CN116851908B - 激光表面处理提高涂层附着力的优化方法及加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种激光表面处理提高涂层附着力的优化方法及加工方法，优化方法包括以下步骤：获取待进行处理的基材的样本；在样本的不同区域分别以相同的激光功率且调整不同的激光加工参数α对样本进行表面处理；α为激光处理区域内所有激光光斑的面积之和与激光处理区域面积的比值，对不同区域进行涂层附着力测试，获得对应的附着力f；建立f=F(α)的函数关系，获得函数f中以最小α值为起点的单调上升区间和以最大α值为终点的单调下降区间，在单调上升区间和单调下降区间选取平台区间；函数f在平台区间内没有单调性，由平台区间对应的面积比α的取值区间作为最优取值区间，最优取值区间对应的涂层附着力区间为目标附着力区间。

Description

激光表面处理提高涂层附着力的优化方法及加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体地涉及一种激光表面处理提高涂层附着力的优化方法及加工方法。

背景技术

为了满足电机等机电设备中金属零部件绝缘处理的需求，一般采用绝缘喷涂工艺在金属零部件表面形成绝缘涂层。对于很多金属零部件（例如车削加工的电机机壳、电池壳体）来说，其绝缘涂层厚度要尽可能的薄，并且还需要有足够强的涂层附着力。然而，当金属零部件表面存在表面污染、钝化层等缺陷时，作为聚合物的绝缘涂层难以与电器零部件表面形成较强的界面附着力，无法达到绝缘涂层的附着强度要求。

相关技术方案中，利用激光束去除零部件表面污染和钝化层。针对确定的激光器设备，其涉及的工艺参数众多（激光功率，脉冲频率，扫描速度等）。为了去除电器零部件表面残留的杂质、污染物而不对基体材料造成过大的损伤：一般控制激光功率一定，而对电器零部件进行表面改性。

但上述技术方案未揭示各激光参数与绝缘涂层附着力的关系，在进行激光处理时往往无法获得较佳的附着力，或者需要耗费大量时间去摸索涂层附着力处于最佳范围时对应的各个激光参数（如激光扫描速度、激光脉冲频率和激光扫描路径的间距等）的最佳值或最佳区间。

发明内容

本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种激光表面处理提高涂层附着力的优化方法及加工方法。

本发明的一个或多个实施例提供一种激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，包括以下步骤：

S1，获取待进行表面处理的基材的样本，将样本划分为多个子样本；

S2，以同一激光功率，对各子样本分别采用不同的面积比α进行表面处理；其中，α=(n×π×r²)/b；b是激光处理区域的面积，n是激光处理区域中激光光斑的数量，r是激光光斑的半径；

S3，对各子样本进行涂层附着力测试，获得对应的附着力f；

S4，根据S2中数值α与S3中数值f的映射关系建立f=F(α)的函数关系，获得函数f中以最小α值为起点的单调上升区间和以最大α值为终点的单调下降区间，在单调上升区间和单调下降区间之间确定平台区间，函数f在平台区间内不具有单调性；由平台区间所对应的加工参数α的取值区间作为最优取值区间；最优取值区间对应的涂层附着力区间为目标附着力区间。

在至少一个实施方式中，n=b/(V/P×S)，V是激光扫描速度，P是激光脉冲频率，S是激光扫描路径的间距。

在至少一个实施方式中，获取平台区间中α的中位数，作为涂层附着力f处于目标附着力区间时的最优面积比。

在至少一个实施方式中，S4中，以α为横坐标，f为纵坐标建立直角坐标系，依次获取各所述子样本的α值和f值，依次将各子样本的取值置于所述直角坐标系内，连接各坐标点形成函数图像，根据函数图像获得单调上升区间、平台区间和单调下降区间。

在至少一个实施方式中，相邻坐标点以线段的方式进行连接，沿α增加的方向，依次对各线段对应的函数进行一阶求导；第一个导数为负的线段的线段的前一个线段的起点作为平台区间的第一起点。

