一種減少激光打孔表面飛濺物的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及到激光加工技術，是一種在金屬表面涂鍍一層有機物，減少激光打孔表面飛濺物的方法。
【背景技術】
[0002]隨著航空、電子、儀器儀表、精密機械、自動控制及醫療器械等科學技術和工業生產的發展，微小深孔的應用日趨廣泛。在現代工業產品不斷向輕、薄、小的方向發展的過程中，其組成零件也越來越趨于小型化和精密化，對微小深孔加工精度要求也越來越高，對微小深孔加工技術也提出了更高的要求。然而采用傳統的機械加工方式加工微小孔已經不能滿足工藝要求，例如在高熔點的金屬鉬板上加工微米量級的微孔，在堅硬的碳化鎢合金上加工直徑為幾十微米的小孔等，用常規的機械加工方法是不可能的，而采用激光打孔技術則不難實現。激光打孔技術主要是借助于高能量密度的激光束直接作用于被加工材料表面，使材料熔化、氣化，從而去除材料實現打孔。激光打孔是最早實用化的激光加工技術，正成為工業生產中最有效的微孔加工方法之一，成為改造傳統加工的一種有效手段。激光打孔技術具有精度高、通用性強、效率高、成本低及綜合技術經濟效益顯著等優勢，已成為現代制造領域的關鍵技術之一。目前激光打孔已用于火箭發動機和柴油機的燃料噴嘴、寶石軸承、金剛石拉絲模、化纖噴絲頭等微小孔的加工中。
[0003]雖然激光打孔有很多優點，但是也存在著很多的問題。如對于毫秒激光來說，普遍存在孔周圍熔融飛濺物堆積、孔徑大小難以控制，重復率低、錐度大，液態金屬粘附在孔壁形成再鑄層。激光與工件能量傳遞的過程中存在熱應力，會引起裂紋的產生。當使用氧氣作為輔助氣體時，在富氧環境下，孔周圍表面飛濺堆積的熔融物和表面熱影響區會出現較嚴重的氧化現象，嚴重損害了加工面的完整性，降低了打孔質量。這些不足制約了激光打孔技術的深入應用。
[0004]當前學者大多通過優化激光參數的方法來改善激光打孔飛濺物的堆積，進而提高工件表面質量，而本發明采用激光打孔前在試樣表面上涂鍍有機物涂層的方法，來改善激光打孔周圍的表面質量，減少熔融飛濺物的產生和堆積，減輕表面熱影響區的氧化，從而避免對加工表面的不必要損害，這在當前的研究中未見報道。這種方法不需要復雜繁瑣的前處理和后處理，操作簡單，所用材料廉價易得，具有較好的經濟效益。更重要的是對加工面的保護作用非常明顯可靠，孔周圍熔融物堆積和表面熱影響區的氧化現象明顯減少。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種減小毫秒脈沖激光所打微孔周圍表面飛濺物的簡單方法，通過在金屬試樣上做有機涂層，有效改善毫秒脈沖激光打孔后的工件的表面質量。在試樣表面做的涂層具有易于去除、對工件表面保護效果好、不改變工件表面結構等優點。本發明提供的方法，即是對激光打孔的深入研究，同時也提供了一種改善激光打孔質量的新思路。本發明適用于包括不銹鋼，高溫合金在內的各種碳鋼、合金鋼。
[0006]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]—種減少激光打孔表面飛濺物的方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1、首先對試樣進行拋光，然后將試樣進行超聲清洗，干燥備用；
[0009]步驟2、將有機涂層均勻涂于試樣上表面，有機涂層為石蠟和硬脂酸混合物；
[0010]步驟3、用毫秒脈沖Nd:YAG激光(LASAG FLS 352A，DMG，German)對處理好的試樣進行激光打孔；
[0011]步驟4、去除表面有機物涂層，觀察效果。
[0012]步驟I中，所述的試樣為不銹鋼或高溫合金。
[0013]步驟I中，對試樣拋光的方法為利用280#，320#、400#、500#、600#，800#，1000#和1200#氧化鋁砂紙對試樣進行逐級打磨并拋光;對試樣超聲清洗的方法為依次放入丙酮、酒精、去離子水中進行超聲清洗。
