一種雷射表面微造型方法
2023-05-28 18:31:11
專利名稱：一種雷射表面微造型方法
技術領域：
本發明涉及雷射微加工領域特別是雷射表面微造型領域，特指一種採用了「單脈衝同點間隔多次」加工新工藝的雷射表面造型方法，能夠在工件表面高效地、高質量地加工出微凹腔和微凹槽。
背景技術：
在摩擦副表面加工出適當的表面微觀形貌，可以顯著改善摩擦副的潤滑性能，提高摩擦副的使用壽命。為了達到這些要求，就必須保證形貌的表面加工質量；同時，為了能在工業生產領域推廣應用，還必須儘可能的提高加工效率、降低成本。
雷射表面微造型技術是一種易控制、高效率的現代化加工方法。但是，現有的技術受到若干個缺點的限制，用於工業生產實際顯得不成熟，特別是對於金屬材料的表面微造型，其加工質量更是難以控制。例如①傳統的CO2雷射器和YAG雷射器，其輸出波長處於紅外波段，聚焦光斑較大。因此加工尺寸也相應較大。而且其雷射與材料之間的相互作用是熱過程，會導致材料的碳化和表面加工質量變差②銅蒸發雷射器能輸出波長為藍光511nm和黃光578nm，輸出功率可達幾百瓦，且光束質量好，可以聚焦成很小的光斑(幾至幾十微米)。可對陶瓷、金剛石、矽、高分子聚合物以及各種金屬材料，進行微細加工。可是，銅蒸發雷射器外形尺寸龐大，價格昂貴，可靠性差，維護保養工作量大，不適合用於大量的工業生產。(③準分子雷射器自其問世以來，一直長盛不衰。其應用範圍不斷擴大，與之相關的新技術、新裝置、新工藝層出不窮，顯示出其旺盛的生命力。中國專利CN200310111573.3公開了一種準分子雷射電化學加工微結構的方法，可以在半導體、金屬等基片上加工微米量級的微結構。但這種方法存在著運轉費用高、穩定性不夠、難以加工陶瓷材料等缺點。④自上世紀80年代末發明飛秒雷射以來，飛秒雷射以其超短和超強的特點，擁有獨特的材料加工特性，可以在極短的時間內(材料開始熔化之前)進行材料的去除加工，從而保證加工質量。中國專利CN03116837.x公開了一種利用飛秒雷射在金屬薄膜上加工周期性微結構的方法。但是飛秒雷射器體積龐大，結構複雜，價格昂貴。其穩定性和可靠性在目前情況下還較差。對此系統的操作和維護需要專門的專業知識和技能，而且目前多數摻鈦藍寶石雷射器的平均輸出功率也較低。因此，飛秒雷射器在現階段還遠不能適應工業實際應用，仍然只能作為實驗室科學研究的工具。(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)一文中總結介紹了一種雷射表面微造型技術(LST)。但是這種技術在加工過程中，特別是在金屬材料的加工過程中，受局部熔化等因素的影響，表面粗糙度不易保證，熔渣較多。⑥由於一個雷射脈衝所能去除材料的量有限，這樣為了達到表面形貌的預定深度，用脈衝雷射進行加工時，需要在同一個點處打多個脈衝。傳統的打脈衝方式是「單脈衝連續多次」，即用脈衝雷射在同一個點處連續重複打多次，這種方式由於是連續打，時間較長，熱影響的負面效應比較嚴重，加工面的質量較差。
發明內容
本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足而提出的一種雷射表面微造型方法。主要是克服現有雷射表面微造型技術中存在的問題，如準分子雷射器加工材料範圍狹窄，或飛秒雷射器成本高、效率低、離實際加工較遠，或一般工業用雷射器表面加工質量差、熔渣多，最終使得這種微造型方法在兼顧加工效率、加工成本的同時保證微造型的表面質量。
