一种激光冲击制造表面微凸起形貌的装置和方法

摘要

本发明提供了一种激光冲击制造表面微凸起形貌的方法，属于激光加工技术领域。金属工件表面依次覆盖粘性胶、吸收层和约束层。激光透过约束层作用于吸收层，吸收层吸收激光能量后气化电离膨胀产生高压冲击波，作用于金属工件表面。大量冲击波机械能转化为热能，金属工件表面温度急速升高超过其熔点形成微熔池，同时金属工件表面温度也超过粘性胶气化点，粘性胶气化膨胀。粘性胶气化膨胀形成的二次冲击波作用于金属工件表面的微熔池，将熔池中心材料向两边推挤，堆积到熔池边缘。冲击波作用结束后，熔化金属凝固，金属表面形成两边有微凸起的凹坑形貌。本发明所提供方法，同时实现了激光冲击表面改性和激光表面微造型，且工艺简单，易于实现。

说明书

技术领域

本发明属于激光微加工领域，特指一种基于激光冲击在金属表面加工微凸起形貌的方法。

背景技术

具有微凸起形貌的金属表面在工业上具有广泛的应用。例如，轧辊表面的毛化凸起形貌，能提高钢板轧制速度，减少板面擦伤，改善板型，在板卷退火中防止粘连，也能提高金属板材的冲压性能、改善表面涂漆附着力，增加光亮度等。在模具表面加工合适的微凸起形貌，也可改善模具制造零件的可加工性能和加工质量。目前，在金属材料表面加工微凸起形貌的方法主要有：机械法、化学蚀刻术、电火花毛化等，上述方法都有一共同的缺点：所加工微形貌分布随机，无法实现主动设计和控制。近年来，随着激光技术的发展，能够实现主动设计和制造的激光毛化技术得到迅猛发展。激光毛化技术，其基本面原理为采用聚焦脉冲激光束辐照金属表面，基于热效应形成微小熔池，同时在外界辅助气体冲击压力，或者自身材料气化形成的反冲压力作用下，使熔池中的熔融物按指定要求堆积到熔池边缘形成圆弧形凸台。在用这种方法的过程中，需要仔细控制外接辅助气体的吹气方向和压力，才能实现适量熔池中心材料堆积到熔池边缘；或者，仔细控制作用激光的脉冲宽度，使得部分金属材料气化飞出，形成反冲压力，这个反冲压力也能将熔池中心材料吹向熔池边缘，形成凸起形貌，若激光脉冲宽度控制不当，则气化效应不明显，不利于形成理想凸起形貌。材料表面制造微凸起形貌的方法。

发明内容

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种激光冲击制造表面微凸起形貌的装置，其特征在于，包括工件、吸收层和约束层，所述吸收层通过粘性胶粘合在所述工件上，所述吸收层的上方覆盖透明约束层。

进一步的，所述粘性胶的气化点低于金属工件的熔点。

进一步的，所述吸收层为对入射激光强烈吸收的固体材料。

进一步的，所述吸收层为铝箔。

进一步的，所述约束层为对入射激光高透过率的液体或固体。

进一步的，所述约束层为水或玻璃。

一种激光冲击制造表面微凸起形貌的方法： 

第一步，激光束透过透明约束层照射吸收层，吸收层吸收激光能量，气化电离，产生等离子体；

第二步，被约束的等离子体产生高压冲击波，透过吸收层，作用于粘性胶和金属工件表面；

第三步，高压冲击波加载时间极短，大量冲击波机械能转化为热能，剩余吸收层、金属工件表面，以及粘性胶的温度均急速升高；

第四步，当金属工件表面温度升高超过其熔点后，金属工件表面形成微熔池，与此同时，金属工件表面温度超过粘性胶的气化点，粘性胶气化形成粘性胶气化区；

第五步，粘性胶在金属工件和吸收层之间气化膨胀，形成粘性胶气化膨胀区，且该膨胀区被约束于金属工件和吸收层之间的形成二次冲击波作用于金属工件表面的微熔池；

第六步，二次冲击波将熔池中心材料向两边推挤，堆积到熔池边缘。当冲击波作用结束后，熔化金属凝固，在金属表面形成两边有微凸起的凹坑形貌。

与现有技术相比，本发明的优点和效果：一种激光冲击制造表面微凸起形貌的方法，很方便地同时实现激光冲击表面改性和激光表面微造型，获得高性能的微造型表面，且该方法工艺简单，不需要另外施加辅助气体，也不需仔细控制激光脉冲宽度，即可以在工件表面制造微凸起形貌。

