专利名称：一种基于激光冲击波的高效微凹坑制造方法及装置的制作方法
一种基于激光冲击波的高效微凹坑制造方法及装置
方法及装置领域
本发明涉及金属材料表面微制造领域，具体地是指一种基于激光冲击波的高效微凹坑制造方法及装置。背景方法及装置
通过在船舶及水下航行器表面制作微米尺度的微凹坑，是减少航行阻力的有效途径；在摩擦副表面制作微米尺度的微凹坑，可以用来储存润滑油及摩擦过程中产生的磨损碎片，大大提高摩擦副的耐磨性能；同时，微凹坑的制作也是微机电系统(MEMS)、生物方法及装置等领域的重要研究方向之一。目前，在金属表面制备微凹坑的方法及装置主要有机械法、电化学法、电子束加工法和激光烧蚀法等。机械法存在刀具制造复杂、加工效率低的缺点；电化学法存在工艺复杂、易污染环境的缺点；电子束加工法存在加工效率低的缺点。专利201010221857.8提出了一种铝表面微凹坑制备方法，也存在着工艺复杂，加工效率低的缺点；激光烧蚀法会破坏表面的完整性，激光烧蚀产生的热效应会引起材料微观组织的变化以及在表面形成残余拉应力层，其凹坑表面粗糙度高；文献[Y. B. Guo, R. Caslaru, Fabricationand characterization of micro dent arrays produced by laser shock peening ontitanium Ti - 6A1 - 4V surfaces, Journal of Materials Processing Technology 211(2011) 729 - 736]利用激光冲击波的力效应在Ti_6Al_4V表面制备了直径为200iim，深度为Iym的微凹坑。该方法制得的微凹坑，其表面光滑，并且在表层能形成一层残余压应力层，可以有效的提高表面的疲劳寿命。但是其缺点也很明显，微凹坑的半径由激光束经聚焦后形成的焦斑半径确定，并且每一次激光冲击只能形成一个微凹坑，其效率低下。
发明内容
本发明针对以上方法及装置的不足，提供一种基于激光冲击波的高效微凹坑制造方法及装置。高能脉冲激光经过透镜聚焦后，穿过金属网的微米尺度的微孔群，由于金属丝的遮挡作用，形成多束微米尺度的激光束，多束微细激光束继续透过约束层，辐照在吸收层表面，吸收层吸收激光能量产生等离子爆炸形成高强度的冲击波(高达数个GPa)，约束层的作用是延长等离子爆炸的维持时间以提高冲击波峰值压力和延长冲击波的持续时间，工件表面在微细激光束形成的强大冲击波作用下，产生塑性变形，形成微凹坑。本发明包括激光器、聚焦透镜、夹具系统、橡胶垫片、金属网、垫块、流水层、吸收层、工件、工作台和控制系统。所述的激光器为高能脉冲激光器，焦点位置光斑直径大于3mm，并且此时光斑内激光功率密度不小于1GW/CM2。所述的聚焦透镜为长焦距透镜，其焦距大于lm，可以使穿过金属网的微细激光束近似于平行的激光束。所述的橡胶垫片可以实现对金属网的可靠夹紧。所述的金属网可以是各种具有微细孔的网，例如编织网，蚀刻网，其材质对激光的吸收率较小，孔径按需要选取，并且可以经受多次激光辐照，当孔径变化超过其孔径1/10后，必须及时更换。所述的垫块，其放置于金属网下方，以使金属网跟吸收层表面保持一定距离，使金属网位于流水层表面上方，其距离大于1mm，以防止金属网受到由于水的约束作用产生的强大冲击波而导致的变形。同时为了最大程度的减少激光束通过小孔后的发散，该距离必须小于2. 5mm,
所述的吸收层为对激光能量具有较高吸收率的材料，其厚度大于150 u m,，可以经受5次以上的激光辐照而不破裂，以实现对同一位置的多次冲击；同时也为了充分利用激光产生的冲击波的能量，其厚度必须小于250 u m。所述的吸收层为流水，以方便进行连续加工，其厚度为lmnT2mm左右。 所述的工作台，可以通过控制系统实现X，Y方向的两轴联动。以实现对整个待加工表面的处理。本发明的有益效果如下
I、通过改变金属网的孔径，可以获得不同孔径的微凹坑。2、本发明中产生微凹坑不存在热作用，因此不会引起由于热效应对工件表层产生的不良效果。3、本发明加工的微凹坑，其表层为压应力层，可有效提高工件疲劳寿命。4、可以在同一位置进行多次冲击，获得高深径比的微孔群。5、该方法可实现自动化，生产效率高，所用的关键部件成本低廉，可以实现大批量生产，如在本发明采用的激光器上，可以获得约48 cm2/min的加工效率。
图I :基于激光冲击波的高效微凹坑制造方法及装置示意 图2 :用本方法在纯钛表面制备出的大面积凹坑光学照片；
图3 :单个微凹坑的光学显微照片；
图中I包括，I激光器、2聚焦透镜、3夹具系统、4橡胶垫片、5金属网、6垫块、7约束层、8吸收层、9工件、10工作台、11控制系统。