本發明為實現上述目的，技術方案是利用半導體泵浦YAG雷射器，通過聲光調Q產生脈衝雷射，結合單脈衝同點間隔多次的雷射微加工工藝，即通過在同一個點處，間隔反覆地打多個雷射脈衝，在工件表面加工出微凹腔和微凹槽。
其採用聲光調Q技術的半導體泵浦YAG雷射器，它具有泵浦效率較高、光束質量好、重複頻率高、系統緊湊等優點，為精確去除材料，形成高質量表面造型奠定了基礎。同時調整脈衝雷射作用時間和形貌空間之間的關係，即採用「單脈衝同點間隔多次」的新工藝。所謂「單脈衝同點間隔多次」，是區別於傳統的「單脈衝連續多次」而言的，就是工件上同一個點處所打的多個雷射脈衝，通過間隔反覆打出，形成微凹腔和微凹槽。在工件7上面打一圈n』個微凹腔，每個微凹腔需要打m個脈衝，其中1』點是起始點，則這種新工藝方法敘述如下脈衝雷射在起始點1』處打一個脈衝後，接著打下一個點2』，依次順序打完第一圈n』個微凹腔；然後工件轉動第二圈回到1』時，對1』點打第二次個脈衝，接著對2』點打第二個脈衝，依次類推，直到轉完m圈，對每個凹腔打完m個脈衝。這種加工方式可以最大程度地減小熱負面效應，顯著提高加工質量。
此外，這種工藝方法採用先進控制原理，實現雷射器脈衝發出時間和工件旋轉時間耦合，即在兩個或多個脈衝的空隙時間內正好走過工件上兩個加工點之間的旋轉距離，完成在工件表面規定位置上的雷射單脈衝輸出，這樣可以充分保證加工時的效率。
所加工微凹腔的直徑rp和深度hp可控，rp在20um～60um之間，hp在1um～20um之間；所加工微凹槽寬度bg和深度hg可控，bg在40um～120um之間，hg在1um～20um之間。
且本發明採用凹腔「重疊成窄凹槽」，再由窄凹槽「重疊成寬凹槽」的方法來加工各種宏觀形貌的寬凹槽。
本發明的效果主要是通過調整工件上同一個點處多個脈衝作用時間上的間隔，使加工時由雷射帶來的熱負面效應降到最低，最大程度地保證形貌的表面加工質量。
附圖1為「單脈衝同點間隔多次」加工工藝示意圖附圖2為微凹腔9橫斷面示意圖附圖3為微凹槽8橫斷面示意圖附圖4為缸套微造型示意圖附圖5為缸套6a展開圖附圖6為密封環微造型示意圖附圖7為寬螺旋槽加工原理圖附圖8為寬螺旋槽10局部放大圖附圖的圖面字母、數字說明如下rp-微凹腔半徑hp-微凹腔深度 bg-微凹槽寬度hg-微凹槽深度1-雷射發生器 2-外光路系統 3-45度反射鏡 4-雷射5-聚焦鏡 6a-缸套工件 6b-密封環工件 7-工作檯8-微凹槽 9-微凹腔 10-寬螺旋槽1』，2』，3』……n-1』，n』-凹腔個數編號具體實施方式
本發明可用於大多數金屬材料和非金屬材料工件的表面微造型，對加件的形狀等也沒有特殊要求，比如可用來加工缸套/活塞環摩擦副系統中，缸套表面微凹腔和微凹槽；還可以用來加工機械密封環端面的微觀潤滑腔和宏觀泵送槽，等等。
實施例1在缸套/活塞環系統中的缸套表面加工微凹腔，或交叉微凹槽或兩者的組合。根據圖4、5所示的加工示意圖，利用雷射表面微造型加工系統分別在區域I、III處加工微凹腔，在區域II處加工微凹槽。在區域I、III加工微凹腔，可以通過控制每一個微凹腔處所打雷射脈衝個數來控制深度hp，由於採用了「單脈衝同點間隔多次」的新工藝，hp可以根據每個雷射脈衝所形成的材料去除量線性疊加，hp一般可以從1um～20um；通過控制雷射波長長短，或聚焦鏡焦距和聚焦點位置來控制微凹腔半徑rp，rp一般可以由20um～60um；而凹腔之間的間距可以由軟體預先設定來實現。具體加工過程是這樣的先調整到加工起始位置，同時根據要求，由控制軟體設置好加工參數，然後開始加工。比如在加工高度H處每一個微凹腔需要打5個脈衝才能達到深度要求，則保持z軸不移動，在這個H高度位置需要轉5圈，然後再沿z軸向加工方向移動，至下一個加工位置的加工。圖2顯示了加工的微凹腔9的橫斷面示意圖。