在至少一个实施方式中，当连续两个线段所对应函数的导数为负，则以两个线段的连接点的起点作为平台区间的第一终点。

在至少一个实施方式中，将各坐标点拟合成曲线状的函数图像，获得函数图像的所有极大值点，沿α增加的方向，第一个极大值点作为平台区间的第二起点，最后一个极大值点作为平台区间的第二终点。

在至少一个实施方式中，将各坐标点拟合成曲线状的函数图像，沿α增加的方向，对各曲线对应的函数进行二阶求导，第一个二阶导数由正变负的节点作为平台区间的第三起点，最后一个二阶导数由负变正的节点作为平台区间的第三终点。

在至少一个实施方式中，将各坐标点拟合成曲线状的函数图像，获得函数图像中的所有的极大值点，沿α增加的方向：第一个极大值点作为平台区间的第二起点，最后一个极大值点作为平台区间的第二终点；对各曲线对应的函数进行二阶求导，第一个二阶导数由正变负的节点作为平台区间的第三起点，最后一个二阶导数由负变正的节点作为平台区间的第三终点；分别获得第一起点和第一终点之间、第二起点和第二终点之间、第三起点和第三终点之间α的中位数；取三个中位数中的最小值和最大值之间的区间作为α的最佳取值区间。

本发明的一个或多个实施例还提供一种基材表面绝缘涂层加工方法，包括以下步骤：

S01，准备基材；

S02，利用上述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法获得激光加工参数α的最优取值区间；

S03，根据α的最优取值区间确定S、V、P的数值，根据S、V、P的数值对基材进行表面处理；

S04，在基材表面进行绝缘涂层的涂覆。

以上一个或多个技术方案的有益效果在于：

（1）本方案提供了一种激光加工参数面积比α，采用同一激光功率、不同面积比α对样本进行表面处理以及涂层附着力试验，这种设置方式便于获得α与附着力f的对应关系，进而获得涂层附着力f处于最佳范围时α的取值区间；相对于分别采用试验来获得附着力f与多个现有激光参数的对应关系来说，本方案能够极大的减少试验时间，降低试验难度；并快速获得涂层附着力f处于最佳范围时的激光加工参数。

（2）本方案中获得的激光加工参数为涂层附着力处于最佳范围时的最优取值区间。即本方案对于同一材质的基材，可以通过对样本获得面积比的范围，进而适用其它非样本基材。这是因为本方案的面积比是一个区间，而非数值点，这样即使不同基材表面可能存在着粗糙度的不同导致附着力极大值对应的激光参数存在差异，但是在面积比最优参数范围内都可以获得所需的附着力提升效果。

附图说明

图1是本发明实施例中激光表面处理提高涂层附着力的优化流程示意图；

图2是本发明实施例中不同激光加工参数下的激光光斑分布示意图；

图3是本发明实施例中不同面积比α所对应的激光处理表面光学照片；

图4是本发明实施例中在加工区域形成10行和10列激光光斑的示意图；

图5是本发明实施例中将相邻坐标点以线段的方式进行连接的示意图；

图6是本发明实施例中将各坐标点拟合成曲线状的函数图像；

图7是本发明实施例中基材表面绝缘涂层加工方法的流程示意图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的一个或多个实施例提供一种激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，在本实施例的优化方法中，首先由激光加工过程中影响表面材料去除量的各工艺参数获得面积比α，然后根据该面积比对样本不同区域进行表面处理，然后对样本的不同区域进行绝缘涂层涂覆和附着力测试，获得该附着力f处于最佳范围（即目标附着力区间）时对应的面积比α的最优取值区间。具体的包括以下步骤：

S1，获取待进行表面处理的基材的样本。此处样本与待进行表面处理的基材的材质相同，粗糙度的偏差在允许范围内。在该步骤中，可以在单个样本处划分出不同的加工区域，每个加工区域作为一个子样本；也可以将样本分割成多块，每块形成一个子样本，每个子样本的表面作为一个加工区域。