具体实施例方式如图一所示，基于激光冲击波的高效微凹坑制造方法及装置，包括激光器I、聚焦透镜2、夹具系统3、橡胶垫片4、金属网5、垫块6、约束层7、吸收层8、工件9、工作台10和控制系统11。工件9进行表面打磨抛光，然后用丙酮清洗，并放置在夹具系统3上；将吸收层8覆盖在工件9表面；将垫块6放置在吸收层8表面，分布于两侧；将金属网5展平，并将金属网5边缘覆盖在垫块6上；将橡胶垫片4压在金属网5边缘，橡胶垫片4正对于垫块6 ;夹具系统3夹紧橡胶垫片4，使所有零件固定在夹具系统3上，并且保证夹紧的时候金属网5保持平整；将夹具系统3固定在工作台10上；将约束层7导入，并覆盖在吸收层8表面。本发明专利的工作原理为激光器I发出的脉冲激光经过聚焦透镜2聚焦后，在焦点附近形成的激光束Ia穿过金属网5微米尺度的微孔群，由于金属丝的遮挡作用，形成多束微米尺度的激光束Ib，多束微细激光束Ib继续透过约束层7，辐照在吸收层8表面，吸收层8吸收激光能量产生等离子爆炸形成高强度的冲击波，约束层7用来延长等离子爆炸的 维持时间以提高冲击波峰值压力和延长冲击波的持续时间，工件9表面在微细激光束Ib形成的强大冲击波作用下，产生塑性变形，形成微凹坑。本方法中所用金属网其网格孔是正方形，然而获得的凹坑其边缘部分是接近于圆形，这是由于激光冲击波透过吸收层后，已经有一定程度的发散。
权利要求
1.基于激光冲击波的高效微凹坑制造装置，其特征在于，包括激光器(I)、聚焦透镜(2)、夹具系统(3)、橡胶垫片(4)、金属网(5)、垫块(6)、约束层(7)、吸收层(8)、工件(9)、工作台(10 )和控制系统(11);激光器(I)正对于聚焦透镜(2 );在工件(9 )表面依次往上放置吸收层(8)、垫块(6)，金属网(5)和橡胶垫片(4)，并整体安装在夹具系统(3)里；将夹具系统(3)在固定在工作台(10)上；工作台(10)和控制系统(11)相连；约束层(7)覆盖在吸收层(8)上。
2.实施权利要求I所述的基于激光冲击波的高效微凹坑制造装置的方法，其特征在于，具体步骤如下 A、工件(9)进行表面打磨抛光，然后用丙酮清洗，并放置在夹具系统(3 )上； B、将吸收层(8)覆盖在工件(9)表面； C、将垫块(6)放置在吸收层(8)表面,分布于两侧； D、将金属网(5)展平，并将金属网(5 )边缘覆盖在垫块(6 )上； E、将橡胶垫片(4)压在金属网(5)边缘，橡胶垫片(4)正对于垫块(6)； F、夹具系统(3)夹紧橡胶垫片(4)，使所有零件固定在夹具系统(3)上，并且保证夹紧的时候金属网(5)保持平整； G、将夹具系统(3)固定在工作台(10)上； H、将厚度为左右水约束层(7)流入并覆盖在吸收层(8)表面； I、激光器(I)发出的脉冲激光经过聚焦透镜(2)聚焦后，在焦点附近形成的激光束(Ia)穿过金属网(5)微米尺度的微孔群，由于金属丝的遮挡作用，形成多束微米尺度的激光束(lb)，多束微细激光束(Ib)继续透过约束层(7)，辐照在吸收层(8)表面，吸收层(8)吸收激光能量产生等离子爆炸形成冲击波，约束层(7)用来延长等离子爆炸的维持时间以提高冲击波峰值压力和延长冲击波的持续时间，工件(9)表面在微米尺度的激光束(Ib)形成的冲击波作用下，产生塑性变形，形成微凹坑。
3.根据权利要求2所述的实施权利要求I所述的基于激光冲击波的高效微凹坑制造装置的方法，其特征在于，所述的金属网是编织网或蚀刻网，其材质对激光的吸收率较小，孔径按需要选取，并且可以经受激光辐照，当孔径变化超过其孔径1/10后，必须及时更换。
4.根据权利要求2所述的实施权利要求I所述的基于激光冲击波的高效微凹坑制造装置的方法，其特征在于，所述的垫块(6)放置于金属网下方，其厚度为广2. 5_。
5.根据权利要求2所述的实施权利要求I所述的基于激光冲击波的高效微凹坑制造装置的方法，其特征在于，所述的激光器为高能脉冲激光器，脉宽为5ns-30ns ;焦点位置光斑直径大于3_，并且此时光斑内激光功率密度不小于1GW/CM2。
6.根据权利要求2所述的实施权利要求I所述的基于激光冲击波的高效微凹坑制造装置的方法，其特征在于，所述的聚焦透镜为长焦距透镜，其焦距大于lm。
7.根据权利要求2所述的实施权利要求I所述的基于激光冲击波的高效微凹坑制造装置的方法，其特征在于，所述的吸收层，其材质是铝箔或者聚酯胶带，厚度大于150 y m，，能经受3次以上的激光辐照，其厚度必须小于250 u m。
8.根据权利要求2所述的实施权利要求I所述的基于激光冲击波的高效微凹坑制造装置的方法，其特征在于，所述的工作台通过控制系统实现X，Y方向的两轴联动。
全文摘要
本发明提供一种基于激光冲击波的高效微凹坑制造方法及装置。高能脉冲激光经过透镜聚焦后，透过金属网的微米尺度的微孔群，由于金属丝的遮挡作用，形成多束微米尺度的激光束，多束微细激光继续透过约束层，辐照在吸收层表面，吸收层吸收激光能量产生等离子爆炸形成高强度的冲击波，约束层用来延长等离子爆炸的维持时间以提高冲击波峰值压力和延长冲击波的持续时间，工件表面在微细激光束形成的强大冲击波作用下，产生塑性变形，形成微凹坑。
文档编号B23K26/067GK102626828SQ201210125119
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者任旭东, 张永康, 张磊, 戴峰泽, 王庆伟, 鲁金忠 申请人:江苏大学