一种针对金属表面的单步脉冲激光抛光方法与流程

本发明涉及一种针对金属表面的单步脉冲激光抛光方法。可将该方法广泛应用于金属件的表面抛光，利用激光处理快速获得平整光洁的金属表面，属于金属材料表面激光处理技术领域。

背景技术：

目前，金属材料表面抛光常用技术主要有机械抛光和化学/电化学抛光等方法。其中自动化的抛光技术，例如电抛光、电化学抛光、磨削等，有诸多缺点，如会导致圆形边角，无法加工复杂构件的较深部区域，对于非平整表面和有边角的金属构件是不适用的，使用精密数控磨床加工，则会面临着编程的困难，以及不能对同一平面的不同区域进行区别抛光。由于缺乏可行的对非平整表面的自动抛光技术，复杂金属件的抛光一般由手工来完成，往往存在高度依赖人工经验、缺乏一致性和稳定性、不利于整体结构件抛光、耗时久、成本高、效率低等问题。现有的抛光技术都基于对加工表面材料的剥离，此类抛光技术均面临后处理的问题，例如对于化学抛光，电解抛光和超声波抛光等，加工完毕后需要清洗表面，且需经常更换和处理电解液和研磨悬浮液；对于手工抛光等，需消耗磨料，在加工时需及时处理掉剥蚀的颗粒，造成的粉尘使模具钳工的工作环境较为恶劣。

激光抛光是一种新型的获得材料表面高光洁度的热加工方法。这项工艺内在本质是激光加热引起的材料表层重熔。无论是在宏观尺度或微观尺度进行的激光抛光工艺，材料粗糙表面经激光加热融化后形成的熔池在表面张力和重力的多向作用下，熔池内熔融材料通过流动将会重新分配在初始位置周围，从而在快速凝固后使绝大多数粗糙表面的峰谷高度差减小，由此获得对粗糙表面的抛光效果。现有激光抛光技术大多只考虑了材料表面形貌的影响(如脉宽小于50ns的激光精抛光工艺，本身对材料表面熔深不大)，或者激光抛光加工过程由于过大能量输入导致表面缺陷(如毫秒级脉宽激光辐照导致的表面裂纹，需要额外工艺消除缺陷)，在激光抛光的同时没有达到抛光和保持表面性能的平衡。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种针对金属表面的单步脉冲激光抛光方法。该方法可广泛应用于金属零件的表面抛光，使用一定脉宽范围的短脉冲激光，利用一次激光处理快速获得平整光洁的金属表面，同时激光对材料表面的快速重熔作用将使金属表面组织发生变化，如晶粒细化或物相变化，使抛光表面获得硬度和耐蚀性的提高。

本发明一种针对金属表面的单步脉冲激光抛光方法，流程如图1所示，主要包括如下步骤：

(1)将待加工金属材料表面进行简单清洗去油。

(2)使用三维轮廓仪测量待抛光表面。

(3)将待加工金属材料置于激光加工系统的工作台上，根据步骤(2)测得的待抛光表面形貌设定激光参数，启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度和路径扫射，最终在表面获得重熔层，加工过程中使用惰性气体进行保护；

(4)对加工后的金属材料进行简单清洁。

其中，所述的金属材料为钢铁材料或有色金属及其合金，具体包括但不限于钛合金，铜合金，铸铁，钢，镍基合金；

其中，步骤(3)中设定的激光参数为：激光波长为193nm～1070nm，激光脉宽为100ns～100μs，激光功率为10w～100w，激光脉冲频率为1khz～1mhz；

其中，步骤(3)中利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度和路径扫射，其速度为0.2mm/s～3m/s，光斑扫描重叠率为20％～80％。

本发明公开的一种针对金属表面的单步脉冲激光抛光方法，开辟了一种新型的获得材料表面高光洁度的热加工方法，相对于机械抛光和化学/电化学抛光等方法传统金属表面抛光方法，利用激光加热融化后形成的熔池在表面张力和重力的多向作用下，熔池内熔融材料通过流动将会重新分配在初始位置周围，从而在快速凝固后使绝大多数粗糙表面的峰谷高度差减小，由此获得对粗糙表面的抛光效果。相比于传统金属表面抛光方法，本发明的优点在于：

(1)非接触式抛光：接触式抛光在样品上施加了外力,样品在外力下容易破裂。而非接触式激光抛光则不会对样品施加任何压力。可解决超硬、超软、脆性等材料的抛光问题。

(2)去除了传统抛光技术(如研磨抛光中)的磨痕。普通光学加工中采用砂粒研磨的方式，微小颗粒对玻璃表面有很小的刮痕，通过原子力显微镜等手段可以观察到这些刮痕。刮痕深度可能达几十纳米，从而影响抛光质量。采用激光抛光,可克服这一问题的产生。

