一种愈合铜薄膜件疲劳损伤的脉冲激光辐照处理方法

摘要

本发明涉及一种愈合铜薄膜件疲劳损伤的脉冲激光辐照处理方法。其步骤为：A)提供激光辐照愈合装置，所述激光辐照愈合装置包括脉冲激光器，光路装置,导轨和试件固定装置；B)将铜薄膜试件固定在金属平板中心处；C)通过导轨使激光发射口，光路装置和试件固定装置三者在同一直线上；D)控制激光光斑的大小；E)使激光光斑准确地辐照试件缺口处；F）通过激光器控制系统调整单脉冲能量，改变激光能量密度；所述脉冲激光器发射出的激光经光路装置中的凸透镜照射到铜薄膜试件表面；G)将铜薄膜试件从试件固定装置上取下。本发明在材料表面形成热影响区，不仅有效地愈合了铜薄膜试件的疲劳损伤，还能大幅提高其疲劳寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造与激光加工应用技术领域，特指一种愈合铜薄膜件 疲劳损伤的脉冲激光辐照处理方法。

背景技术

金属构件常在交变应力下服役，疲劳损伤不可避免，一旦失效断裂将造 成不可估量的损失。因此，如果采取适当的方法对正在服役的损伤构件进行 修复，恢复其疲劳性能，起到延寿作用，将具有非常重要的工程实际意义。 为此，许多工作者在金属材料疲劳损伤修复方面进行了广泛研究，得出一系 列重要的理论成果，提出的愈合方法有退火，直流电脉冲，机械喷丸和离子 渗氮法等，有效地愈合了金属构件的疲劳损伤，延长了其使用寿命，极具实 用价值和工程意义。

激光辐照处理，是指将激光直接照射在金属表面，利用激光与金属材料 之间的相互作用实现对金属的改性处理，属于激光表面处理多种应用中的一 种。按热密度作用结果可分为相变硬化和表面熔化，其原理是当激光束照射 至金属材料表面时，材料吸收激光能量从而导致表面温度迅速升高，由于辐 照时间较短以及金属基体导热较快，温度下降速率很高，这种快速加热和冷 却处理造成金属材料表面组织发生变化，从而提高材料的诸多性能，例如硬 度，耐磨性，疲劳特性等。

发明内容

本发明的目的是解决铜薄膜材料疲劳损伤愈合的问题。提供一种新型的 脉冲激光辐照处理愈合铜薄膜疲劳损伤的方法。对服役中已产生疲劳损伤的 铜薄膜构件进行激光辐照愈合，提高其疲劳性能，延长其使用寿命，从而提 高微机械的可靠性和安全性，为工程实践中的实际问题提供有效的解决方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种愈合铜薄膜件疲 劳损伤的1.一种愈合铜薄膜件疲劳损伤的脉冲激光辐照处理方法，其步骤为：

A）提供激光辐照愈合装置，所述激光辐照愈合装置包括脉冲激光 器，光路装置，导轨和试件固定装置；所述光路装置包括凸透镜；所述试 件固定装置包括金属平板和磁铁；

B）将存在疲劳损伤的铜薄膜试件置于金属平板中心处，试件采用 磁铁固定，磁铁与金属平板之间的强吸引力保持铜薄膜试件在金属平板上 的位置固定不变；

C）将光路装置和试件固定装置安放在导轨上，激光发射口，光路 装置和试件固定装置三者在同一直线上；

D）根据激光器指示光线调整光路装置和试件固定装置，通过调节 光路装置与试件固定装置之间的距离来控制焦距，从而改变光斑的大小；

E）根据激光器指示光线调整光路装置和试件固定装置，使激光光 斑准确地辐照在试件缺口处；

F）通过激光器控制系统调整单脉冲能量，改变作用在试件表面的 激光能量密度；单个脉冲作用时间为30纳秒；所述脉冲激光器发射出的激 光束经光路装置中的凸透镜照射到铜薄膜试件表面；

