CN117001139A - 金属基材表面激光处理方法及涂覆方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种金属基材表面激光处理方法及涂覆方法，用于实现金属基材表面涂覆绝缘涂层前的处理，表面激光处理方法包括以下步骤：S1，获取待处理的金属基材；S2，采用第一激光功率a和第一激光扫描路径间距b对金属基材表面进行第一次激光处理；S3，采用第二激光功率c和第二激光扫描路径间距d对金属基材表面进行第二次激光处理；所述第一激光功率a>第二激光功率c,第二激光扫描路径间距d>第一激光扫描路径间距b。

Description

金属基材表面激光处理方法及涂覆方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体地涉及一种金属基材表面激光处理方法及涂覆方法。

背景技术

对于各类电机、电器设备等的金属零部件（例如电机机壳、盖板、电池壳体）都会存在对其进行全部或局部的绝缘处理的需求，而其中绝缘喷涂工艺应用范围广而备受青睐。金属零部件表面的绝缘涂层厚度需要尽可能的薄，以减少物料使用，其通常仅为30μm-100μm。该绝缘涂层还需要保证足够的电气强度和涂层附着力，交流击穿电压需要达到5kV以上。

然而这些铸造或车削加工而成的金属零部件表面都存在一定的毛刺和凹坑等缺陷，采用现有的激光处理方案一般采用单一的激光功率、光斑直径和激光扫描路径间距进行处理；或者采用大功率、大间距和大光斑进行第一次处理，然后采用小功率、小间距和小光斑的激光进行第二次激光处理。上述现有处理方案很难在去除毛刺和凹坑的同时保证金属材料表面的平整度。而平整度不达到要求或者处理后的金属表面存在凹坑、毛刺，会使得绝缘涂层不能满足厚度、电气绝缘强度和附着力的要求。

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，提供一种金属基材表面激光处理方法及涂覆方法。

本发明的一个或多个实施例提供一种金属基材表面激光处理方法，用于实现金属基材表面涂覆绝缘涂层前的处理，包括以下步骤：

S1，获取待处理金属基材；

S2，采用第一激光功率a和第一激光扫描路径间距b对金属基材表面进行第一次激光处理；

S3，采用第二激光功率c和第二激光扫描路径间距d对金属基材表面进行第二次激光处理；

其中，第一激光功率a>第二激光功率c,第二激光扫描路径间距d>第一激光扫描路径间距b。

在至少一个实施方式中，第一激光功率a的范围为25W-35W；第一激光扫描路径间距b的范围为10μm-40μm；第二激光功率c的范围为8W-12W；第二激光扫描路径间距d的范围为50μm-70μm。

在至少一个实施方式中，S3中激光光斑直径大于或等于S2中激光光斑直径。

在至少一个实施方式中，S2中激光扫描速度小于S3中激光扫描速度。

在至少一个实施方式中，S2和S3中激光扫描路径的方向相互垂直。

在至少一个实施方式中，S2中激光光斑的直径大于第一激光扫描路径间距b，所述S3中激光光斑的直径不大于第二激光扫描路径间距d。

在至少一个实施方式中，在S3之后还包括以下步骤：

S4、获取S3处理后的金属基材表面轮廓；

S5、根据金属基材表面轮廓的尺寸判断是否需要继续对金属基材进行表面处理。

在至少一个实施方式中，S5包括如下步骤：

将表面轮廓中所有毛刺高度与预设毛刺阈值进行比较，将表面轮廓中所有凹坑深度与预设凹坑阈值进行比较，若所有毛刺高度均小于预设毛刺阈值且所有凹坑深度均小于预设凹坑阈值，则停止处理；否则依次重复S2、S3直至所有毛刺高度均小于预设毛刺阈值且所有凹坑深度均小于预设凹坑阈值。

在至少一个实施方式中，S2和S3中激光扫描路径的方向相同。

本发明的一个或多个实施例还提供一种金属基材表面绝缘涂层涂覆方法，包括以下步骤：

S01，准备待涂覆的金属基材，

S02，获取金属基材所需的表面轮廓尺寸；

S03，利用金属基材表面激光处理方法对电器零部件表面进行激光处理；

S04，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：

本方案中第一激光功率大于第二激光功率，第一激光扫描路径间距小于第二激光扫描路径间距；这种设置方式能够首先采用大功率、小间距的激光进行第一次处理，有效的削减毛刺高度以及凹坑的深度，提高金属基材表面的平整度；然后利用小功率、大间距的激光面进行二次处理，可以进一步的修整金属基材的表面，提高其平整度；其能够避免在第二次激光处理过程中产生新的毛刺，避免毛刺的尖端放电效应对于绝缘涂层的性能产生影响。

