CN1857843A

CN1857843A - 一种激光表面微造型方法

Info

Publication number: CN1857843A
Application number: CN 200610039758
Authority: CN
Inventors: 符永宏; 陈志焕
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2006-11-08

Abstract

本发明是一种用于工件表面微造型的激光微加工方法，主要是利用半导体泵浦YAG激光器，通过声光调Q产生脉冲激光，并结合“单脉冲同点间隔多次”的激光加工新工艺，在工件表面加工出可控制深度的微凹腔和微凹槽。该方法可适用于大多数金属材料和非金属材料，特别是对金属材料的微造型，可以更为明显地提高其加工质量。本发明的主要优点是最大程度地减小激光加工带来的负面热效应，显著提高激光表面微造型的质量。

Description

一种激光表面微造型方法

技术领域

本发明涉及激光微加工领域特别是激光表面微造型领域，特指一种采用了“单脉冲同点间隔多次”加工新工艺的激光表面造型方法，能够在工件表面高效地、高质量地加工出微凹腔和微凹槽。

背景技术

在摩擦副表面加工出适当的表面微观形貌，可以显著改善摩擦副的润滑性能，提高摩擦副的使用寿命。为了达到这些要求，就必须保证形貌的表面加工质量；同时，为了能在工业生产领域推广应用，还必须尽可能的提高加工效率、降低成本。

激光表面微造型技术是一种易控制、高效率的现代化加工方法。但是，现有的技术受到若干个缺点的限制，用于工业生产实际显得不成熟，特别是对于金属材料的表面微造型，其加工质量更是难以控制。例如：①传统的CO₂激光器和YAG激光器，其输出波长处于红外波段，聚焦光斑较大。因此加工尺寸也相应较大。而且其激光与材料之间的相互作用是热过程，会导致材料的碳化和表面加工质量变差②铜蒸发激光器能输出波长为蓝光511nm和黄光578nm，输出功率可达几百瓦，且光束质量好，可以聚焦成很小的光斑(几至几十微米)。可对陶瓷、金刚石、硅、高分子聚合物以及各种金属材料，进行微细加工。可是，铜蒸发激光器外形尺寸庞大，价格昂贵，可靠性差，维护保养工作量大，不适合用于大量的工业生产。(③准分子激光器自其问世以来，一直长盛不衰。其应用范围不断扩大，与之相关的新技术、新装置、新工艺层出不穷，显示出其旺盛的生命力。中国专利CN200310111573.3公开了一种准分子激光电化学加工微结构的方法，可以在半导体、金属等基片上加工微米量级的微结构。但这种方法存在着运转费用高、稳定性不够、难以加工陶瓷材料等缺点。④自上世纪80年代末发明飞秒激光以来，飞秒激光以其超短和超强的特点，拥有独特的材料加工特性，可以在极短的时间内(材料开始熔化之前)进行材料的去除加工，从而保证加工质量。中国专利CN03116837.x公开了一种利用飞秒激光在金属薄膜上加工周期性微结构的方法。但是飞秒激光器体积庞大，结构复杂，价格昂贵。其稳定性和可靠性在目前情况下还较差。对此系统的操作和维护需要专门的专业知识和技能，而且目前多数掺钛蓝宝石激光器的平均输出功率也较低。因此，飞秒激光器在现阶段还远不能适应工业实际应用，仍然只能作为实验室科学研究的工具。(⑤以色列教授Etsion在State of the Art in Laser Surface Texturing，Transactions of the ASME，127(1)，248-252(2005)一文中总结介绍了一种激光表面微造型技术(LST)。但是这种技术在加工过程中，特别是在金属材料的加工过程中，受局部熔化等因素的影响，表面粗糙度不易保证，熔渣较多。⑥由于一个激光脉冲所能去除材料的量有限，这样为了达到表面形貌的预定深度，用脉冲激光进行加工时，需要在同一个点处打多个脉冲。传统的打脉冲方式是“单脉冲连续多次”，即用脉冲激光在同一个点处连续重复打多次，这种方式由于是连续打，时间较长，热影响的负面效应比较严重，加工面的质量较差。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足而提出的一种激光表面微造型方法。主要是克服现有激光表面微造型技术中存在的问题，如：准分子激光器加工材料范围狭窄，或飞秒激光器成本高、效率低、离实际加工较远，或一般工业用激光器表面加工质量差、熔渣多，最终使得这种微造型方法在兼顾加工效率、加工成本的同时保证微造型的表面质量。

