一种微纳结构激光成形装置及成形方法

本发明涉及激光微加工设备，特别是涉及一种微纳结构激光成形设备及成形方法。

背景技术：

金属材料表面进行微/纳结构化，不仅可发挥金属材料本身的固有性能，更重要的是，微/纳复合结构具有特殊的功能属性，如，疏水性、减磨性、抗菌性等，已广泛应用于功能零部件的制造。激光作为一种绿色高能束，其照射材料表面会致使微区材料内部温度上升直至熔化/气化的过程。与传统加工技术相比，激光加工技术具有加工生产效率高、材料浪费少、材料适应性强、制造柔性高、材料影响区小等优点，己成为微结构材料的一种重要成形手段。

现有金属材料表面激光成形微/纳结构技术中，主要可归纳为两方面：一是，通过成形装备的设计实现微/纳结构的制造。二是，通过采用飞秒激光器作为热源，侧重激光成形工艺研究。而现有技术的共性特点是直接将激光热源作用于材料表面，依靠热源将材料熔化/气化，形成凹坑等微结构。在微结构的激光加工过程中，激光束与材料作用后形成液态熔池，熔池内的对流使得液态材料自熔池底部向上部迁移，在熔池边缘堆积、氧化与凝固，最终导致微孔内部或附近存在大量熔渣。上述技术中均出现该种现象，直接影响后续微纳结构的性能。因微孔尺寸的限制，一定程度上难以直接使用有效方法以消除。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中激光制造材料表面微/纳结构存在的不足，本发明的目的之一是提供一种微纳结构激光成形装置，可以实现微/纳孔结构的制造成形过程中的表面自清洁，得到成形清洁的微/纳结构，以避免影响后续微纳结构的性能；本发明的目的之二是提供一种水气耦合表面自清洁微纳结构激光成形装置的成形方法。

技术方案：本发明提供的一种微纳结构激光成形装置，包括控制系统和水气耦合约束激光系统，控制系统用于控制激光系统的成形；水气耦合约束激光系统包括水气耦合通道环、喷嘴和激光头，水气耦合通道环包括水通道和气通道，气通道设置于水通道的外侧；激光头安装于水气耦合通道环的中心位置，激光头的底部设有喷嘴，喷嘴的中心位置设有供激光束通过的激光束通道，激光束通道的外侧设有环状水柱通道，水通道的出口与水柱通道相连通，气通道的出口位于喷嘴底部的外侧，使喷嘴底部形成从内向外依次设置的激光束、水柱环和气体保护层。即喷嘴底端的中心出射激光束，激光束外围出射水柱，而保护气体从喷嘴底端外围喷出。

其中，水通道的入口处设有进水阀，气通道的入口处设有进气阀。可选的，控制系统控制进水阀和进气阀的打开和关闭，以及控制水柱环的压力和流速，以及气体的压力和流速。

上述成形装置还包括基座和成形工作台，水气耦合约束激光系统和成形工作台安装于基座上，基座安装有第一驱动装置、第二驱动装置；控制系统控制第一驱动装置带动水气耦合约束激光系统升降，以及控制第二驱动装置带动成形工作台平移。进一步地，所述第一驱动装置包括升降步进电机，驱动水气耦合约束激光系统升降运动；所述第二驱动装置包括横向平动步进电机和纵向平动步进电机，驱动成形工作台在平面内的平移。

优选地，为进一步形成水/气耦合的自清洁环境，成形工作台的出水口依次有过滤器、增压水泵相连通，增压水泵的进水端与过滤器相连通，出水端与压力水道相连通，压力水道的另一端与水通道相连；成形过程中，将成形工作台内去离子水中的杂质进行过滤，经过滤的去离子水在增压水泵驱动下经压力水道和进水阀送入水气耦合通道环。惰性保护气体经进气阀通入水/气耦合通道环内，在水柱喷嘴外围形成保护气氛。

本发明还提供一种水气耦合表面自清洁微纳结构激光成形装置的成形方法，该成形方法包括如下步骤：

(1)将零件置于成形工作台上，并使零件的待处理表面与激光头轴线相垂直；

(2)开启激光头，控制系统进行激光对焦，并使零件的初始加工零点置于激光头的正下方；

(3)开启进水阀，向水通道通入带有压力的去离子水，到达水柱喷嘴，形成包覆激光束的水柱环；开启进气阀，向气通道通入惰性保护气体，在压力水柱外围形成惰性气体保护层；成形过程中，对后续激光加工微区的熔渣在保护气氛环境下进行冲刷；

