一种超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置及方法，所述的装置主要包括激光成形设备和声表面波工作台；本发明专利技术装置在激光熔凝的过程中对加热的熔体施加声场，通过调节超声信号发生器额功率发生器改变超声表面波的幅值、频率和相位，使其产生所需的稳定微阵列结构后，移除激光热源让其自然冷却凝固成形；本发明专利技术实现了利用声表面波在激光熔凝过程中快速成型制备表面微阵列结构，制造工艺简单，操作方便，生产效率高。生产效率高。

【技术实现步骤摘要】
一种超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置及方法


[0001]本专利技术涉及激光加工、激光表面微成型领域，具体涉及一种基于超声能场的激光熔凝金属表面微阵列成型装置及成型方法。

技术介绍

[0002]在许多应用领域，常通过表面织构技术来强化应用功效。表面织构技术，作为在表面工程方面的前沿技术，具有减摩、储液及有利于形成弹性流体动力润滑等作用。表面织构化可改善摩擦副表面的摩擦磨损性能，延长其使用寿命，也可以降低其润湿性，甚至达到超疏水的效果。因此，在金属表面制备微阵列等表面织构对工程应用、环境保护具有重要的意义。
[0003]目前，常见的金属表面微阵列加工方法有：电火花加工法、飞秒激光加工技术、化学或电化学腐蚀、微纳增材制造技术等。但是电火花加工法、化学或电化学腐蚀等方法难以制作精细的微阵列结构；飞秒激光加工技术、微纳增材制造技术等加工方法加工效率低。针对该问题，本专利技术提出了一种超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置及方法。
[0004]激光加工技术是利用激光的能量经过聚焦透镜聚焦后达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光束可以对材料进行各种加工，如打孔、切割、焊接等，同时还拥有加工速度快、加工范围广，表面变形少等特点。激光快速熔凝是将金属材料表面在激光束照射下成为熔化状态，同时迅速凝固，产生新的表面层。在熔凝的过程中，可以排除杂质和气体，同时急冷重结晶获得表面层具有较高的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
[0005]超高频声表面波可以在液态材料中形成稳定的声场，液态材料在与空气接触界面产生微阵列结构。该方法操作简单、加工效率高、工艺成本低，能在金属表面大面积制备精细微阵列结构。