[0014]步驟2中，所述的有機涂層中石蠟和硬脂酸的質量比為10:1?10:4。
[0015]步驟2中，所述的有機涂層的厚度為0.2?0.5mm。
[0016]步驟3中，激光打孔的參數為:能量E = 120?60W，頻率f = 30Hz。
[0017]步驟3中，激光打孔的參數為:能量E = 90W，頻率f = 1?I OOHz。
[0018]各組分的機理和作用
[0019]膜層作用:試樣經過打磨拋光和清洗后，表面粗糙度非常小，肉眼觀察非常光滑，對激光具有反射作用，減小了試樣材料對激光能量的吸收，在孔形成的過程中，汽化的比例就變小，進而導致液態熔融金屬的量增多，最終隨著能量吸收量的增加而噴射出來聚集在微孔進口處周圍。另外，氧氣作為輔助氣體時，在激光能量傳遞的過程中會對熱影響區部分進行氧化，嚴重影響打孔質量。涂上這種有機無涂層之后，一方面可以減少對激光能量的反射，使熔融金屬大量氣化，減少飛濺的產生。另一方面也充當試樣表面保護膜的作用，隔絕孔周圍表面熱影響區表面與氧氣的接觸，減少表面大面積氧化的可能。由于膜層的保護作用，噴射出來的熔融金屬沉積到膜層上面，在后期的處理當中可以很容易去除，不傷及加工面。
[0020]激光參數的設定:采用不同激光參數，同一參數設定不同大小，充分考察膜層良好的保護效果。排除膜層只在某一定參數下才有效果的可能。
[0021]本發明的獨到之處和有益效果是:
[0022](I)通過在加工表面涂鍍有機涂層的方法來減少氧氣作為輔助氣體激光打孔過程中飛濺物對加工面的損傷和熱影響區被氧化，這在當前的研究中未見報道。
[0023](2)有機涂層材料在一定溫度下會熔化，在打孔過程中會流向膜層覆蓋不到的地方，能夠有效保護加工面不被氧化，對整個打孔過程具有很好的保護作用。
[0024](3)使用的膜層材料廉價易得，具有較好的經濟效益。
[0025](4)本發明使用的膜層材料鍍膜方便，使用設備簡單，打孔后膜層的去除簡單，不需要復雜的后處理，操作非常方便。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明實施例1中無有機涂層和有有機涂層涂層時，使用不同激光能量在304不銹鋼上打孔得到的微孔表面形貌，其中11、12、13為無有機涂層時，使用不同激光能量在304不銹鋼上打孔得到的微孔表面形貌;14、15、16為有有機涂層時，使用不同激光能量在304不銹鋼上打孔得到的微孔表面形貌;A、B、C、D、E、F、G依次對應的激光能量為120W、110W、100W、90W、80W、70W、60W，激光頻率為 30Hz;
[0027]圖2為本發明實施例1中無有機涂層和有有機涂層時，使用不同激光重復頻率在304不銹鋼上打孔得到的微孔表面形貌，其中21、22、23為無有機涂層時，使用不同激光重復頻率在304不銹鋼上打孔得到的微孔表面形貌;24、25、26為有有機涂層時，使用不同激光重復頻率在304不銹鋼上打孔得到的微孔表面形貌;A、B、C、D、E、F依次對應的激光頻率為1Hz，20Hz，30Hz，50Hz，80Hz，I OOHz，激光能量為 90W ；
[0028]圖3為本發明實施例2中無有機涂層和有有機涂層時，使用不同激光能量在GH4169高溫合金上打孔得到的微孔表面形貌，其中31、32、33為為無有機涂層時，使用不同激光能量在GH4169高溫合金上打孔得到的微孔表面形貌;34、35、36為有有機涂層時，使用不同激光能量在304不銹鋼上打孔得到的微孔表面形貌;A、B、C、D、E、F、G依次對應的激光能量為120W、110W、100W、90W、80W、70W、60W，激光頻率為 30Hz;
[0029]圖4為本發明實施例2中無有機涂層和有有機涂層時，使用不同激光重復頻率在GH4169高溫合金上打孔得到的微孔表面形貌，其中41、42、43為無有機涂層時，使用不同激光重復頻率在304不銹鋼上打孔得到的微孔表面形貌;44、45、46為有有機涂層時，使用不同激光重復頻率在304不銹鋼上打孔得到的微孔