(4)设定微纳结构(微纳孔)的平面加工路径，控制系统控制成形工作台按照设定的路径进行平移运动，直至成形零件加工结束。

上述步骤(1)中，零件的材质为钛合金或镍钛合金，成形加工前清洗零件。

上述步骤(3)中，惰性保护气体为氮气或氩气；进一步地，根据微纳结构的自清洁效果，调节水柱环的压力和流速；根据成形速率，调节惰性保护气体的流速和压力。

发明原理：高能飞秒激光束与金属材料作用后液态熔体堆积在微孔边缘堆积，氧化凝固后与金属材料结合强度高，且微孔尺寸较小，难以有效清除，严重影响微/纳结构的服役。本发明的成形装置在激光束外围依次形成压力水柱和保护气氛以约束激光至成形材料表面，在保护气氛中，压力水柱对加工微区内熔渣等加工产物的冲刷，成形清洁的微/纳结构，有效解决自清洁微/纳孔结构的制造，显著简化了成形工艺，提高了成形质量与效率。

本发明基于光学原理及激光加工过程特性，因气体与去离子水的折射率差异，在激光束外围设置压力去离子水柱，约束激光束，对熔池内跃迁至微孔边缘的熔体快速凝固后被带离成形区域；同时在去离子水水柱外围设置惰性气体保护层，为避免微/纳孔结构在激光成形过程中高温液态熔体与空气中氧的结合而发生氧化，进而一步法实现了自清洁微/纳孔结构的制造。

本发明是一种水/气耦合辅助激光制造表面自清洁微/纳孔结构装置，该装置可根据微/纳结构孔的尺寸及所形成高温液态熔池量，调节去离子水柱的压力和流速，以控制对微/纳结构孔的自清洁能力。同时可根据成形速率的快慢，调节保护气体的流速及压力，确保激光加工前沿有足够的惰性气体填充保护，避免氧化。

有益效果：

(1)本发明基于光学原理及激光加工过程熔池内熔体运动行为，设计了水/气耦合约束激光系统，采用去离子水约束激光的反射，聚焦能量对材料微区结构的成形，且压力去离子水柱对微区产物的快速凝固与冲刷作用，形成自清洁结构；同时离子水柱外围保护气层能避免激光束加工前沿液态熔池的氧化，有效避免熔体氧化粘结与微孔结构边缘和表面，实现材料表面微/纳孔结构的激光自清洁制造。

(2)本发明在水/气的耦合作用下，一步法获得自清洁微/纳结构，操作简单、高效、成本低廉，避免后续复杂的表面清洁工艺处理，具有广阔的应用前景。

(3)本发明可实现高质量微纳结构的制造成形，微纳结构的表面质量佳，综合性能优异。

附图说明

图1是本发明的成形装置的外部结构三维图；

图2是本发明的水气耦合约束激光系统的外部结构三维图；

图3是本发明的水气耦合约束激光系统的内部结构示意图；

图4是本发明的水气耦合约束激光系统的喷嘴示意图；

图5是水气耦合约束激光系统的喷嘴内部结构示意图；

图6是实施例成形镍钛合金表面微/纳多孔结构表面形貌图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

本发明提供的一种微纳结构激光成形装置，其包括控制系统和基座，基座上安装有水气耦合约束激光系统4和成形工作台6。如图1所示，运动控制系统包含升降步进电机1、横向平动步进电机10、纵向平动步进电机11，分别驱动控制激光系统4的升降运动、成形工作台6在平面内的平移运动。本实施例中的水气耦合约束激光系统4安装于h型架5上，h型架5上部设有升降步进电机1，驱动水/气耦合约束激光系统4沿升降步进电机1的轴线作升降运动，便于后续激光头13的对焦。成形工作台6底部设有横向平动步进电机10与纵向平动步进电机11作为伺服驱动装置，驱动成形工作台6在平面内的平移，便于材料表面微/纳结构的连续加工。

水气耦合约束激光系统4包括激光头13、水气耦合通道环16、进水阀18、进气阀14、密封垫圈15和喷嘴17，如图2所示，水气耦合通道环16的外部构造大致呈上部圆柱体和下部圆台状结构，下部结构的直径逐渐减小，激光束从圆台状结构的底部中心位置出射。