S2，以同一激光功率，对各子样本分别采用不同的面积比α进行表面处理；其中，α=(n×π×r²)/b；b是激光处理区域的面积，n=b/(V/P×S)；α为激光表面处理整个过程中激光处理区域所有激光光斑的面积之和与激光处理区域面积b的比值，n是激光处理区域内激光光斑的数量，r是激光光斑的半径；V是激光扫描速度，P是激光脉冲频率，S是激光扫描路径的间距。具体的，在步骤2中，如图2所示，V/P为单个激光扫描路径中相邻两个激光光斑所形成的列间距；S为相邻行激光扫描路径中的行间距。

在激光表面处理过程中，加工区域内激光光斑有N1行、N2列，相邻两行以及相邻两列中四个激光光斑的圆心连线组成一个方格，（V/P×S）表征四个激光光斑所占据的方格的面积S₁。参见图4所示，其具有10行、10列，总共100个激光光斑并能够形成的互相不重叠的方格的数量为9*9=81个。在进行实际的激光处理时，激光光斑的半径一般是微米（μm）级别，1平方厘米上的激光光斑的数量至少为1000个。假定激光处理区域面积b内有1000行、1000列的激光光斑，激光光斑的数量为1000*1000个；该激光处理区域面积b中所形成的互不重叠的方格的数量为999*999个；此时激光光斑的数量足够多，激光处理区域中方格的数量基本等同于此处激光光斑的数量。在该情况下，b/(V/P×S)为激光处理区域内能够容纳的方格数量，该数值约等于激光处理区域中容纳的激光光斑的数量。

具体的，如图2所示，其给出了在激光光斑半径为定值的情况下，不同激光参数V/P、以及激光扫描路径间距S下的光斑分布情况。激光处理区域中所有激光光斑的面积之和与V/P以及S均成负相关；激光光斑的间隔与V/P以及S均成正相关，即当V/P以及S的数值越大时，激光光斑间隔越大；反之，激光光斑的间隔越近。当激光处理区域内激光光斑的数量足够多时，面积比α的数值会超过100%。

S3，对各所述子样本进行涂层附着力测试，获得对应的附着力f；具体的，此处包括对相应加工区域进行绝缘材料喷涂以及对绝缘涂层进行附着力测试两部分步骤，均采用现有技术即可，如涂层附着力测试可以参照GB/T 1720-1979、GB/T 9286-1998等。此处不再赘述。

S4，根据S2中数值α与S3中数值f的映射关系建立f=F(α)的函数关系，获得函数f中以最小α值为起点的单调上升区间和以最大α值为终点的单调下降区间，在单调上升区间和单调下降区间之间确定平台区间，函数f在平台区间内不具有单调性；由平台区间所对应的加工参数α的取值区间作为最优取值区间；最优取值区间对应的涂层附着力区间为目标附着力区间。

如图2-图6所示，在一种具体的样本测试过程中，测试获得不同面积比α的激光处理表面与绝缘涂层的附着力f之间附着力大小。可以发现：面积比的最优区间为40%至200%（平台区间），当面积比过小或者过大时，绝缘涂层的附着力f均会出现一定程度的降低。这是因为：当面积比过小时（小于40%），绝缘涂层附着区域内存在较多未被激光处理的表面，这些表面由于残留污染物、钝化氧化层的存在而导致绝缘涂层的附着较差。当面积比过大时（超过200%），绝缘涂层附着的区域内会被激光光斑重复处理而生成粗糙多孔的表面，导致绝缘涂层难以充分渗透形成界面孔隙缺陷。因此，控制激光表面处理的工艺参数满足面积比在40%至200%最优取值区间内时，能保证绝缘涂层的附着力得到充分的提升。