 

附图说明

图1： 待加工试样示意图。

图2： 吸收层气化产生等离子及冲击波的示意图。

图3： 金属工件表面形成熔化区示意图。

图4： 粘性胶气化膨胀产生冲击波的示意图。

图5： 熔池中心材料堆积到熔池边缘的示意图。该图兼作摘要附图。

图6： 具有微凸起形貌的金属工件表面。

图7： 激光冲击在铜块表面制造微凸起形貌。

1：金属工件，2：粘性胶，3：吸收层，4：约束层，5：激光束，6：等离子体，7：冲击波，8:熔池，9：粘性胶，10：粘性胶气化膨胀区，11：二次冲击波，12：微凸起形貌。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，金属工件1表面覆盖吸收层3，吸收层3和金属工件1之间通过粘性胶2粘合，吸收层3上方覆盖透明约束层4。约束层4对入射激光无吸收或者弱吸收，吸收层3对入射激光强烈吸收，粘性胶2使得吸收层2密合粘接在金属工件1表面。

如图2所示，激光束5透过透明约束层4照射吸收层3，吸收层3吸收激光能量，气化电离，产生等离子体6，被约束的等离子体6产生高压冲击波7，透过吸收层3，作用于粘性胶2和金属工件1表面。

如图3所示，由于高压冲击波7加载时间极短，因此，该过程表现为绝热过程，大量冲击波机械能转化为热能，导致剩余吸收层、金属工件1表面，以及粘性胶2的温度均急速升高。通过合理选择激光加工参数，使得金属工件1表面温度升高超过其熔点，金属工件1表面形成微熔池8。与此同时，金属工件1表面温度超过粘性胶2的气化点，粘性胶2气化形成粘性胶气化区9。

如图4所示，粘性胶2在金属工件1和吸收层3之间气化膨胀，形成粘性胶气化膨胀区10，且该膨胀区被约束于金属工件1和吸收层3之间的形成二次冲击波11作用于金属工件1表面的微熔池8。

如图5所示，二次冲击波11将熔池8中心材料向两边推挤，堆积到熔池边缘。

如图6所示，当冲击波作用结束后，熔化金属凝固，在金属表面形成两边有微凸起的凹坑形貌12。

所述的粘性胶2，其气化点低于金属工件1的熔点。

所述的粘性胶2，能够密切粘合吸收层3和金属工件1。

所述的吸收层3，为对入射激光强烈吸收的固体材料，可以为铝箔。

所述的约束层4，为对入射激光高透过率的液体或固体，可以为水或玻璃。

列举一应用实例，激光冲击能量源为Nd3+:YAG输出的1064nm的激光，其脉冲宽度为15ns,能量为6J,光斑大小为3mm，频率为1Hz，水作为约束层，铝箔作为吸收层，亚克力胶作为粘性胶，金属工件为1cm厚的铜块。

具体实施过程：在铜块表面贴上铝箔胶带。该铝箔胶带由铝箔和压克力胶构成，铝箔胶带总厚度110微米，其中铝箔厚约70微米，铝箔单面均匀粘附的压克力胶厚度约40微米。铝箔充当吸收层，压力胶即为粘性胶。压克力胶将铝箔牢牢粘附于铜块表面。将粘附了铝箔的铜块放置于水槽中，调整铜块淹没在水面以下的高度，使得铜块试样表面的水层厚度约为2mm，该水层作为约束层。打开激光器，一个激光脉冲透过水层作用于金属工件上，首先激光与铝箔相互作用产生等离子体，等离子体的膨胀受到水层的约束作用，会产生一个冲击波穿过吸收层和粘性胶，作用于铜块表面，由于时间极短，表现为绝热过程，机械能转化为热能，导致铜块表面温度急速升高，当铜块表面温度升高超过其熔点，铜块表面形成微熔池。与此同时，压克力胶气化膨胀，被约束于铜块和铝箔之间的气化压克力胶形成二次冲击波作用于铜块表面微熔池，将熔池中心材料向两边推挤，最后在铜块表面形成两边有微凸起的凹坑形貌。图7为激光冲击在铜块表面加工出的两边有微凸起的凹坑形貌。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。