(3)微区抛光：激光束的精细聚焦、柔性变换等特征,可以充分满足微结构的抛光处理要求。

(4)选区和复杂结构抛光：激光抛光可利用振镜和多轴控制平台实现对特定区域和复杂曲面的抛光。

(5)机械不可达结构或难接近结构的抛光：激光具有一定的穿透性、可聚焦性、柔性传输性,这些特点，使得对深凹槽(深孔)结构、大拐点结构、密封器件等的抛光变为可能。

相比于现有的激光抛光方法，本发明的优点在于：

(1)该方法利用单步激光加工实现金属表面抛光，按照原始表面材料和粗糙度选

择合适的激光参数如频率、扫描速度、功率，能通过一组激光参数获得降低

表面粗糙度的效果。

(2)该方法使用的短脉冲激光脉宽足够在金属表面进行一定深度的快速重熔，能

够在抛光的同时实现对金属表面的强化。

(3)该方法使用短脉冲激光进行激光抛光，可有效控制激光抛光时对金属表面的

重熔深度，从而减小热输入对工件基体机械性能的影响。

附图说明：

图1所示为本发明方法流程图。

图2所示为激光加工系统示意图。

其中，1、激光器；2、光纤；3、隔离器；4、聚焦镜；5、振镜；6、气体保护；7、氩气；8、水冷系统；9、控制卡；10、计算机；11、工件；12、加工区域

图3所示为本发明实施例1激光加工后金属表面形貌的高度图

图4所示为本发明实施例1抛光后钛合金表面不同深度处的显微硬度分布图

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

如图所示，本发明公开的一种针对金属表面的单步脉冲激光抛光方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)将待加工金属材料表面进行简单清洗去油。

(2)使用三维轮廓仪测量待抛光表面。

(3)将待加工金属材料置于激光加工系统的工作台上，根据步骤(2)测得的抛光表面形貌设定激光参数，启动激光加工系统，利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度和路径扫射，最终在表面获得重熔层，加工过程中使用惰性气体进行保护；

(4)对加工后的金属材料进行简单清洁。

其中，所述的金属材料为钢铁材料或有色金属及其合金，包括但不限于钛合金，铜合金，铸铁，钢，镍基合金；

其中，步骤(3)中设定的激光参数为：激光波长为193nm～1070nm，激光脉宽为100ns～100μs，激光功率为10w～100w，激光脉冲频率为1khz～1mhz；

其中，步骤(3)中利用振镜扫描使激光在金属材料表面以一定速度和路径扫射，其速度为0.2mm/s～3m/s，光斑扫描重叠率为20％～80％。

如图2所示，本发明所应用的激光加工系统，包括激光器1、光纤2、隔离器3、聚焦镜4、振镜5、气体保护6、氩气7、水冷系统8、控制卡9、计算机10、及放置于加工区域12的工件11；

实施例1：

(1)：取表面粗糙度约5μm的tc4钛合金块，表面进行简单清洗去油。

(2)：使用三维轮廓仪测量待抛光表面。

(3)：将样品置于如图2所示的spi公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的光纤激光器)的工作台上，设置激光功率为20w，设置脉宽为200ns，频率为500khz，扫描速度为200mm/s，设置扫描区域大小为50mm×50mm，光斑扫描重叠率为50％，打开惰性气体保护加工表面，启动激光加工系统开始加工。(4)：从工作台上取下加工后钛合金块，用无水酒精擦拭。

如图3所示为实施例1加工后所得tc4钛合金表面激光抛光和未抛光区域边界的电子显微镜照片，上半部分为抛光后区域，如图所示，经激光抛光后，原始表面颗粒状粗糙结构物被去除，表面呈相对平整状态。图4所示为抛光后钛合金表面不同深度处的显微硬度分布图，图中显示经激光抛光处理后，钛合金近表面硬度大大高于基体硬度。

实施例2：

(1)：取表面粗糙度约20μm的铜合金块，表面进行简单清洗去油。

(2)：使用三维轮廓仪测量待抛光表面。

(3)：将样品置于如图2所示的spi公司的大功率激光加工系统(使用1060nm波长的光纤激光器)的工作台上，设置激光功率为100w，设置脉宽为50μs，频率为1khz，扫描速度为500mm/s，设置扫描区域大小为50mm×50mm，光斑扫描重叠率为30％，打开惰性气体保护加工表面，启动激光加工系统开始加工。

(3)：从工作台上取下加工后钢块，用无水酒精擦拭。

实施例3：

(1)：取表面粗糙度约1μm的钢块，表面进行简单清洗去油。

(2)：使用三维轮廓仪测量待抛光表面。

(3)：将样品置于如图2所示的spi公司的纳秒激光加工系统(使用1060nm波长的光纤激光器)的工作台上，设置激光功率为20w，设置脉宽为50ns，频率为1mhz，扫描速度为2000mm/s，设置扫描区域大小为50mm×50mm，光斑扫描重叠率为70％，打开惰性气体保护加工表面，启动激光加工系统开始加工。

(3)：从工作台上取下加工后钢块，用无水酒精擦拭。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。