本发明为实现上述目的，技术方案是：利用半导体泵浦YAG激光器，通过声光调Q产生脉冲激光，结合单脉冲同点间隔多次的激光微加工工艺，即通过在同一个点处，间隔反复地打多个激光脉冲，在工件表面加工出微凹腔和微凹槽。

其采用声光调Q技术的半导体泵浦YAG激光器，它具有泵浦效率较高、光束质量好、重复频率高、系统紧凑等优点，为精确去除材料，形成高质量表面造型奠定了基础。同时调整脉冲激光作用时间和形貌空间之间的关系，即采用“单脉冲同点间隔多次”的新工艺。所谓“单脉冲同点间隔多次”，是区别于传统的“单脉冲连续多次”而言的，就是工件上同一个点处所打的多个激光脉冲，通过间隔反复打出，形成微凹腔和微凹槽。在工件7上面打一圈n’个微凹腔，每个微凹腔需要打m个脉冲，其中1’点是起始点，则这种新工艺方法叙述如下：脉冲激光在起始点1’处打一个脉冲后，接着打下一个点2’，依次顺序打完第一圈n’个微凹腔；然后工件转动第二圈回到1’时，对1’点打第二次个脉冲，接着对2’点打第二个脉冲，依次类推，直到转完m圈，对每个凹腔打完m个脉冲。这种加工方式可以最大程度地减小热负面效应，显著提高加工质量。

此外，这种工艺方法采用先进控制原理，实现激光器脉冲发出时间和工件旋转时间耦合，即在两个或多个脉冲的空隙时间内正好走过工件上两个加工点之间的旋转距离，完成在工件表面规定位置上的激光单脉冲输出，这样可以充分保证加工时的效率。

所加工微凹腔的直径r_p和深度h_p可控，r_p在20um～60um之间，h_p在1um～20um之间；所加工微凹槽宽度b_g和深度h_g可控，b_g在40um～120um之间，h_g在1um～20um之间。

且本发明采用凹腔“重叠成窄凹槽”，再由窄凹槽“重叠成宽凹槽”的方法来加工各种宏观形貌的宽凹槽。

本发明的效果主要是：通过调整工件上同一个点处多个脉冲作用时间上的间隔，使加工时由激光带来的热负面效应降到最低，最大程度地保证形貌的表面加工质量。

附图说明

附图1为“单脉冲同点间隔多次”加工工艺示意图

附图2为微凹腔9横断面示意图

附图3为微凹槽8横断面示意图

附图4为缸套微造型示意图

附图5为缸套6a展开图

附图6为密封环微造型示意图

附图7为宽螺旋槽加工原理图

附图8为宽螺旋槽10局部放大图

附图的图面字母、数字说明如下：

r_p-微凹腔半径 h_p-微凹腔深度 b_g-微凹槽宽度 h_g-微凹槽深度

1-激光发生器 2-外光路系统 3-45度反射镜 4-激光

5-聚焦镜 6a-缸套工件 6b-密封环工件 7-工作台

8-微凹槽 9-微凹腔 10-宽螺旋槽

1’，2’，3’……n-1’，n’-凹腔个数编号

具体实施方式

本发明可用于大多数金属材料和非金属材料工件的表面微造型，对加件的形状等也没有特殊要求，比如可用来加工缸套/活塞环摩擦副系统中，缸套表面微凹腔和微凹槽；还可以用来加工机械密封环端面的微观润滑腔和宏观泵送槽，等等。