附图说明

图1是本发明实施例中金属基材表面激光处理方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中金属基材表面绝缘涂层涂覆方法的流程示意图；

图3是本发明实施例中采用不同参数进行第一次激光处理和第二次激光处理所获得的金属表面光学照片。

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。

如图1所示，本发明的一个或多个实施例提供一种金属基材表面激光处理方法，用于实现金属基材表面涂覆绝缘涂层前的处理，包括以下步骤：

S1，获取待处理金属基材；具体的，此处的金属基材为相应电机以及电器设备中的金属零部件，其一般包括铸造或者车削加工的电机机壳、盖板和电池壳体等。对于不同类型的金属零部件，其绝缘涂层所要求的绝缘性能不同，对于金属零部件表面的粗糙度要求也不同。

S2，采用第一激光功率a和第一激光扫描路径间距b对金属基材表面进行第一次激光处理。

S3，采用第二激光功率c和第二激光扫描路径间距d对金属基材表面进行第二次激光处理。

具体的，上述S2和S3中采用激光器向金属基材表面发射激光，激光照射加热金属基材表面，进而使金属基材表面凹坑以及尖刺附近发生材料熔化，达到削减尖刺高度和凹坑深度的目的。

本实施例中激光器在进行第一次激光处理和第二次激光处理过程中主要的激光参数包括激光功率、激光光斑直径以及激光扫描路径的间距。每次激光处理过程中：激光沿直线方向往复行走形成蛇形扫描路径，每行激光扫描路径中激光光斑的圆心处于同一基准线上，相邻行激光扫描路径中基准线的间距即为该激光扫描路径的间距。

本实施例中，在进行表面处理时，激光器参数的大小关系如下：第一激光功率a>第二激光功率c,第二激光扫描路径间距d>第一激光扫描路径间距b。通过上述各激光参数范围的数值大小关系能形成大功率、小间距的第一次激光处理和小功率、大间距的第二次激光处理。

在至少一个实施方式中，第一激光功率的范围为25W-35W；第一激光扫描路径的间距范围为10μm-40μm；第二激光功率的范围为8W-12W；第二激光扫描路径的间距范围为50μm-70μm。当第一激光功率、第一激光扫描路径间距、第二激光功率以及第二激光扫描路径间距处于该范围时，能够在第一次激光处理过程提高毛刺高度以及凹坑深度的削减程度，并能够在第二激光处理过程中实现金属基材表面的进一步修饰，提高其平整度。

在至少一个实施方式中，S2中激光扫描速度小于S3中激光扫描速度。该第一次激光处理时的扫描速度小于第二次激光处理时的扫描速度；在第一次激光处理过程中通过小间距、慢扫速可以增加处理表面各个部位的激光照射时间，从而更好的将金属表面的毛刺和凹坑进行削减或消除。而第二次激光处理采用大间距、快扫速可以避免因激光长时间照射造成金属表面额外的损伤，降低金属表面的性能，也避免了在进行激光处理时产生尖端放电效应。

在至少一个实施方式中，S2和S3中激光扫描路径的方向相互垂直。第一次激光处理和第二次激光处理后，激光在金属基材表面形成“井”字形的轨迹，能够避免金属基材表面激光照射不均匀的情况，从而进一步提升金属材料表面平整度。

在至少一个实施方式中，S3中激光光斑直径和S2中的激光光斑直径相同。采用同一大小的光斑，可以应用一台激光器就能够完成第一次激光处理和第二次激光处理，能够避免更换激光器造成的时间浪费，提高激光器的利用效率。

在至少一个实施方式中，S2中激光光斑的直径大于第一激光扫描路径间距b，所述S3中激光光斑的直径不大于第二激光扫描路径间距d。具体的，S2和S3中的激光光斑直径均为50μm，第一激光功率为30W，第一激光扫描路径间距为30μm，第二激光功率为9W，第二激光扫描路径间距为50μm。采用此激光参数数值，首先能够达到较佳的处理效果。同时，第一次激光处理过程中，相邻两个光斑部分重合，可以完全覆盖基材表面，以达到完整去除表层缺陷的目的。在第二次激光处理过程中，相邻两个光斑不会发生重叠，光斑整形时互不干涉，可有效降低粗糙度，达到表面整形的目的。

