CN116984743A - 一种激光表面改性加工系统及改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光表面改性加工系统及改性方法。采用新颖的气溶胶环境下进行激光表面改性，使得可以在不同气溶胶环境下对各种金属材料表面进行激光改性，在激光和气溶胶双重作用下，材料表面产生熔化，熔化后的材料与气溶胶中的纳米材料结合后再迅速冷却，实现了材料的表面改性；且整个过程中，气溶胶的浓度可调，激光的能量可调，这就使得改性的浓度和深度都可以精确的控制。设置了与表面改性配合使用的气溶胶产生模块，可以实时产生气溶胶，且产生方法绿色环保，无污染，仅使用一台激光器就可以实现整个改性流程。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种激光表面改性加工系统及改性方法。
背景技术
表面改性技术(surface modified technique)则是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)；表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。
申请号CN201710257334.0公开一种奥氏体不锈钢耐蚀强化件表面处理方法，包括如下步骤：1)预处理；2)预渗碳处理；3)二次预处理；4)渗碳处理；5)激光动态测焦；6)激光抛光。该奥氏体不锈钢耐蚀强化件表面处理方法在低压、中温条件下进行非常规气体渗碳，且在气体渗碳之前进行两次预处理，有利于渗碳的进行，提高奥氏体不锈钢的硬度。
目前提高材料耐磨性能一般先进行渗碳，然后进行加热退火或者激光处理，加工时间长，渗碳的深度也不好控制。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，提供一种激光表面改性加工系统，包括激光器、机械臂、振镜模块、气溶胶生产模块、气氛腔和加工工位；
加工工位设置在气氛腔内，气氛腔密封设置；气氛腔连接气溶胶产生模块，气溶胶产生模块产生的气溶胶通过管道进入气氛腔，提供辐照的气溶胶环境；
激光器发射脉冲激光进入分束盒，分束盒将激光分成两束，分别为第一路激光和第二路激光；第一路激光进入气溶胶产生模块，用于轰击气溶胶产生模块内的靶材，溅射产生气溶胶；第二路激光进入安装在机械臂上的振镜模块，振镜模块用于向气氛腔内的待加工材料提供激光辐照；待加工材料表面在气溶胶气氛下进行辐照，实现待加工材料的表面改性。
激光器为半导体脉冲Nd：YAG激光器，重复频率100Hz至1000Hz，功率200W至1000W；通过分束盒分成的两路激光的能量比例可以调节。
激光器、振镜模块、气溶胶产生模块和分束盒都通过光纤连接；
振镜模块包括激光振镜和调焦镜筒，调焦镜筒安装在激光振镜上，用于为激光振镜输出的激光进行调焦，从而调节到达待加工材料表面的激光的光斑直径。
气溶胶产生模块内设置有旋转靶座和激光发射头，激光发射头将从分束盒引入的第一路激光聚焦照射到旋转靶座上安装的靶材表面，从而对靶材表面进行激光烧蚀，产生粒径50nm至1000nm的纳米颗粒，纳米颗粒漂浮在空中形成纳米气溶胶；
气溶胶产生模块还设置有进气口，进气口连接惰性气体钢瓶；
气溶胶产生模块和气氛腔连接的管道入口靠近靶材表面，使得产生的气溶胶进入气氛腔。
靶材为金属靶材或者碳、氧化铝、氧化锌靶材。
气氛腔呈长方体型，内部设置加工工位，气氛腔的上表面高出加工工位50mm至100mm；气氛腔的上表面由透明的石英窗口材料制成，且可拆卸的与气氛腔密封连接，从而使得激光可以穿过气氛腔的上表面但气溶胶不会从气氛腔上表面溢出。
