一种激光表面微造型方法技术

本发明专利技术是一种用于工件表面微造型的激光微加工方法，主要是利用半导体泵浦ＹＡＧ激光器，通过声光调Ｑ产生脉冲激光，并结合“单脉冲同点间隔多次”的激光加工新工艺，在工件表面加工出可控制深度的微凹腔和微凹槽。该方法可适用于大多数金属材料和非金属材料，特别是对金属材料的微造型，可以更为明显地提高其加工质量。本发明专利技术的主要优点是最大程度地减小激光加工带来的负面热效应，显著提高激光表面微造型的质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光微加工领域特别是激光表面微造型领域，特指一种采用了“单脉冲同点间隔多次”加工新工艺的激光表面造型方法，能够在工件表面高效地、高质量地加工出微凹腔和微凹槽。
技术介绍
在摩擦副表面加工出适当的表面微观形貌，可以显著改善摩擦副的润滑性能，提高摩擦副的使用寿命。为了达到这些要求，就必须保证形貌的表面加工质量；同时，为了能在工业生产领域推广应用，还必须尽可能的提高加工效率、降低成本。激光表面微造型技术是一种易控制、高效率的现代化加工方法。但是，现有的技术受到若干个缺点的限制，用于工业生产实际显得不成熟，特别是对于金属材料的表面微造型，其加工质量更是难以控制。例如①传统的CO2激光器和YAG激光器，其输出波长处于红外波段，聚焦光斑较大。因此加工尺寸也相应较大。而且其激光与材料之间的相互作用是热过程，会导致材料的碳化和表面加工质量变差②铜蒸发激光器能输出波长为蓝光511nm和黄光578nm，输出功率可达几百瓦，且光束质量好，可以聚焦成很小的光斑(几至几十微米)。可对陶瓷、金刚石、硅、高分子聚合物以及各种金属材料，进行微细加工。可是，铜蒸发激光器外形尺寸庞大，价格昂贵，可靠性差，维护保养工作量大，不适合用于大量的工业生产。(③准分子激光器自其问世以来，一直长盛不衰。其应用范围不断扩大，与之相关的新技术、新装置、新工艺层出不穷，显示出其旺盛的生命力。中国专利CN200310111573.3公开了一种准分子激光电化学加工微结构的方法，可以在半导体、金属等基片上加工微米量级的微结构。但这种方法存在着运转费用高、稳定性不够、难以加工陶瓷材料等缺点。④自上世纪80年代末专利技术飞秒激光以来，飞秒激光以其超短和超强的特点，拥有独特的材料加工特性，可以在极短的时间内(材料开始熔化之前)进行材料的去除加工，从而保证加工质量。中国专利CN03116837.x公开了一种利用飞秒激光在金属薄膜上加工周期性微结构的方法。但是飞秒激光器体积庞大，结构复杂，价格昂贵。其稳定性和可靠性在目前情况下还较差。对此系统的操作和维护需要专门的专业知识和技能，而且目前多数掺钛蓝宝石激光器的平均输出功率也较低。因此，飞秒激光器在现阶段还远不能适应工业实际应用，仍然只能作为实验室科学研究的工具。(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)一文中总结介绍了一种激光表面微造型技术(LST)。但是这种技术在加工过程中，特别是在金属材料的加工过程中，受局部熔化等因素的影响，表面粗糙度不易保证，熔渣较多。⑥由于一个激光脉冲所能去除材料的量有限，这样为了达到表面形貌的预定深度，用脉冲激光进行加工时，需要在同一个点处打多个脉冲。传统的打脉冲方式是“单脉冲连续多次”，即用脉冲激光在同一个点处连续重复打多次，这种方式由于是连续打，时间较长，热影响的负面效应比较严重，加工面的质量较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的不足而提出的。主要是克服现有激光表面微造型技术中存在的问题，如准分子激光器加工材料范围狭窄，或飞秒激光器成本高、效率低、离实际加工较远，或一般工业用激光器表面加工质量差、熔渣多，最终使得这种微造型方法在兼顾加工效率、加工成本的同时保证微造型的表面质量。本专利技术为实现上述目的，技术方案是利用半导体泵浦YAG激光器，通过声光调Q产生脉冲激光，结合单脉冲同点间隔多次的激光微加工工艺，即通过在同一个点处，间隔反复地打多个激光脉冲，在工件表面加工出微凹腔和微凹槽。