在區域II加工交叉微凹槽，微凹槽是通過一系列微凹腔的「重疊成槽」來實現的，其深度hg通過微凹腔的重疊程度來控制，其重疊程度由重疊係數n％來表示，n％從75％～95％，其深度一般可以從1um～20um；同樣也可通過控制雷射波長，或聚焦鏡焦距和聚焦點位置來控制微凹槽寬度bg，bg一般可由40um～120um；而微凹槽交叉角度、圓周方向槽距可由軟體預先設定來實現。具體過程是這樣的先調整到加工起始位置，同時根據要求，設置好加工參數，然後開始加工。與上面加工微凹腔所不同的是，在加工微凹槽時，z軸不會停在某個高度，而是勻速運動，通過匹配z軸移動速度和缸套轉速來控制z方向每個重疊微凹腔之間距離，從而控制微凹槽深度。當加工完一個方向後，z軸反方向返回可形成微凹槽。圖3顯示了加工的微凹槽8的橫斷面示意圖。
實施例2在零洩漏非接觸式新型機械密封上加工微凹腔和微凹槽，其基本原理同實施例一中缸套的加工，只是由於密封環端面是平面，所以雷射加工噴嘴由彎頭變成直頭，其加工原理圖如圖6。但是，當加工深度為微米量級(1um～20um)，而寬度為毫米量級(1mm以上)的宏觀淺槽時，可以通過凹腔「重疊成窄凹槽」，再由窄凹槽「重疊成寬凹槽」的方法來實現，如圖7。這種宏觀淺槽的外形，如圓弧槽、螺旋槽等，可以由控制軟體實現。
上述兩個實施例只為說明本發明，其適用對象、材料及造型形貌都不受限制，可以是發明內容中所提到的一切情形。
權利要求
1.一種雷射表面微造型的方法，其特徵主要在於利用半導體泵浦YAG雷射器，通過聲光調Q產生脈衝雷射，結合單脈衝同點間隔多次的雷射微加工工藝，即通過在同一個點處，間隔反覆地打多個雷射脈衝，在工件表面加工出微凹腔和微凹槽。
2.根據權利要求1所述的一種雷射表面微造型方法，其特徵主要在於雷射器脈衝發出時間和工件旋轉時間耦合，即在兩個或多個脈衝的空隙時間內正好走過工件上兩個加工點之間的旋轉距離，從而實現在工件表面規定位置上的雷射單脈衝輸出。
3.根據權利要求1所述的一種雷射表面微造型的方法，其特徵主要在於所加工微凹腔的直徑rP和深度hP可控，rP在20um～60um之間，hp在1um～20um之間；所加工微凹槽寬度bg和深度hg可控，bg在40um～120um之間，hg在1um～20um之間。
4.根據權利要求1所述的一種雷射表面微造型的方法，其特徵主要在於通過凹腔「重疊成窄凹槽」，再由窄凹槽「重疊成寬凹槽」的方法來加工各種宏觀形貌的寬凹槽。
全文摘要
本發明是一種用於工件表面微造型的雷射微加工方法，主要是利用半導體泵浦YAG雷射器，通過聲光調Q產生脈衝雷射，並結合「單脈衝同點間隔多次」的雷射加工新工藝，在工件表面加工出可控制深度的微凹腔和微凹槽。該方法可適用於大多數金屬材料和非金屬材料，特別是對金屬材料的微造型，可以更為明顯地提高其加工質量。本發明的主要優點是最大程度地減小雷射加工帶來的負面熱效應，顯著提高雷射表面微造型的質量。
文檔編號B23K26/08GK1857843SQ200610039758
公開日2006年11月8日 申請日期2006年4月21日 優先權日2006年4月21日
發明者符永宏, 陳志煥 申請人:江蘇大學