一种基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法技术

本发明专利技术提供了一种基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法，包括如下步骤：设定工件待抛光面的微织构诱导层的几何参数；在工件待抛光面上加工出设定的微织构诱导层；将具有微织构诱导层的工件待抛光面进行超声波清洗；将工件放入密闭的氩气氛围中；根据工件金属材料物理性能及微织构诱导层的结构设定激光加工参数和激光扫描路径；根据激光加工参数和激光扫描路径，对工件待抛光面进行激光抛光处理。该方法在激光抛光加工前先在待抛光面加工出微织构诱导层，可使得熔体流动更加均匀、规律，有利于激光抛光后工件表面质量及物理性能的提高。提高。提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法


[0001]本专利技术涉及激光抛光
，更具体地说，涉及一种基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法。

技术介绍

[0002]激光热抛光是利用激光束将热量输入到金属工件表面，极短时间内在工件近表面区域积累大量的热，温度迅速升高，使得金属材料熔化
‑
凝固，即微观波峰去除、波谷填充，以降低工件表面粗糙度的一种表面处理技术。激光热抛光可分为以下两类：当熔池深度低于峰谷高度时，称为表面浅熔抛光；而当熔池深度高于峰谷高度时，称为表面深熔抛光。
[0003]在激光浅熔抛光过程中，金属粗糙表面的峰部将首先熔化，熔体同时受到沿表面法向的毛细力和沿自由曲面切向的热毛细力的作用流向波谷，使各处的曲率趋于一致，即通过“熔峰填谷”使工件表面平滑，从而降低粗糙度。相对于抛光过程中会产生汽化、等离子体反冲的激光表面深熔抛光，激光浅熔抛光可以获得更低的表面粗糙度。
[0004]在长脉宽脉冲激光作用下，材料表面经受热
‑
熔化
‑
凝固而形成具有不同组织特征的熔凝层及热影响区。其中凝熔层的晶粒可受温度场及熔体流动控制生长方向；而热影响区的晶粒会受到“固溶效应”影响晶粒尺寸。此外，长脉宽脉冲激光连续抛光时的熔池深度可达到100～200μm。
[0005]然而，在激光热抛光过程中，熔池的几何形状及熔体的流动状况很大程度上影响抛光后工件的表面粗糙度。如图1所示，在一般的粗糙表面1中，由于峰谷间距分布不规则、峰谷高低不一致、表面杂质等因素导致材料不规则，一方面会使得对激光能量的吸收率不一致，进而导致产生的熔池形状、熔凝层及热影响区的晶粒大小不一；另一方面也会使得深熔和浅熔机制同时存在，熔体2流动不可控。这些因素令一般的粗糙表面1激光浅熔抛光工艺可控性较差，甚至可能导致抛光后表面各处的粗糙度及物理性能不能完全统一，这对一些高精度要求的产品而言是不合要求的。

