一種針對金屬表面的單步脈沖激光拋光方法與流程

本發明涉及一種針對金屬表面的單步脈沖激光拋光方法。可將該方法廣泛應用于金屬件的表面拋光，利用激光處理快速獲得平整光潔的金屬表面，屬于金屬材料表面激光處理技術領域。

背景技術：

目前，金屬材料表面拋光常用技術主要有機械拋光和化學/電化學拋光等方法。其中自動化的拋光技術，例如電拋光、電化學拋光、磨削等，有諸多缺點，如會導致圓形邊角，無法加工復雜構件的較深部區域，對于非平整表面和有邊角的金屬構件是不適用的，使用精密數控磨床加工，則會面臨著編程的困難，以及不能對同一平面的不同區域進行區別拋光。由于缺乏可行的對非平整表面的自動拋光技術，復雜金屬件的拋光一般由手工來完成，往往存在高度依賴人工經驗、缺乏一致性和穩定性、不利于整體結構件拋光、耗時久、成本高、效率低等問題。現有的拋光技術都基于對加工表面材料的剝離，此類拋光技術均面臨后處理的問題，例如對于化學拋光，電解拋光和超聲波拋光等，加工完畢后需要清洗表面，且需經常更換和處理電解液和研磨懸浮液；對于手工拋光等，需消耗磨料，在加工時需及時處理掉剝蝕的顆粒，造成的粉塵使模具鉗工的工作環境較為惡劣。

激光拋光是一種新型的獲得材料表面高光潔度的熱加工方法。這項工藝內在本質是激光加熱引起的材料表層重熔。無論是在宏觀尺度或微觀尺度進行的激光拋光工藝，材料粗糙表面經激光加熱融化后形成的熔池在表面張力和重力的多向作用下，熔池內熔融材料通過流動將會重新分配在初始位置周圍，從而在快速凝固后使絕大多數粗糙表面的峰谷高度差減小，由此獲得對粗糙表面的拋光效果。現有激光拋光技術大多只考慮了材料表面形貌的影響(如脈寬小于50ns的激光精拋光工藝，本身對材料表面熔深不大)，或者激光拋光加工過程由于過大能量輸入導致表面缺陷(如毫秒級脈寬激光輻照導致的表面裂紋，需要額外工藝消除缺陷)，在激光拋光的同時沒有達到拋光和保持表面性能的平衡。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種針對金屬表面的單步脈沖激光拋光方法。該方法可廣泛應用于金屬零件的表面拋光，使用一定脈寬范圍的短脈沖激光，利用一次激光處理快速獲得平整光潔的金屬表面，同時激光對材料表面的快速重熔作用將使金屬表面組織發生變化，如晶粒細化或物相變化，使拋光表面獲得硬度和耐蝕性的提高。

本發明一種針對金屬表面的單步脈沖激光拋光方法，流程如圖1所示，主要包括如下步驟：

(1)將待加工金屬材料表面進行簡單清洗去油。

(2)使用三維輪廓儀測量待拋光表面。

(3)將待加工金屬材料置于激光加工系統的工作臺上，根據步驟(2)測得的待拋光表面形貌設定激光參數，啟動激光加工系統，利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度和路徑掃射，最終在表面獲得重熔層，加工過程中使用惰性氣體進行保護；

(4)對加工后的金屬材料進行簡單清潔。

其中，所述的金屬材料為鋼鐵材料或有色金屬及其合金，具體包括但不限于鈦合金，銅合金，鑄鐵，鋼，鎳基合金；

其中，步驟(3)中設定的激光參數為：激光波長為193nm～1070nm，激光脈寬為100ns～100μs，激光功率為10w～100w，激光脈沖頻率為1khz～1mhz；

其中，步驟(3)中利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度和路徑掃射，其速度為0.2mm/s～3m/s，光斑掃描重疊率為20％～80％。

本發明公開的一種針對金屬表面的單步脈沖激光拋光方法，開辟了一種新型的獲得材料表面高光潔度的熱加工方法，相對于機械拋光和化學/電化學拋光等方法傳統金屬表面拋光方法，利用激光加熱融化后形成的熔池在表面張力和重力的多向作用下，熔池內熔融材料通過流動將會重新分配在初始位置周圍，從而在快速凝固后使絕大多數粗糙表面的峰谷高度差減小，由此獲得對粗糙表面的拋光效果。相比于傳統金屬表面拋光方法，本發明的優點在于：

(1)非接觸式拋光：接觸式拋光在樣品上施加了外力,樣品在外力下容易破裂。而非接觸式激光拋光則不會對樣品施加任何壓力。可解決超硬、超軟、脆性等材料的拋光問題。

(2)去除了傳統拋光技術(如研磨拋光中)的磨痕。普通光學加工中采用砂粒研磨的方式，微小顆粒對玻璃表面有很小的刮痕，通過原子力顯微鏡等手段可以觀察到這些刮痕。刮痕深度可能達幾十納米，從而影響拋光質量。采用激光拋光,可克服這一問題的產生。