实施例1

在缸套/活塞环系统中的缸套表面加工微凹腔，或交叉微凹槽或两者的组合。根据图4、5所示的加工示意图，利用激光表面微造型加工系统分别在区域I、III处加工微凹腔，在区域II处加工微凹槽。在区域I、III加工微凹腔，可以通过控制每一个微凹腔处所打激光脉冲个数来控制深度h_p，由于采用了“单脉冲同点间隔多次”的新工艺，h_p可以根据每个激光脉冲所形成的材料去除量线性叠加，h_p一般可以从1um～20um；通过控制激光波长长短，或聚焦镜焦距和聚焦点位置来控制微凹腔半径r_p，r_p一般可以由20um～60um；而凹腔之间的间距可以由软件预先设定来实现。具体加工过程是这样的：先调整到加工起始位置，同时根据要求，由控制软件设置好加工参数，然后开始加工。比如在加工高度H处每一个微凹腔需要打5个脉冲才能达到深度要求，则保持z轴不移动，在这个H高度位置需要转5圈，然后再沿z轴向加工方向移动，至下一个加工位置的加工。图2显示了加工的微凹腔9的横断面示意图。

在区域II加工交叉微凹槽，微凹槽是通过一系列微凹腔的“重叠成槽”来实现的，其深度h_g通过微凹腔的重叠程度来控制，其重叠程度由重叠系数n％来表示，n％从75％～95％，其深度一般可以从1um～20um；同样也可通过控制激光波长，或聚焦镜焦距和聚焦点位置来控制微凹槽宽度b_g，b_g一般可由40um～120um；而微凹槽交叉角度、圆周方向槽距可由软件预先设定来实现。具体过程是这样的：先调整到加工起始位置，同时根据要求，设置好加工参数，然后开始加工。与上面加工微凹腔所不同的是，在加工微凹槽时，z轴不会停在某个高度，而是匀速运动，通过匹配z轴移动速度和缸套转速来控制z方向每个重叠微凹腔之间距离，从而控制微凹槽深度。当加工完一个方向后，z轴反方向返回可形成微凹槽。图3显示了加工的微凹槽8的横断面示意图。

实施例2

在零泄漏非接触式新型机械密封上加工微凹腔和微凹槽，其基本原理同实施例一中缸套的加工，只是由于密封环端面是平面，所以激光加工喷嘴由弯头变成直头，其加工原理图如图6。但是，当加工深度为微米量级(1um～20um)，而宽度为毫米量级(1mm以上)的宏观浅槽时，可以通过凹腔“重叠成窄凹槽”，再由窄凹槽“重叠成宽凹槽”的方法来实现，如图7。这种宏观浅槽的外形，如圆弧槽、螺旋槽等，可以由控制软件实现。

上述两个实施例只为说明本发明，其适用对象、材料及造型形貌都不受限制，可以是发明内容中所提到的一切情形。

Claims

1、一种激光表面微造型的方法，其特征主要在于利用半导体泵浦YAG激光器，通过声光调Q产生脉冲激光，结合单脉冲同点间隔多次的激光微加工工艺，即通过在同一个点处，间隔反复地打多个激光脉冲，在工件表面加工出微凹腔和微凹槽。

2、根据权利要求1所述的一种激光表面微造型方法，其特征主要在于：激光器脉冲发出时间和工件旋转时间耦合，即在两个或多个脉冲的空隙时间内正好走过工件上两个加工点之间的旋转距离，从而实现在工件表面规定位置上的激光单脉冲输出。

3、根据权利要求1所述的一种激光表面微造型的方法，其特征主要在于：所加工微凹腔的直径r_P和深度h_P可控，r_P在20um～60um之间，h_p在1um～20um之间；所加工微凹槽宽度b_g和深度h_g可控，b_g在40um～120um之间，h_g在1um～20um之间。

4、根据权利要求1所述的一种激光表面微造型的方法，其特征主要在于：通过凹腔“重叠成窄凹槽”，再由窄凹槽“重叠成宽凹槽”的方法来加工各种宏观形貌的宽凹槽。