技术实现思路

[0006]为克服现有技术中的缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法；该方法在激光抛光加工前先在待抛光面加工出微织构诱导层，可使得熔体流动更加均匀、规律，有利于激光抛光后工件表面质量及物理性能的提高。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案予以实现：一种基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法，包括如下步骤：
[0008]S1步，设定工件待抛光面的微织构诱导层的几何参数；
[0009]S2步，在工件待抛光面上加工出设定的微织构诱导层；
[0010]S3步，将具有微织构诱导层的工件待抛光面进行超声波清洗；
[0011]S4步，将工件放入密闭的氩气氛围中；
[0012]S5步，根据工件金属材料物理性能及微织构诱导层的结构设定激光加工参数和激
光扫描路径；根据激光加工参数和激光扫描路径，对工件待抛光面进行激光抛光处理。
[0013]优选地，所述S1步中，微织构诱导层的几何参数包括凸起形状、排布方式、凸起均匀/非均匀分布设定；当凸起均匀/非均匀分布设定为凸起均匀分布时，微织构诱导层的几何参数还包括凸起高度、凸起宽度和凸起间距；当凸起均匀/非均匀分布设定为凸起非均匀分布时，微织构诱导层的几何参数还包括凸起高度、凸起宽度和凸起间距的变化规律。
[0014]优选地，所述微织构诱导层，凸起形状的横截面呈等腰梯形，或者是凸起形状的横截面呈曲边形。
[0015]优选地，所述S5步中，激光加工参数包括固定参数和根据微织构诱导层凸起形状设定的可调参数；其中，所述固定参数包括激光光斑直径、重复频率和扫描次数；所述可调参数包括激光输出功率和激光扫描速度；
[0016]当微织构诱导层凸起形状的横截面呈等腰梯形时，激光输出功率P1和激光扫描速度v1为：
[0017][0018][0019]其中，激光输出功率P1单位为W；激光扫描速度v1单位为mm/s；L1为凸起宽度，单位μm；L2为凸起间距，单位μm；H为凸起高度，单位μm；
∝
为倾斜角；
[0020]当微织构诱导层凸起形状的横截面呈曲边形时，激光输出功率P2和激光扫描速度v2为：
[0021][0022][0023]其中，激光输出功率P2单位为W；激光扫描速度v2单位为mm/s；L为凸起间距，单位μm；H为凸起高度，单位μm；ρ为顶部曲率半径，单位μm。
[0024]优选地，所述固定参数中，激光光斑直径100μm；重复频率为1000KHz；扫描次数为1次。
[0025]优选地，所述S1步中，微织构诱导层的排布方式为一维阵列、二维阵列、环形阵列中的任一种。
[0026]优选地，所述S5步中，激光扫描路径是指：
[0027]当微织构诱导层的排布方式为一维阵列时，激光扫描路径为单向的平行线，沿着平行于一维阵列的方向扫描；
[0028]当微织构诱导层的排布方式为二维阵列时，激光扫描路径为单向、均匀的平行线，扫描方向任意；
[0029]当微织构诱导层的排布方式为环形阵列时，激光扫描路径为一系列圆心与环形阵列圆心相同的同心圆或螺旋线。
[0030]优选地，所述S2步中，采用切削方式在工件待抛光面上加工出设定的微织构诱导
层。
[0031]优选地，当微织构诱导层的排布方式为一维阵列或二维阵列时，采用切削方式是指：在铣刀后刀面加工与微织构诱导层相匹配的微沟槽；铣刀采用顺铣方式对工件待抛光面进行铣削，铣削深度≤0.05mm。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点与有益效果：
[0033]1、本专利技术方法，在激光抛光加工前先在待抛光面加工出微织构诱导层，可使得熔体流动更加均匀、规律，有利于激光抛光后工件表面质量及物理性能的提高；
[0034]2、本专利技术方法，在长脉宽脉冲激光作用下，微织构诱导层作为一种结构规则的表面切削加工硬化层，其熔凝层晶坯形核率高、冷却速度快而使得晶界多且晶粒细小；而热影响区的晶粒会由于不同程度的“固溶效应”而趋向于饱和，令晶粒尺寸较基体晶粒增大，从而提高抛光质量；
[0035]3、本专利技术方法，微织构诱导层中微型凸起的形状、尺寸均可依据需要设定，激光加工参数根据微织构诱导层的几何参数进行合理化设定，可保证产生的熔池深度小于凸起高度，可满足表面浅熔抛光，使得金属表面温度场分布可控、加工结果可预测、加工效率提高；
[0036]4、本专利技术方法，当微织构诱导层设定为凸起均匀分布时，抛光后表面各处熔凝状况亦呈现周期性均匀分布，从而有利于激光抛光后工件表面质量及物理性能的提高；当微织构诱导层设定为凸起按一定规律非均匀分布时，抛光后表面各处熔凝状况亦呈现按一定规律分布，进一步使得表面粗糙度或摩擦系数、硬度等物理性能按一定规律分布，可制备具有特殊用途的表面；
[0037]5、本专利技术方法，微织构诱导层加工过程简单，由于微型凸起结构选用金属切削方式得到，可实现大面积或大批量的加工，具有快捷性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法，其特征在于：包括如下步骤：S1步，设定工件待抛光面的微织构诱导层的几何参数；S2步，在工件待抛光面上加工出设定的微织构诱导层；S3步，将具有微织构诱导层的工件待抛光面进行超声波清洗；S4步，将工件放入密闭的氩气氛围中；S5步，根据工件金属材料物理性能及微织构诱导层的结构设定激光加工参数和激光扫描路径；根据激光加工参数和激光扫描路径，对工件待抛光面进行激光抛光处理。2.根据权利要求1所述的基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法，其特征在于：所述S1步中，微织构诱导层的几何参数包括凸起形状、排布方式、凸起均匀/非均匀分布设定；当凸起均匀/非均匀分布设定为凸起均匀分布时，微织构诱导层的几何参数还包括凸起高度、凸起宽度和凸起间距；当凸起均匀/非均匀分布设定为凸起非均匀分布时，微织构诱导层的几何参数还包括凸起高度、凸起宽度和凸起间距的变化规律。3.根据权利要求2所述的基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法，其特征在于：所述微织构诱导层，凸起形状的横截面呈等腰梯形，或者是凸起形状的横截面呈曲边形。4.根据权利要求3所述的基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法，其特征在于：所述S5步中，激光加工参数包括固定参数和根据微织构诱导层凸起形状设定的可调参数；其中，所述固定参数包括激光光斑直径、重复频率和扫描次数；所述可调参数包括激光输出功率和激光扫描速度。5.根据权利要求4所述的基于表面微织构诱导的高质量激光抛光方法，其特征在于：当微织构诱导层凸起形状的横截面呈等腰梯形时，激光输出功率P1和激光扫描速度v1为：为：其中，激光输出功率P1单位为W；激光扫描速度v1单位为mm/s；L1为凸起宽度，单...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁良，谭欢恒，万君杰，姜长城，姜治康，卢斌，冯万欣，黄华亮，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：