技术实现思路

[0006]为了克服传统金属表面微阵列制作的难题，本专利技术结合声表面波的声场作用以及激光快速熔凝技术，提出了一种超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置及方法。
[0007]本专利技术利用超高频声表面波在液态熔体中形成的稳定声场，使得液态熔体表面产生微阵列结构，通过调节超高频声表面波的频率、相位、振幅、数量获得不同形貌的微阵列结构，在激光移除后熔体表面极速冷却获得微阵列结构，利用激光快速熔凝技术在金属材料表面的行走进行金属表面微阵列的制备。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置，包括：激光成形设备、声表面波工作台；
[0010]所述激光成形设备包括：激光器、激光头、机械臂、控制面板、保护气装置；激光头设于机械臂上，控制面板分别与激光器、机械臂连接，保护气装置与激光头连接；
[0011]所述激光器为光纤激光器；
[0012]所述激光头内采用可变矩形光斑镜组，在熔凝的过程中可改变光斑的面积以及长宽比，长和宽可调节范围均为6～80mm；
[0013]所述声表面波工作台包括：叉指换能器、旋紧伞齿、金属试样、卡爪、工作台；声表面波工作台的上端面为正方形；
[0014]叉指换能器以正方形工作台中心轴为轴线对称布置，采用胶结的形式固定于工作台上；每对叉指换能器分别控制，可根据实际需要调节叉指换能器对数，在声表面波工作台上呈环形布置；
[0015]金属试样为正方形金属基板，以工作台对角线交点为中心，各边平行于工作台边界进行固定；固定方式采用卡爪(形状为“L”型)，并用旋紧伞齿进行紧固；
[0016]正方形金属试样的边长小于等于每对叉指换能器的间距，且大于等于可变矩形光斑的最大宽度。
[0017]利用上述装置进行超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的方法，步骤如下：
[0018](1)待处理金属试样的表面进行打磨，去除油污(用乙醇擦拭表面)后，将金属试样放置于声表面波工作台上，用卡爪将其固定，并用旋紧伞齿旋紧；
[0019](2)在金属试样表面铺一层去离子水(水层厚度0.5～1mm)，激励叉指换能器发出与电信号同频率的声表面波，使其叠加形成稳定的声场，在多个声场的作用下去离子水表面形成稳定的微阵列形貌；
[0020]采用三维显微镜观察微阵列的形貌，通过调节频率、相位、振幅、数量使得去离子水形成的微阵列高度、大小、位置与所需微阵列形貌一致；
[0021]通过公式λ＝c/f进行换算得到金属试样理想微阵列对应的声表面波频率、相位，式中c为波速，λ为波长；
[0022]重新设定声表面波的频率为f2＝c2f1/c1，式中c1为去离子水中的波速，c2为金属试样中的波速，f1为去离子水对应的理想频率；
[0023](3)擦拭去除金属试样表面去离子水并吹干，打开保护气装置，激励叉指换能器产生表面波，同时开启激光器对金属试样表面进行加热，操控机械臂使得激光头按设定轨迹进行移动，金属试样表面受热熔化成液态形成微阵列后，激光移动离开该位置使得液态熔体迅速冷却凝固成形，形成金属表面微阵列；
[0024]激光快速熔凝工艺条件为：可变矩形光斑的大小6mm*6mm～80mm*80mm，激光功率1000～1500W，保护气流速6～25L/min；
[0025]激光快速熔凝过程中保护气装置所输送的气体为氩气。
[0026]本专利技术的有益效果为：
[0027](1)本专利技术通过激光加热对金属材料表面进行熔化，同时施加超高频声表面波对熔化的液态金属表面形成理想的微阵列形貌，然后冷却凝固形成微阵列结构，这种方法适用于多种金属材料的表面微阵列成型的制造，包括铸铁、低碳钢等；
[0028](2)本专利技术采用的激光快速熔凝技术使材料表面熔化，熔化凝固速度快，超高频声
表面波使熔体表面成型，成型速度也快，整个生产周期短，成型效率高；
[0029](3)本专利技术采用激光快速熔凝技术也称为激光熔化淬火，相较于机械加工得到的微阵列结构，声表面波激光快速熔凝技术得到的表面组织细化均质，具有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性；
[0030](4)本专利技术采用的激光快速熔凝技术相对于传统的微制造技术，其材料利用率高，具有环保高效的特点。
附图说明
[0031]图1：本专利技术装置结构示意图；
[0032]图2：声表面波工作台示意图；
[0033]其中：1
‑
激光器，2
‑
叉指换能器，3
‑
激光头，4
‑
机械臂，5
‑
控制面板，6
‑
旋紧伞齿，7
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金属试样，8
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卡爪，9
‑
工作台，10
‑
保护气装置；
[0034]图3：实施例1制备的金属表面熔凝层微阵列形貌；
[0035]图4：实施例1制备的金属表面熔凝层硬度与基体的对比。
具体实施方式
[0036]下面结合附图通过具体实施例进一步描述本专利技术，但本专利技术的保护范围并不仅限于此。
[0037]实施例1
[0038]如图1所示，本专利技术所述声本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置，其特征在于，所述装置包括：激光成形设备、声表面波工作台；所述激光成形设备包括：激光器、激光头、机械臂、控制面板、保护气装置；激光头设于机械臂上，控制面板分别与激光器、机械臂连接，保护气装置与激光头连接；激光头内采用可变矩形光斑镜组；所述声表面波工作台包括：叉指换能器、金属试样、工作台；声表面波工作台的上端面为正方形；叉指换能器以正方形工作台中心轴为轴线对称布置；金属试样为正方形金属基板，以工作台对角线交点为中心，各边平行于工作台边界进行固定；正方形金属试样的边长小于等于每对叉指换能器的间距，且大于等于可变矩形光斑的最大宽度。2.如权利要求1所述超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。3.如权利要求1所述超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置，其特征在于，可变矩形光斑的长和宽可调节范围均为6～80mm。4.如权利要求1所述超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置，其特征在于，可根据实际需要调节叉指换能器对数，每对叉指换能器分别控制，在声表面波工作台上呈环形布置。5.如权利要求1所述超声能场辅助激光快速熔凝制备金属表面微阵列的装置，其特征在于，所述金属试样的固定方式采用形状为“L”型的卡爪，并用旋紧伞齿进行紧固。6.利用如权利要求1所述装置进...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建华，姚喆赫，王梁，张群莉，董刚，葛鸿浩，吴国龙，赵文祯，范丽莎，洪锦源，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：