气氛腔一端通过管道连接气溶胶产生模块，另一端连接气溶胶回收模块，气溶胶回收模块内设置有过滤网，可以收集气溶胶内的纳米颗粒，气溶胶回收模块内设置有调速气泵，可以调节从气溶胶产生模块产生至气溶胶回收模块整个流路内的流速，由于气溶胶产生模块产生的速度是恒定的，因此调节流速就可以调节气氛腔内的气溶胶的浓度。
一种利用所述的激光表面改性加工系统进行材料表面改性的方法，包括如下步骤：
步骤一、在气溶胶产生模块内安装靶材，并使得靶材旋转；在气氛腔内的加工工位上放置待加工的材料，之后盖好气氛腔的上表面，并密封好；
步骤二、开启激光器，重复频率300Hz，功率500W；调节分束盒的比例，使得第一路激光和第二路激光的能量相等；使得第一路激光进入气溶胶产生模块产生碳气溶胶；此处也可以根据需要调节能量比例为其他比例，例如当靶材烧蚀所需能量较大，而辐照所需能量较低时，可以调节第一路激光的能量大于第二路激光；
步骤三、等待一段时间后启动气溶胶回收模块的气泵，使得气溶胶进入气氛腔，观察气氛腔内的气溶胶平稳后，调节调焦镜筒调节待加工材料表面的光斑直径为5-10mm；
步骤四、控制机械臂按照辐照路径进行运动，机械臂带动振镜模块使得激光在待加工材料表面全覆盖的扫描辐照，由于气溶胶的存在，材料表面在激光作用下产生表面熔化，熔化后的材料与气溶胶中的纳米材料结合后再迅速冷却，实现了材料的表面改性。
靶材为金属靶材或者碳、氧化铝、氧化锌靶，待加工材料为钢或铝。
本发明有益效果为：
本发明采用新颖的气溶胶环境下进行激光表面改性，使得可以在不同气溶胶环境下对各种金属材料表面进行激光改性，在激光和气溶胶双重作用下，材料表面产生熔化，熔化后的材料与气溶胶中的纳米材料结合后再迅速冷却，实现了材料的表面改性；且整个过程中，气溶胶的浓度可调，激光的能量可调，这就使得改性的浓度和深度都可以精确的控制。
设置了与表面改性配合使用的气溶胶产生模块，可以实时产生气溶胶，且产生方法绿色环保，无污染，仅使用一台激光器就可以实现整个改性流程。
附图说明
被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明气溶胶产生模块的结构示意图；
图3为进行表面改性后的钢才表面的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。
实施例1：
如图1和图2所示，一种激光表面改性加工系统，包括激光器01、机械臂02、振镜模块03、气溶胶生产模块04、气氛腔05和加工工位06。
加工工位06设置在气氛腔05内，气氛腔05密封设置；气氛腔05连接气溶胶产生模块，气溶胶产生模块产生的气溶胶通过管道进入气氛腔05，提供辐照的气溶胶环境；
激光器01为优选半导体脉冲Nd：YAG激光器，重复频率100Hz至1000Hz，功率200W至1000W；通过分束盒07分成的两路激光的能量比例可以调节。激光器01、振镜模块03、气溶胶产生模块和分束盒07都通过光纤连接。激光器01发射脉冲激光进入分束盒07，分束盒07将激光分成两束，分别为第一路激光和第二路激光；第一路激光进入气溶胶产生模块，用于轰击气溶胶产生模块内的靶材，溅射产生气溶胶；第二路激光进入安装在机械臂02上的振镜模块03，振镜模块03用于向气氛腔05内的待加工材料提供激光辐照；振镜模块03包括激光振镜08和调焦镜筒09，调焦镜筒09安装在激光振镜08上，用于为激光振镜08输出的激光进行调焦，从而调节到达待加工材料表面的激光的光斑直径。待加工材料表面在气溶胶气氛下进行辐照，实现待加工材料的表面改性。