参考上述具体的样本测试可知，函数f=F(α)均具有包括最小α值为起点的单调上升区间和以最大α值为终点的单调下降区间。在单调上升区间和单调下降区间之间形成平台区间。在整个平台区间内，函数F不具有单调性，即随着面积比α的增加，附着力f可能增加，也可能降低；该平台区间同样可以看作函数F的震荡区；附着力f的最大值处于该平台区间中。上述提及目标附着力区间也就是附着力f的最佳范围，该最佳范围并非提前确定的数值范围，而是α处于最优取值区间时对应的附着力f的取值变化范围。在最佳范围内，附着力f的数值较大，能够满足涂层附着的要求，且附着力f的最大值处于该最佳范围内。

在至少一个实施方式中，获取平台区间中α的中位数，作为最优面积比。该中位数α作为其余非样本片进行激光处理的参数。采用中位数可以尽可能避免各个基材因为粗糙度等因素造成的最佳α范围存在差异的影响，避免因为基材差异而不能获得最佳的附着力提升效果或者不能达到对附着力的要求。

下述给出一种平台区间中α起点和终点的取值方法：

在步骤S4中，以α为横坐标，f为纵坐标建立直角坐标系，依次获取各所述子样本的α值和f值，依次将各子样本的取值通过坐标点的形式置于直角坐标系内，连接各坐标点形成函数图像，获得单调上升区间、平台区间和单调下降区间。具体的，参见图5或6，在附着力测验的过程中，当利用α和f建立直角坐标系时，通过将坐标点连接或者拟合能够获得一个连续的函数图像。此处可以利用线段连接相邻坐标点，也可以利用多个坐标点拟合为曲线。

具体的，参见图5，本实施例采用一阶导数法求解平台区间的起点和终点：通过直线将各坐标点依次连接，各坐标点之间的连线为线段，此时函数F(α)为一次函数，该一次函数中任意区间的导数为常数。沿α增加的方向（参见图5所示从左向右的方向），依次对各线段对应的一次函数进行一阶求导；若导数为正，说明附着力f随面积比α的增大而增加，若导数为负，则附着力数值达到平台区间，以第一个导数为负的线段的前一个线段的起点作为平台区间的第一起点。在图5提供的一种具体测试数据的直角坐标系函数图像中，坐标点（40.074%，3.2）和坐标点（54.54%，3.22）之间线段的一阶导数为正，坐标点（54.54%，3.22）和（78.54%，3.21）之间线段的导数为负，则以坐标点（40.074%，3.2）作为第一起点。

在另外一些实施例中，采用一阶导数法时，在导数为正的区间内，若下个区间中导数的数值小于前一个区间中导数的数值，则将前一个区间中对应线段的终点作为平台区间的起点。采用此实施方式，可以扩大平台区间的取值范围，避免因为α调整过大导致无法准确获得平台区间。

若下一个区间中一次函数的导数为正，则附着力f仍然在平台区间。当连续两个线段所对应函数的导数为负数时，表明附着力f离开平台区间，以两个线段的连接点作为平台区间的第一终点。在图5提供的一种具体测试数据的直角坐标系函数图像中，坐标点（122.72%，3.23）和坐标点（191.75%，3.21）之间线段的一阶导数为负，坐标点（191.75%，3.21）和（204.32%，3.15）之间线段的导数也为负。则以坐标点（191.75%，3.21）为平台区间的第一终点。

下述表格中给出了具体样本附着力测试时，α与附着力f的对应关系：

从该表格中分析可知：该面积比α的平台区间在40.07%-204.32%。

如图7所示，本发明的一个或多个实施例还提供一种基材表面绝缘涂层加工方法，包括以下步骤：

S01，准备待加工基材。

S02，确定激光功率，利用上述激光表面处理提高涂层附着力的优化方法获得激光加工参数α的最优取值区间。

S03，根据α的最优取值区间对确定S、V、P的数值，根据S、V、P的数值对基材进行表面处理。

具体地，为了减少S、V、P的调节难度，首先将V和P取设定值，此时面积比α与S成反比，通过调整S来快速获得不同的面积比α。当S调节完毕后，将S调整为确定数值，面积比α与V和P的比值成反比，通过调整V和P的比值来快速获得不同的面积比α。

