本發(fā)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(yīng)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(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，金屬材料表面拋光常用技術(shù)主要有機(jī)械拋光和化學(xué)/電化學(xué)拋光等方法。其中自動(dòng)化的拋光技術(shù)，例如電拋光、電化學(xué)拋光、磨削等，有諸多缺點(diǎn)，如會(huì)導(dǎo)致圓形邊角，無法加工復(fù)雜構(gòu)件的較深部區(qū)域，對于非平整表面和有邊角的金屬構(gòu)件是不適用的，使用精密數(shù)控磨床加工，則會(huì)面臨著編程的困難，以及不能對同一平面的不同區(qū)域進(jìn)行區(qū)別拋光。由于缺乏可行的對非平整表面的自動(dòng)拋光技術(shù)，復(fù)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(jīng)驗(yàn)、缺乏一致性和穩(wěn)定性、不利于整體結(jié)構(gòu)件拋光、耗時(shí)久、成本高、效率低等問題。現(xiàn)有的拋光技術(shù)都基于對加工表面材料的剝離，此類拋光技術(shù)均面臨后處理的問題，例如對于化學(xué)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(jīng)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(shí)需及時(shí)處理掉剝蝕的顆粒，造成的粉塵使模具鉗工的工作環(huán)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(xiàng)工藝內(nèi)在本質(zhì)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(jìn)行的激光拋光工藝，材料粗糙表面經(jīng)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(nèi)熔融材料通過流動(dòng)將會(huì)重新分配在初始位置周圍，從而在快速凝固后使絕大多數(shù)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?，F(xiàn)有激光拋光技術(shù)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(dǎo)致表面缺陷(如毫秒級脈寬激光輻照導(dǎo)致的表面裂紋，需要額外工藝消除缺陷)，在激光拋光的同時(shí)沒有達(dá)到拋光和保持表面性能的平衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(yīng)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(shí)激光對材料表面的快速重熔作用將使金屬表面組織發(fā)生變化，如晶粒細(xì)化或物相變化，使拋光表面獲得硬度和耐蝕性的提高。

本發(fā)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(jìn)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(tǒng)的工作臺上，根據(jù)步驟(2)測得的待拋光表面形貌設(shè)定激光參數(shù)，啟動(dòng)激光加工系統(tǒng)，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(jìn)行保護(hù)；

(4)對加工后的金屬材料進(jìn)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(shè)定的激光參數(shù)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(fā)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(jī)械拋光和化學(xué)/電化學(xué)拋光等方法傳統(tǒng)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(nèi)熔融材料通過流動(dòng)將會(huì)重新分配在初始位置周圍，從而在快速凝固后使絕大多數(shù)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(tǒng)金屬表面拋光方法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)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(huì)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(tǒng)拋光技術(shù)(如研磨拋光中)的磨痕。普通光學(xué)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(dá)幾十納米，從而影響拋光質(zhì)量。采用激光拋光,可克服這一問題的產(chǎn)生。

(3)微區(qū)拋光：激光束的精細(xì)聚焦、柔性變換等特征,可以充分滿足微結(jié)構(gòu)的拋光處理要求。

(4)選區(qū)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)拋光：激光拋光可利用振鏡和多軸控制平臺實(shí)現(xiàn)對特定區(qū)域和復(fù)雜曲面的拋光。

(5)機(jī)械不可達(dá)結(jié)構(gòu)或難接近結(jié)構(gòu)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(diǎn)，使得對深凹槽(深孔)結(jié)構(gòu)、大拐點(diǎn)結(jié)構(gòu)、密封器件等的拋光變?yōu)榭赡堋?/p>

相比于現(xiàn)有的激光拋光方法，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)該方法利用單步激光加工實(shí)現(xiàn)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(shù)如頻率、掃描速度、功率，能通過一組激光參數(shù)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(jìn)行一定深度的快速重熔，能

夠在拋光的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對金屬表面的強(qiáng)化。

(3)該方法使用短脈沖激光進(jìn)行激光拋光，可有效控制激光拋光時(shí)對金屬表面的

重熔深度，從而減小熱輸入對工件基體機(jī)械性能的影響。

附圖說明：

圖1所示為本發(fā)明方法流程圖。

圖2所示為激光加工系統(tǒng)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(hù)；7、氬氣；8、水冷系統(tǒng)；9、控制卡；10、計(jì)算機(jī)；11、工件；12、加工區(qū)域

圖3所示為本發(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)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(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖所示，本發(fā)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(jìn)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(tǒng)的工作臺上，根據(jù)步驟(2)測得的拋光表面形貌設(shè)定激光參數(shù)，啟動(dòng)激光加工系統(tǒng)，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(jìn)行保護(hù)；

(4)對加工后的金屬材料進(jìn)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(shè)定的激光參數(shù)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(fā)明所應(yīng)用的激光加工系統(tǒng)，包括激光器1、光纖2、隔離器3、聚焦鏡4、振鏡5、氣體保護(hù)6、氬氣7、水冷系統(tǒng)8、控制卡9、計(jì)算機(jī)10、及放置于加工區(qū)域12的工件11；

實(shí)施例1：

(1)：取表面粗糙度約5μm的tc4鈦合金塊，表面進(jìn)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(tǒng)(使用1060nm波長的光纖激光器)的工作臺上，設(shè)置激光功率為20w，設(shè)置脈寬為200ns，頻率為500khz，掃描速度為200mm/s，設(shè)置掃描區(qū)域大小為50mm×50mm，光斑掃描重疊率為50％，打開惰性氣體保護(hù)加工表面，啟動(dòng)激光加工系統(tǒng)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(shí)施例1加工后所得tc4鈦合金表面激光拋光和未拋光區(qū)域邊界的電子顯微鏡照片，上半部分為拋光后區(qū)域，如圖所示，經(jīng)激光拋光后，原始表面顆粒狀粗糙結(jié)構(gòu)物被去除，表面呈相對平整狀態(tài)。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(jīng)激光拋光處理后，鈦合金近表面硬度大大高于基體硬度。

實(shí)施例2：

(1)：取表面粗糙度約20μm的銅合金塊，表面進(jìn)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(tǒng)(使用1060nm波長的光纖激光器)的工作臺上，設(shè)置激光功率為100w，設(shè)置脈寬為50μs，頻率為1khz，掃描速度為500mm/s，設(shè)置掃描區(qū)域大小為50mm×50mm，光斑掃描重疊率為30％，打開惰性氣體保護(hù)加工表面，啟動(dòng)激光加工系統(tǒng)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(shí)施例3：

(1)：取表面粗糙度約1μm的鋼塊，表面進(jìn)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(tǒng)(使用1060nm波長的光纖激光器)的工作臺上，設(shè)置激光功率為20w，設(shè)置脈寬為50ns，頻率為1mhz，掃描速度為2000mm/s，設(shè)置掃描區(qū)域大小為50mm×50mm，光斑掃描重疊率為70％，打開惰性氣體保護(hù)加工表面，啟動(dòng)激光加工系統(tǒng)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(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述技術(shù)手段所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。