在至少一个实施方式中，S3中激光光斑直径大于S2中激光光斑直径。激光表面处理效率与光斑面积成平方关系。比如同样是光斑相切状态，如果以相同的扫速则50μm光斑处理单位面积的时间要比100μm的慢4倍。上述第二次激光处理的光斑直径小于第一次激光处理的光斑直径时，第一次激光处理先用小间距、小光斑可以快速去除表面缺陷，使得尖峰的高度降低，将毛刺的尖头溶解以变成锥台或棱台状凸起；第二次激光处理用大间距、大光斑进行处理，将凸起部分熔融掉，使得材料表面平整度提高。

在至少一个实施方式中，S2和S3中激光扫描路径的方向相同。即第一次激光处理和第二次激光处理都是采用从左到右（或者从上往下）的方式进行走行照射。采用此方式可以最大程度的起到表面轮廓中尖端的“消峰”效果，避免金属材料的尖端放电造成的绝缘性能大幅度降低。

在至少一个实施方式中，在S3之后还包括以下步骤：

S4、获取S3处理后的金属基材表面轮廓；

S5、根据金属基材表面轮廓的形状判断是否需要继续对金属基材进行表面处理。

具体的，S5包括如下步骤：将表面轮廓中所有毛刺高度与预设毛刺阈值进行比较，将表面轮廓中所有凹坑深度与预设凹坑阈值进行比较，若所有毛刺高度均小于预设毛刺阈值且所有凹坑深度均小于预设凹坑阈值，则停止处理；否则依次重复S2、S3直至所有毛刺高度均小于预设毛刺阈值且所有凹坑深度均小于预设凹坑阈值。

更具体的，本实施例中根据表面轮廓，利用最小二乘法拟合获得基准面，毛刺顶端与基准面间的垂直距离为毛刺高度，凹坑底端与基准面间的垂直距离为凹坑深度。上述的预设毛刺阈值和预设凹坑阈值分别为：满足激光表面处理要求的情况下，轮廓表面毛刺的最大高度和凹坑最大深度。一般情况下，该预设毛刺阈值和预设凹坑阈值的取值均为5μm-10μm。

如图2所示，本发明的一个或多个实施例还提供一种金属基材表面绝缘涂层涂覆方法，包括以下步骤：

S01，准备待涂覆的金属基材；

S02，获取金属基材所需的表面轮廓尺寸；

S03，利用金属基材表面激光处理方法对金属基材的表面进行激光处理；

S04，进行绝缘涂层的涂覆。

采用上述金属基材表面激光处理方法后涂覆的绝缘涂层在减薄绝缘涂层厚度的同时，具有优异的电气绝缘强度和涂层厚度均匀性，同时具有非常高的附着力，从而提升了绝缘涂层的可靠性。其中，绝缘涂层可为液体环氧树脂、液体聚酯树脂涂料、液体聚氨酯涂料、固体环氧树脂粉末涂料、固体聚酯粉末涂料、聚四氟乙烯粉末涂料、电泳绝缘涂料等；绝缘涂层涂覆的方法可为喷涂、电泳沉积、静电粉末喷涂等。

采用多组激光加工参数对金属基材表面进行激光处理，然后在其表面完成相同厚度的绝缘涂层涂覆，然后对绝缘涂层进行绝缘性能测试。

实施例1

本实施例中针对零件表面存在的缺陷，S2中的第一次激光处理采用大功率、小间距的激光进行处理,达到去除或填补表面缺陷的目的。具体的，第一次激光处理参数为：激光功率30W，激光光斑直径50μm，激光脉冲宽度120ns，脉冲频率40kHz，脉冲扫描速度1200mm/s，激光扫描路径间距 10μm。

针对绝缘涂层喷涂工艺对于平整度的需要，S3中第二次激光处理采用小功率、大间距的激光进行进行表面平整化处理，获得粗糙度较低的激光改性表面，避免绝缘涂层应用过程中产生尖端放电问题。具体的，第二次激光处理参数为：功率9W，光斑50μm，脉冲宽度120ns，频率40kHz，扫描速度4000mm/s，激光扫描路径间距50μm。

实施例2

本实施例中激光处理参数与实施例1不同，具体的：

第一次激光处理时的激光参数为：激光功率30W，激光光斑直径50μm，激光脉冲宽度120ns，激光频率40kHz，激光扫描速度1200mm/s，激光扫描路径间距20μm。第二次激光处理时的激光参数为：激光功率9W，激光光斑直径100μm，激光脉冲宽度120ns，激光频率40kHz，激光扫描速度4000mm/s，激光扫描路径间距50μm。

