。

工具阳极8的材料根据镀层及沉积液的需要合理选择，形状根据工件的形状所定制，工具阳极8被工具阳极工作手臂13所夹的一端需要绝缘，保证电场只均匀存在于工具阳极8与工件11的间隙中间。

在工作槽9中加入电沉积液19，表面制备有螺旋结构的工具阳极8在工具阳极工作手臂13的加持下旋转运动，实现电沉积液的快速流动，大幅消除激光辐照区域以外的负面热影响，优化激光辐照热效应的集中性，提高了镀层的定域性，避免杂散沉积现象。

开启蠕动泵3实现沉积液的循环，对金属离子进行快速补充，抑制浓差极化的影响，及时排出电沉积反应产生的氢气泡，有利于提高镀层的表面质量和生产效率。

开启激光器7、直流脉冲电源10以及运动控制器12，根据待修复区域的形状大小，动态调节x-y-z三轴运动平台14调整激光光斑的大小和激光的离焦量，实现对待修复区域的高效率沉积。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，在激光和电化学反应复合作用下对工件(11)进行修复；其特征在于，将工具阳极(8)置于工件(11)内部中心，工具阳极(8)与工件(11)保持一定间隙，激光束(7)聚焦在工件(11)外表面，实现内壁的定域修复。

2.根据权利要求1所述的利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，其特征在于，所述工具阳极(8)与工件(11)可相对旋转。

3.根据权利要求1所述的利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，其特征在于，所述工具阳极(8)为螺旋结构。

4.根据权利要求1所述的利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，其特征在于，所述工件(11)为热导率良好的导体或半导体材料。

5.根据权利要求1所述的利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，其特征在于，通过调节激光能量的时空分布和电化学参数，可实现工件(11)内表面电沉积或者外表面抛光或者内表面电沉积和外表面抛光同时进行，并可区别控制电沉积或者/和抛光的加工速率。

6.根据权利要求1所述的利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，其特征在于，所述工件(11)为中空回转体。

7.根据权利要求1至6任一项所述的利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：根据待修复区域图形绘制运动路径模型，优化后导入计算机(1)；

步骤二：对工件(11)内外表面进行预处理；

步骤三：工具阳极(8)与直流脉冲电源(10)正极相连，工件(11)与直流脉冲电源(10)负极相连；

步骤四：使工件(11)内表面和工具阳极(8)均浸没在沉积液(19)中，通电后，工件(11)与工具阳极(8)形成电化学回路，开启蠕动泵(3)，保证电化学反应发生时沉积液(19)的浓度均匀；

步骤五：激光器发出的激光束(7)经聚焦辐照在工件(11)外表面，激光产生的热量通过热传导到达工件(11)内表面待修复区域，利用激光扫描背向区域局部热效应诱导工件(11)背面区域发生定域电沉积，除背面区域外的其余内壁区域不发生电化学反应；

步骤六：开启直流脉冲电源(10)和脉冲激光器(2)，实现激光诱导电化学沉积的效果；

步骤七：根据所设定的运动路径，通过运动控制器(12)控制工件工作手臂(13)旋转和x-y-z三轴运动平台(14)的协同运动，对工件(11)进行三维快速加工。

8.实现权利要求7所述的利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法的装置，其特征在于，包括激光辐照系统、电沉积加工系统、运动控制系统和电沉积液循环系统；所述激光辐照系统包括脉冲激光器(2)、反射镜(5)和聚焦透镜(6)；所述激光器(2)发出的激光束(7)经反射镜(5)进行反射后通过聚焦透镜(6)聚焦至工件(11)表面；所述电沉积加工系统包括直流脉冲电源(10)、工作槽(9)、工件(11)和工具阳极(8)；所述工件(11)与直流脉冲电源(10)负极相连，通过工件工作手臂(4)夹持放置于工作槽(9)上方，所述工具阳极(8)与直流脉冲电源(10)正极相连，并通过工具阳极工作手臂(13)夹持放置于工件(11)内并与工件(11)保持一定间隙；所述运动控制系统包括计算机(1)和运动控制器(12)，所述计算机(1)控制脉冲激光器(1)、蠕动泵(3)和直流脉冲电源(10)，所述运动控制器(12)控制x-y-z三轴加工平台(14)、工件工作手臂(4)和阳极工作手臂(13)；所述电沉积液循环系统包括蠕动泵(3)和管道；所述蠕动泵(3)提供足够电沉积液(19)入射流量使电沉积液(19)与工件(11)和工具阳极(8)充分接触，形成回路。

9.根据权利要求8所述的利用激光复合电化学技术对材料内壁进行定域电沉积修复的方法的装置，其特征在于，所述脉冲激光器(1)为纳秒或者皮秒激光器。

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