气溶胶产生模块内设置有旋转靶座10和激光发射头11，激光发射头11将从分束盒07引入的第一路激光聚焦照射到旋转靶座10上安装的靶材表面，从而对靶材表面进行激光烧蚀，靶材优选为金属靶材或者碳、氧化铝、氧化锌靶材，产生粒径50nm至1000nm的纳米颗粒，纳米颗粒漂浮在空中形成纳米气溶胶；气溶胶产生模块还设置有进气口，进气口连接惰性气体钢瓶(未示出)；气溶胶产生模块和气氛腔05连接的管道入口靠近靶材表面，使得产生的气溶胶进入气氛腔05。
气氛腔05呈长方体型，内部设置加工工位06，气氛腔05的上表面高出加工工位0650mm至100mm；气氛腔05的上表面由透明的石英窗口材料制成，且可拆卸的与气氛腔05密封连接，从而使得激光可以穿过气氛腔05的上表面但气溶胶不会从气氛腔05上表面溢出。气氛腔05一端通过管道连接气溶胶产生模块，另一端连接气溶胶回收模块12，气溶胶回收模块12内设置有过滤网，可以收集气溶胶内的纳米颗粒，气溶胶回收模块12内设置有调速气泵13，可以调节从气溶胶产生模块产生至气溶胶回收模块12整个流路内的流速，由于气溶胶产生模块产生的速度是恒定的，因此调节流速就可以调节气氛腔05内的气溶胶的浓度。
实施例2：
一种利用所述的激光表面改性加工系统进行材料表面改性的方法，包括如下步骤：
步骤一、在气溶胶产生模块内安装靶材，并使得靶材旋转；在气氛腔05内的加工工位06上放置待加工的材料，之后盖好气氛腔05的上表面，并密封好；
步骤二、开启激光器01，重复频率300Hz，功率500W；调节分束盒07的比例，使得第一路激光和第二路激光的能量相等；使得第一路激光进入气溶胶产生模块产生碳气溶胶；
步骤三、等待一段时间后启动气溶胶回收模块12的气泵，使得气溶胶进入气氛腔05，观察气氛腔05内的气溶胶平稳后，调节调焦镜筒09调节待加工材料表面的光斑直径为5-10mm；
步骤四、控制机械臂02按照辐照路径进行运动，机械臂02带动振镜模块03使得激光在待加工材料表面全覆盖的扫描辐照，由于气溶胶的存在，材料表面在激光作用下产生表面熔化，熔化后的材料与气溶胶中的纳米材料结合后再迅速冷却，实现了材料的表面改性。
靶材为金属靶材或者碳、氧化铝、氧化锌靶，待加工材料为钢或铝。
按照实施例2的方法，进行轴承表面的表面改性，选择靶材为碳靶，将轴承放置在工位上之后，由机械臂带动振镜可以实现对轴承非平面表面的激光辐照，机械臂为5自由度机械臂，具有三个直线自由度和两个旋转自由度，改性后的轴承表面如图3所示，含碳量提高，耐磨性提高。
实施例3：
还设置有控制器模块，控制器模块连接激光器01、机械臂02、振镜模块03、气溶胶生产模块04和气溶胶回收模块，从而控制整个改性过程。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种激光表面改性加工系统，包括激光器(01)、机械臂(02)、振镜模块(03)、气溶胶生产模块(04)、气氛腔(05)和加工工位(06)；其特征在于：
加工工位(06)设置在气氛腔(05)内，气氛腔(05)密封设置；气氛腔(05)连接气溶胶产生模块，气溶胶产生模块产生的气溶胶通过管道进入气氛腔(05)，提供辐照的气溶胶环境；
激光器(01)发射脉冲激光进入分束盒(07)，分束盒(07)将激光分成两束，分别为第一路激光和第二路激光；第一路激光进入气溶胶产生模块，用于轰击气溶胶产生模块内的靶材，溅射产生气溶胶；第二路激光进入安装在机械臂(02)上的振镜模块(03)，振镜模块(03)用于向气氛腔(05)内的待加工材料提供激光辐照；待加工材料表面在气溶胶气氛下进行辐照，实现待加工材料的表面改性。
2.根据权利要求1所述的激光表面改性加工系统，其特征在于：