优选的，为了提高激光光斑在基材表面分布的均匀程度，本实施例中可以设置成S=V/P；此时激光表面处理时光斑的行间距和列间距相等。此时，还能够降低面积比α的调节难度；例如改变S，确定V和P中的一个为定值，根据S=V/P可以快速确定另一个参数数值。

S04，在基材表面进行绝缘涂层的涂覆。

具体地，此处基材表面绝绝缘涂层的涂覆采用现有技术即可，此处不再赘述。

实施例2

本实施例与实施例1中的技术方案基本相同，区别在于，本实施例将直角坐标系中的坐标点拟合成曲线并采用极值法来获得平台区间的起点和终点。具体的，包括以下步骤：

S4.1，如图6所示，将各坐标点拟合成曲线状的函数图像，该曲线的拟合可以由计算机软件（例如matlab，origin等）获得，也可以通过最小二乘法等方法手动将各坐标点拟合成曲线。

S4.2，获得函数图像的所有极大值点，极大值点为f先变大后变小的节点；

S4.3，沿α增加的方向，将第一个极大值点作为平台区间的第二起点，最后一个极大值点作为平台区间的第二终点。参见图6给出的一种具体函数图像，在其函数图像中，在平台区间总共有两个极大值点，两个极大值点分别为平台区间的第二起点和第二终点。

优选地，S4.3中：获取曲线从起点到第一个极大值之间的函数，对该函数进行一阶求导，当导数等于预设正阈值时，则该导数对应的面积比为平台区间的第二起点；同样地，获取曲线终点到最后一个极大值之间的函数，对该函数求一阶导，当导数等于预设负阈值时，则该导数对应的面积比为平台区间的第二终点。应用此方法确定平台区间可以避免因为极大值点分布不均导致平台区间范围过小，影响确定平台区间范围的准确性。

另外一些实施例中，步骤S4.3可以替换为：获取曲线的所有极小值，从所述极小值中获取最小值对应的附着力数值（即纵坐标），以该数值为起点做一条平行于横坐标的水平线，该水平线与曲线相交的两个点对应的面积比为平台区间的第二起点和第二终点。

另外一些实施例中，步骤S4.3可以替换为：获取曲线的所有极小值，以第一个（从左到右）极小值对应的附着力数值做一条平行于横坐标轴的水平线，该水线与曲线相交的第一个点为平台区间的第二起点，类似地，以最后一个（从左到右）极小值对应的附着力数值做一条平行于横坐标轴的水平线，此水平线与曲线相交的最后一个点为平台区间的第二终点。

上述步骤S4.3的两种替换实施方式中，应用极小值代替极大值可以扩大平台区间的范围，避免因为极大值过于集中到某一区域导致得到的平台区间过小，影响后续操作。

实施例3

本实施例与实施例1中的技术方案基本相同，区别在于，本实施例将直角坐标系中的坐标点拟合成曲线并采用二阶求导法来获得平台区间的起点和终点。具体的，包括以下步骤：

S4.1，将各坐标点拟合成曲线状的函数图像；

S4.2，沿α增加的方向，对各曲线对应的函数进行二阶求导；获取曲线各个区间的二阶导数，找到凹凸性发生变化的节点，即二阶导数由正变为负以及由负变变正的节点。

S4.3，第一个二阶导数由正变负的节点作为平台区间的第三起点，最后一个二阶导数由负变正的节点作为平台区间的第三终点。采用二阶导数法相对于一阶导数法，可以扩大平台区间的范围。避免因为某些基材的材质特性，导致在激光处理时，若通过一次导数法获得α的最优取值区间过窄或者不准确的问题。