如图3所示，水气耦合通道环16包括水通道19和气通道20，气通道20设置于水通道19的外侧。激光头13安装于水气耦合通道环16的中心位置，激光头13的上方设有连接用的光纤2，激光头13的底部安装有喷嘴17，喷嘴17竖直方向安装，且位于下部圆台状结构的中心位置。

如图4、5所示，喷嘴的中心位置设有供激光束通过的激光束通道21，激光束通道的外侧设有环状水柱通道22，激光束通道21和水柱通道22沿竖直方向设置。气通道20和水通道19均为环状，均设有竖直段和倾斜段，两段相连通，且倾斜段位于竖直段的下方。水通道19和气通道20的入口均设于顶部，入口处分别设有进水阀18和进气阀14，进气阀14与通气管道3相连，通气管道3用于将气体通入气通道20。水通道19的出口位于水通道的底部，水通道19的出口与喷嘴17的水柱通道22的顶部相连通；气通道20的出口位于气通道的底部，且位于喷嘴底部的外侧，从而使得喷嘴底部形成从内向外依次设置的激光束、水柱环和气体保护层。即如图4所示，喷嘴17中心的小直径圆环内部供激光束通过，外侧的大直径圆环为从进水阀18进入水的水柱通道22，直至喷嘴17的底端，为保证去离子水不发生泄露，在激光头13与水气耦合通道环16间设置了密封垫圈15，保护气氛经进气阀14进入环形的气通道20到达水气耦合通道环16底部，从而在水柱喷嘴17外侧形成保护气氛环境。

成形过程中，惰性气体(如氩气或氮气)经进气阀14通入水气耦合通道环16的气通道20，去离子水经进水阀18通入水气耦合通道环16的水通道19，喷嘴17底部出射激光束的同时，在激光束歪歪形成水柱环，在水柱环的外环形成惰性气体保护气氛；即在激光束外围(由内及外)形成去离子水柱层和惰性气体保护层。

其中，成形工作台6的底部设有出水口，出水口依次连接有出水管道7、过滤器8、增压水泵9，增压水泵9的进水端与过滤器8相连通，增压水泵9的出水端与压力水道12的进水端相连通，压力水道12的出水端与水通道19相连通。成形过程中，可以采用过滤器8过滤成形工作台6内去离子水中的杂质，经过滤的去离子水在增压水泵9驱动下经压力水道12和进水阀18送入水/气耦合通道环16，进一步循环利用去离子水。

本发明中的水气耦合辅助激光制造表面自清洁微/纳孔结构的成形方法，可通过如下步骤实现：

步骤一：将钛合金或镍钛合金依次在丙酮、无水乙醇中各超声清洗10min，然后将其水平固定于成形工作台6内，保持与激光头13轴线垂直；

步骤二：开启激光头13，控制系统调节升降步进电机1进行激光对焦；

步骤三：调节横向平动步进电机10与纵向平动步进电机11使钛合金或镍钛合金初始加工零点置于激光头13下方；

步骤四：先开启增压水泵9，驱动去离子水经压力水道12和进水阀18而送入水/气耦合通道环16，到达水柱喷嘴17，形成去离子水柱环而包覆激光束；开启进气阀14，通入氩气保护气，在压力水柱外围形成保护气氛，保护材料微区的激光加工前沿的氧化，同时对后续激光加工微区的熔体在保护气氛环境下进行快速凝固与冲刷；

步骤五：按照微结构孔的平面加工路径，使横向平动步进电机10与纵向平动步进电机11驱动成形工作台6按照其路径进行平面移动，直至成形零件加工结束。

本实施例中未详细描述之处，均可采用现有技术轻易实现。其中，通入气通道的气体压力为0.1～0.2mpa，通入水通道的去离子水压力0.4～1mpa；成形过程中，控制系统可根据实际需要进行调整。

本发明的微纳结构激光成形装置及成形方法实现了活性钛合金或镍钛合金表面自清洁微/纳孔结构的制造，表面质量较高。如图6所示，采用本发明的水气耦合微纳结构激光成形装置，在niti合金表面成形的微/纳孔结构，不仅有去离子水对熔渣的冲刷，更重要的是该装置具有惰性气体保护功能，有效避免niti合金的氧化，降低了熔渣的形成量，最终可成形表面质量较高的微/纳多孔结构。