实施例3

本实施例中激光处理参数与实施例1不同，具体的：

第一次激光处理时的激光参数为：激光功率30W，激光光斑直径50μm，激光脉冲宽度120ns，激光频率40kHz，激光扫描速度1200mm/s，激光扫描路径间距30μm。第二次激光处理时的激光参数为：激光功率9W，激光光斑直径100μm，激光脉冲宽度120ns，激光频率40kHz，激光扫描速度4000mm/s，激光扫描路径间距50μm。

实施例4

本实施例中激光处理参数与实施例1不同，具体的：第一次激光处理时的激光参数为：激光功率30W，激光光斑直径50μm，激光脉冲宽度120ns，激光频率40kHz，激光扫描速度1200mm/s，激光扫描路径间距40μm。

第二次激光处理时的激光参数为：激光功率9W，激光光斑直径100μm，激光脉冲宽度120ns，激光频率40kHz，激光扫描速度4000mm/s，激光扫描路径间距50μm。

实施例5

本实施例中激光处理参数与实施例1不同，具体的：

第一次激光处理时的激光参数为：激光功率30W，激光光斑直径50μm，激光脉冲宽度120ns，激光频率40kHz，激光扫描速度1200mm/s，激光扫描路径间距50μm。第二次激光处理时的激光参数为：激光功率9W，激光光斑直径100μm，激光脉冲宽度120ns，激光频率40kHz，激光扫描速度4000mm/s，激光扫描路径间距50μm。

分别对上述各实施例，进行性能测试，测试结果如表1所示，其中对比例是未采用激光处理的试样。表1中H₁为最高毛刺高度，H₂为最低凹坑深度，击穿电压为V。

表 1

从表1可以看出利用激光进行表面处理后，实施例1-5的绝缘涂层性能均优于对比例，实施例5的处理效果不如实施例1-4。结合图3可以看出实施例5中两次激光处理的扫描间距相同，导致材料表面有些区域没有被激光处理。而实施例3对应的激光加工参数能够获得最平整的金属基材表面，对应的绝缘涂层的绝缘性能最好。

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组合和变型，而不脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种金属基材表面激光处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，获取待处理的金属基材；

S2，采用第一激光功率a和第一激光扫描路径间距b对金属基材表面进行第一次激光处理；

S3，采用第二激光功率c和第二激光扫描路径间距d对金属基材表面进行第二次激光处理；

所述第一激光功率a>第二激光功率c,第二激光扫描路径间距d>第一激光扫描路径间距b。

2.根据权利要求1所述的金属基材表面激光处理方法，其特征在于，所述第一激光功率a的取值范围为25-35W；第一激光扫描路径间距b的取值范围为10-40μm；第二激光功率c的取值范围为8-12W；第二激光扫描路径间距d的取值范围为50-70μm。

3.根据权利要求1所述的金属基材表面激光处理方法，其特征在于，所述S3中激光光斑直径大于或等于S2中激光光斑直径。

4.根据权利要求1所述的金属基材表面激光处理方法，其特征在于，所述S2中激光扫描速度小于S3中激光扫描速度。

5.根据权利要求1所述的金属基材表面激光处理方法，其特征在于，所述S2和S3中激光扫描路径的方向相互垂直。

6.根据权利要求1所述的金属基材表面激光处理方法，其特征在于，所述S2中激光光斑的直径大于第一激光扫描路径间距b，所述S3中激光光斑的直径不大于第二激光扫描路径间距d。

7.根据权利要求1所述的金属基材表面激光处理方法，其特征在于，在S3之后还包括以下步骤：

S4、获取S3处理后的金属基材表面轮廓；

S5、根据金属基材表面轮廓的形状判断是否需要继续对金属基材进行表面处理。

8.根据权利要求7所述的金属基材表面激光处理方法，其特征在于，所述S5包括如下步骤：

将表面轮廓中所有毛刺高度与预设毛刺阈值进行比较，将表面轮廓中所有凹坑深度与预设凹坑阈值进行比较，若所有毛刺高度均小于预设毛刺阈值且所有凹坑深度均小于预设凹坑阈值，则停止处理；否则依次重复S2、S3直至所有毛刺高度均小于预设毛刺阈值且所有凹坑深度均小于预设凹坑阈值。

9.根据权利要求1所述的金属基材表面激光处理方法，其特征在于，所述S2和S3中激光扫描路径的方向相同。

10.一种金属基材表面绝缘涂层涂覆方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01，准备待涂覆的金属基材，

S02，获取金属基材所需的表面轮廓尺寸；

S03，利用权利要求1-9中任意一项所述的金属基材表面激光处理方法对金属基材的表面进行激光处理；

S04，进行绝缘涂层的涂覆。