G）将铜薄膜试件从试件固定装置上取下。

进一步，所述步骤A）中所述的脉冲激光器为紫外准分子脉冲激光器。

所述步骤F）中激光能量密度为5KJ/m²-7KJ/m²，单个脉冲作用时间为30 纳秒。

所述步骤F）中在进行愈合之前，不需要对试件进行任何表面处理，直接 将激光束作用于试件表面。

所述步骤F）中当激光能量密度为5KJ/m²-7KJ/m²时，试件表面温度达到 1200摄氏度左右，愈合效果较好。

本发明愈合方法的创新在于：辐照愈合系统搭建简单，对铜薄膜材料疲 劳损伤进行愈合，试件对激光能量的吸收导致表面温度的变化，从而引起材 料表面组织改性，出现晶粒细化和致密层，愈合已存在的疲劳损伤，延长试 件的使用寿命。

本发明愈合工艺方法的创新在于：在进行愈合处理之前，不需要对试件 进行任何表面处理，直接将激光束作用于试件表面，工艺简便，方法实用， 效果显著，在工程实践中有很强的应用潜力。

本发明方法的有益效果在于：通过采用上述激光辐照方法使金属材料表 面发生微熔化，导致组织变化，出现晶粒细化和致密层，改善试件表面质量， 不仅有效地愈合了铜薄膜试件的疲劳损伤，还能大幅提高其疲劳寿命，增强 微机械系统工作的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本发明中激光辐照愈合装置的示意图。

图2为本发明中试件处理的示意图。

图3为本发明中光路装置的示意图。

图4为本发明中铜薄膜试件固定的示意图。

图5为本发明中铜薄膜试件处理后的结构示意图。

图1至图5中：1、激光器，2、光路装置，3、导轨，4、试件固定装置， 5、铜薄膜试件,6、激光光斑，7、热影响区，21、凸透镜，22、凸透镜支架， 23、凸透镜支座，41、金属平板，42、磁铁，43、金属平板支架，44、金属 平板支座，45、螺栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法做进一步的阐述，请参阅图1至图5，一种愈 合铜薄膜件疲劳损伤的脉冲激光辐照处理方法，其步骤为：

A)提供激光辐照愈合装置，所述激光辐照愈合装置包括脉冲激光器1， 光路装置2，导轨3和试件固定装置4；由于铜薄膜试件5对短波长激光吸收 率较高，所述激光器选用紫外准分子脉冲激光器；所述光路装置2包括凸透 镜21，凸透镜支架22，凸透镜支座23；所述试件固定装置4包括金属平板 41，磁铁42，金属平板支架43，金属平板支座44和螺栓45；

B)将存在疲劳损伤的铜薄膜试件5置于金属平板41中心处，试件两端各 放置一枚磁铁42，利用磁铁与金属平板之间的强吸引力保持铜薄膜试件5在 金属平板41上的位置固定不变；用螺栓45将金属平板41固定在金属平板支 架43上端的凹槽里；

C)将光路装置2和试件固定装置4安放在导轨3上，激光发射口，光路 装置和试件固定装置三者在同一直线上；

D)根据激光器指示光线调整光路装置2和试件固定装置4，通过调节光 路装置2与试件固定装置4之间的距离来控制焦距，从而改变激光光斑6的 大小，光斑大小为1x45mm；

E)根据激光器指示光线调整光路装置2和试件固定装置4，通过调整凸 透镜支架22和金属平板支架43的高度使激光光斑6准确地辐照在试件缺口 处；

F)通过激光器控制系统调整单脉冲能量，改变作用在试件表面的激光能 量密度；单个脉冲作用时间为30纳秒；所述脉冲激光器1发射出的激光束经 光路装置2中的凸透镜21照射到铜薄膜试件5表面；

G)将铜薄膜试件5从试件固定装置4取下。

本发明通过采用上述的脉冲激光辐照处理方法愈合铜薄膜材料的疲劳损 伤，通过调整脉冲能量改变激光的能量密度，从而引起试件表面温度的变化， 1200摄氏度左右对损伤具有较好的修复作用，在材料上形成一定厚度的热影 响区7，试件表面发生微熔化，出现晶粒细化和致密层，试件表面质量得到改 善，不仅有效地愈合了铜薄膜试件的疲劳损伤，还能大幅提高其疲劳寿命， 可达到原来的2-2.5倍，极大地改善了损伤铜薄膜试件的疲劳特性。