激光器(01)为半导体脉冲Nd：YAG激光器，重复频率100Hz至1000Hz，功率200W至1000W；通过分束盒(07)分成的两路激光的能量比例可以通过分束盒(07)调节。
3.根据权利要求1所述的激光表面改性加工系统，其特征在于：
激光器(01)、振镜模块(03)、气溶胶产生模块和分束盒(07)都通过光纤连接；振镜模块(03)包括激光振镜(08)和调焦镜筒(09)，调焦镜筒(09)安装在激光振镜(08)上，用于为激光振镜(08)输出的激光进行调焦，从而调节到达待加工材料表面的激光的光斑直径。
4.根据权利要求1所述的激光表面改性加工系统，其特征在于：
气溶胶产生模块内设置有旋转靶座(10)和激光发射头(11)，激光发射头(11)将从分束盒(07)引出的第一路激光聚焦照射到旋转靶座(10)上安装的靶材表面，从而能够使激光对靶材表面进行激光烧蚀，产生粒径50nm至1000nm的纳米颗粒，纳米颗粒漂浮在气溶胶生产模块(04)中形成纳米气溶胶；
气溶胶产生模块还设置有进气口，进气口连接惰性气体钢瓶；
气溶胶产生模块和气氛腔(05)连接的管道入口靠近靶材表面，使得产生的气溶胶能够进入气氛腔(05)。
5.根据权利要求4所述的激光表面改性加工系统，其特征在于：靶材为金属靶材或者碳、氧化铝、氧化锌靶材。
6.根据权利要求1所述的激光表面改性加工系统，其特征在于：
气氛腔(05)呈长方体型，内部设置加工工位(06)，气氛腔(05)的上表面高出加工工位(06)50mm至100mm；气氛腔(05)的上表面由透明的石英材料制成且可拆卸的与气氛腔(05)密封连接，从而使得激光能够穿过气氛腔(05)的上表面但气溶胶不会从气氛腔(05)上表面溢出；
气氛腔(05)的一端通过管道连接气溶胶产生模块，气氛腔(05)的另一端连接气溶胶回收模块(12)，气溶胶回收模块(12)内设置有过滤网，过滤网收集气溶胶内的纳米颗粒，气溶胶回收模块(12)内设置有调速气泵(13)，可以调节从气溶胶产生模块到气溶胶回收模块(12)整个流路内的气体流速，由于气溶胶产生模块产生气溶胶的速度是恒定的，因此调节气体流速就能够调节气氛腔(05)内的气溶胶的浓度。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述的激光表面改性加工系统进行材料表面改性的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、在气溶胶产生模块内安装靶材，并使得靶材旋转；在气氛腔(05)内的加工工位(06)上放置待加工的材料，之后盖好气氛腔(05)的上表面，并密封好；
步骤二、开启激光器(01)，激光重复频率300Hz，激光功率500W；使用分束盒(07)调节两路激光的能量的比例，使得第一路激光和第二路激光的能量相等；使得第一路激光进入气溶胶产生模块产生气溶胶；
步骤三、等待一段时间后启动气溶胶回收模块(12)的气泵，使得气溶胶进入气氛腔(05)，气氛腔(05)内的气溶胶平稳后，使用调焦镜筒(09)调节待加工材料表面的光斑直径为5-10mm；
步骤四、控制机械臂(02)按照辐照路径进行运动，机械臂(02)带动振镜模块(03)使得激光在待加工材料表面进行全覆盖的扫描辐照，由于气溶胶的存在，材料表面在激光作用下产生表面熔化，熔化后的材料与气溶胶中的纳米材料结合之后再迅速冷却，实现了材料的表面改性。
8.根据权利要求7所述的材料表面改性的方法，其特征在于：
靶材为金属靶材或者碳、氧化铝、氧化锌靶材，待加工材料为钢或铝。
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