实施例4

本实施例基于实施例1、2和3中获取的第一起点、第一终点、第二起点、第二终点、第三起点和第三终点。

分别获得第一起点和第一终点之间、第二起点和第二终点之间、第三起点和第三终点之间α的中位数；取三个中位数中的最小值和最大值之间的范围作为α的最佳参数范围。

例如，一阶导数法得到的中位数为120.3%，极值法得到的中位数为115.2%，二阶导数法得到的中位数为118.5%，则α的最佳取值区间为115.2%~120.3%。

需要指出的是，本申请不同实施例中的第一起点、第一终点、第二起点、第二终点、第三起点和第三终点仅用于区分通过不同取值方法获得的平台区间的起点和终点，不代表各起点、各终点之间存在数值大小关系。

当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取待进行表面处理的基材的样本，将所述样本划分为多个子样本；

S2，以同一激光功率，对各所述子样本分别采用不同的面积比α进行表面处理；其中，α=(n×π×r²)/b；b是激光处理区域的面积，n是激光处理区域中激光光斑的数量，r是激光光斑的半径；

S3，对各所述子样本进行涂层附着力测试，获得对应的附着力f；

S4，根据S2中数值α与S3中数值f的映射关系建立f=F(α)的函数关系，获得函数f中以最小α值为起点的单调上升区间和以最大α值为终点的单调下降区间，在所述单调上升区间与单调下降区间之间确定平台区间，函数f在平台区间内不具有单调性；平台区间所对应的面积比α的取值区间作为最优取值区间；所述最优取值区间对应的涂层附着力区间为目标附着力区间。

2.根据权利要求1所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于，n=b/(V/P×S)，V是激光扫描速度，P是激光脉冲频率，S是激光扫描路径的间距。

3.根据权利要求1所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于，获取平台区间中α的中位数，作为最优面积比。

4.根据权利要求1所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于，S4中，以α为横坐标，f为纵坐标建立直角坐标系，依次获取各所述子样本的α值和f值，依次将各子样本的取值置于所述直角坐标系内，连接各坐标点形成函数图像，根据所述函数图像确定所述单调上升区间、所述平台区间和所述单调下降区间。

5.根据权利要求4所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于，相邻坐标点以线段的方式进行连接，沿α增加的方向，依次对各线段对应的函数进行一阶求导；第一个导数为负的线段的前一个线段的起点作为平台区间的第一起点。

6.根据权利要求5所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于，当连续两个线段所对应函数的导数为负，则以所述两个线段的连接点作为平台区间的第一终点。

7.根据权利要求4所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于，将各坐标点拟合成曲线状的函数图像，获得函数图像的所有极大值点；沿α增加的方向，第一个极大值点作为平台区间的第二起点，最后一个极大值点作为平台区间的第二终点。

8.根据权利要求4所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于，将各坐标点拟合成曲线状的函数图像，沿α增加的方向，对各曲线对应的函数进行二阶求导，第一个二阶导数由正变负的节点作为平台区间的第三起点，最后一个二阶导数由负变正的节点作为平台区间的第三终点。

9.根据权利要求6所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法，其特征在于：

将各坐标点拟合成曲线状的函数图像，获得函数图像中的所有的极大值点；沿α增加的方向：第一个极大值点作为平台区间的第二起点，最后一个极大值点作为平台区间的第二终点；对各曲线对应的函数进行二阶求导，第一个二阶导数由正变负的节点作为平台区间的第三起点，最后一个二阶导数由负变正的节点作为平台区间的第三终点；

分别获得第一起点和第一终点之间、第二起点和第二终点之间、第三起点和第三终点之间α的中位数；取三个中位数中的最小值和最大值之间的区间作为α的最佳取值区间。

10.一种基材表面绝缘涂层加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01，准备基材；

S02，利用权利要求2所述的激光表面处理提高涂层附着力的优化方法获得面积比α的最优取值区间；

S03，根据面积比α的最优取值区间确定S、V、P的数值，根据S、V、P的数值对基材进行表面处理；

S04，在基材表面进行绝缘涂层的涂覆。