其采用声光调Q技术的半导体泵浦YAG激光器，它具有泵浦效率较高、光束质量好、重复频率高、系统紧凑等优点，为精确去除材料，形成高质量表面造型奠定了基础。同时调整脉冲激光作用时间和形貌空间之间的关系，即采用“单脉冲同点间隔多次”的新工艺。所谓“单脉冲同点间隔多次”，是区别于传统的“单脉冲连续多次”而言的，就是工件上同一个点处所打的多个激光脉冲，通过间隔反复打出，形成微凹腔和微凹槽。在工件7上面打一圈n’个微凹腔，每个微凹腔需要打m个脉冲，其中1’点是起始点，则这种新工艺方法叙述如下脉冲激光在起始点1’处打一个脉冲后，接着打下一个点2’，依次顺序打完第一圈n’个微凹腔；然后工件转动第二圈回到1’时，对1’点打第二次个脉冲，接着对2’点打第二个脉冲，依次类推，直到转完m圈，对每个凹腔打完m个脉冲。这种加工方式可以最大程度地减小热负面效应，显著提高加工质量。此外，这种工艺方法采用先进控制原理，实现激光器脉冲发出时间和工件旋转时间耦合，即在两个或多个脉冲的空隙时间内正好走过工件上两个加工点之间的旋转距离，完成在工件表面规定位置上的激光单脉冲输出，这样可以充分保证加工时的效率。所加工微凹腔的直径rp和深度hp可控，rp在20um～60um之间，hp在1um～20um之间；所加工微凹槽宽度bg和深度hg可控，bg在40um～120um之间，hg在1um～20um之间。且本专利技术采用凹腔“重叠成窄凹槽”，再由窄凹槽“重叠成宽凹槽”的方法来加工各种宏观形貌的宽凹槽。本专利技术的效果主要是通过调整工件上同一个点处多个脉冲作用时间上的间隔，使加工时由激光带来的热负面效应降到最低，最大程度地保证形貌的表面加工质量。附图说明附图1为“单脉冲同点间隔多次”加工工艺示意图附图2为微凹腔9横断面示意图附图3为微凹槽8横断面示意图附图4为缸套微造型示意图附图5为缸套6a展开图附图6为密封环微造型示意图附图7为宽螺旋槽加工原理图附图8为宽螺旋槽10局部放大图附图的图面字母、数字说明如下rp-微凹腔半径hp-微凹腔深度 bg-微凹槽宽度hg-微凹槽深度1-激光发生器 2-外光路系统 3-45度反射镜 4-激光5-聚焦镜 6a-缸套工件 6b-密封环工件 7-工作台8-微凹槽 9-微凹腔 10-宽螺旋槽1’，2’，3’……n-1’，n’-凹腔个数编号具体实施方式本专利技术可用于大多数金属材料和非金属材料工件的表面微造型，对加件的形状等也没有特殊要求，比如可用来加工缸套/活塞环摩擦副系统中，缸套表面微凹腔和微凹槽；还可以用来加工机械密封环端面的微观润滑腔和宏观泵送槽，等等。实施例1在缸套/活塞环系统中的缸套表面加工微凹腔，或交叉微凹槽或两者的组合。根据图4、5所示的加工示意图，利用激光表面微造型加工系统分别在区域I、III处加工微凹腔，在区域II处加工微凹槽。在区域I、III加工微凹腔，可以通过控制每一个微凹腔处所打激光脉冲个数来控制深度hp，由于采用了“单脉冲同点间隔多次”的新工艺，hp可以根据每个激光脉冲所形成的材料去除量线性叠加，hp一般可以从1um～20um；通过控制激光波长长短，或聚焦镜焦距和聚焦点位置来控制微凹腔半径rp，rp一般可以由20um～60um；而凹腔之间的间距可以由软件预先设定来实现。具体加工过程是这样的先调整到加工起始位置，同时根据要求，由控制软件设置好加工参数，然后开始加工。比如在加工高度H处每一个微凹腔需要打5个脉冲才能达到深度要求，则保持z轴不移动，在这个H高度位置需要转5圈，然后再沿z轴向加工方向移动，至下一个加工位置的加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光表面微造型的方法，其特征主要在于利用半导体泵浦ＹＡＧ激光器，通过声光调Ｑ产生脉冲激光，结合单脉冲同点间隔多次的激光微加工工艺，即通过在同一个点处，间隔反复地打多个激光脉冲，在工件表面加工出微凹腔和微凹槽。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：符永宏，陈志焕，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]