(3)微區拋光：激光束的精細聚焦、柔性變換等特征,可以充分滿足微結構的拋光處理要求。

(4)選區和復雜結構拋光：激光拋光可利用振鏡和多軸控制平臺實現對特定區域和復雜曲面的拋光。

(5)機械不可達結構或難接近結構的拋光：激光具有一定的穿透性、可聚焦性、柔性傳輸性,這些特點，使得對深凹槽(深孔)結構、大拐點結構、密封器件等的拋光變為可能。

相比于現有的激光拋光方法，本發明的優點在于：

(1)該方法利用單步激光加工實現金屬表面拋光，按照原始表面材料和粗糙度選

擇合適的激光參數如頻率、掃描速度、功率，能通過一組激光參數獲得降低

表面粗糙度的效果。

(2)該方法使用的短脈沖激光脈寬足夠在金屬表面進行一定深度的快速重熔，能

夠在拋光的同時實現對金屬表面的強化。

(3)該方法使用短脈沖激光進行激光拋光，可有效控制激光拋光時對金屬表面的

重熔深度，從而減小熱輸入對工件基體機械性能的影響。

附圖說明：

圖1所示為本發明方法流程圖。

圖2所示為激光加工系統示意圖。

其中，1、激光器；2、光纖；3、隔離器；4、聚焦鏡；5、振鏡；6、氣體保護；7、氬氣；8、水冷系統；9、控制卡；10、計算機；11、工件；12、加工區域

圖3所示為本發明實施例1激光加工后金屬表面形貌的高度圖

圖4所示為本發明實施例1拋光后鈦合金表面不同深度處的顯微硬度分布圖

具體實施方式：

下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步說明。

如圖所示，本發明公開的一種針對金屬表面的單步脈沖激光拋光方法，如圖1所示，具體包括以下步驟：

(1)將待加工金屬材料表面進行簡單清洗去油。

(2)使用三維輪廓儀測量待拋光表面。

(3)將待加工金屬材料置于激光加工系統的工作臺上，根據步驟(2)測得的拋光表面形貌設定激光參數，啟動激光加工系統，利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度和路徑掃射，最終在表面獲得重熔層，加工過程中使用惰性氣體進行保護；

(4)對加工后的金屬材料進行簡單清潔。

其中，所述的金屬材料為鋼鐵材料或有色金屬及其合金，包括但不限于鈦合金，銅合金，鑄鐵，鋼，鎳基合金；

其中，步驟(3)中設定的激光參數為：激光波長為193nm～1070nm，激光脈寬為100ns～100μs，激光功率為10w～100w，激光脈沖頻率為1khz～1mhz；

其中，步驟(3)中利用振鏡掃描使激光在金屬材料表面以一定速度和路徑掃射，其速度為0.2mm/s～3m/s，光斑掃描重疊率為20％～80％。

如圖2所示，本發明所應用的激光加工系統，包括激光器1、光纖2、隔離器3、聚焦鏡4、振鏡5、氣體保護6、氬氣7、水冷系統8、控制卡9、計算機10、及放置于加工區域12的工件11；

實施例1：

(1)：取表面粗糙度約5μm的tc4鈦合金塊，表面進行簡單清洗去油。

(2)：使用三維輪廓儀測量待拋光表面。

(3)：將樣品置于如圖2所示的spi公司的納秒激光加工系統(使用1060nm波長的光纖激光器)的工作臺上，設置激光功率為20w，設置脈寬為200ns，頻率為500khz，掃描速度為200mm/s，設置掃描區域大小為50mm×50mm，光斑掃描重疊率為50％，打開惰性氣體保護加工表面，啟動激光加工系統開始加工。(4)：從工作臺上取下加工后鈦合金塊，用無水酒精擦拭。

如圖3所示為實施例1加工后所得tc4鈦合金表面激光拋光和未拋光區域邊界的電子顯微鏡照片，上半部分為拋光后區域，如圖所示，經激光拋光后，原始表面顆粒狀粗糙結構物被去除，表面呈相對平整狀態。圖4所示為拋光后鈦合金表面不同深度處的顯微硬度分布圖，圖中顯示經激光拋光處理后，鈦合金近表面硬度大大高于基體硬度。

實施例2：

(1)：取表面粗糙度約20μm的銅合金塊，表面進行簡單清洗去油。

(2)：使用三維輪廓儀測量待拋光表面。

(3)：將樣品置于如圖2所示的spi公司的大功率激光加工系統(使用1060nm波長的光纖激光器)的工作臺上，設置激光功率為100w，設置脈寬為50μs，頻率為1khz，掃描速度為500mm/s，設置掃描區域大小為50mm×50mm，光斑掃描重疊率為30％，打開惰性氣體保護加工表面，啟動激光加工系統開始加工。

(3)：從工作臺上取下加工后鋼塊，用無水酒精擦拭。

實施例3：

(1)：取表面粗糙度約1μm的鋼塊，表面進行簡單清洗去油。

(2)：使用三維輪廓儀測量待拋光表面。

(3)：將樣品置于如圖2所示的spi公司的納秒激光加工系統(使用1060nm波長的光纖激光器)的工作臺上，設置激光功率為20w，設置脈寬為50ns，頻率為1mhz，掃描速度為2000mm/s，設置掃描區域大小為50mm×50mm，光斑掃描重疊率為70％，打開惰性氣體保護加工表面，啟動激光加工系統開始加工。

(3)：從工作臺上取下加工后鋼塊，用無水酒精擦拭。

本發明方案所公開的技術手段不僅限于上述技術手段所公開的技術手段，還包括由以上技術特征任意組合所組成的技術方案。本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。