一种在金属表面制造微凸点的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光微加工领域，尤其是一种在金属表面制造微凸点的方法。
【背景技术】
[0002] 具有微凸点形貌的金属表面在工业上具有非常广泛的应用。例如，在轧辊表面制 造高硬度的毛化凸点形貌，不仅可提高轧辊的使用寿命，而且可在轧制钢板表面制造出相 应的凹坑形貌，提高轧制钢板的冲压成形性能、表面映像清晰度和涂覆性能等；在冲压模具 表面相应位置设计并制造毛化凸点形貌，有助于改善成形过程中金属材料流动均匀性，提 高成形工艺性能和产品质量。目前，在金属材料表面加工微凸点形貌的方法主要有：机械 法、化学蚀刻术、电火花毛化等，上述方法都有一共同的缺点：所加工微形貌分布随机，无法 实现主动设计和控制。近年来，随着激光技术的发展，能够实现主动设计和制造的激光毛化 技术得到迅猛发展。激光毛化技术原理，用高能量密度（10 4-106W/cm2)脉冲激光束聚焦照 射到金属表面，形成若干微小熔池，然后在外界辅助气体压力或者自身材料气化形成的反 冲压力作用下，使熔池中的熔融物按指定要求堆积到熔池边缘形成圆弧形凸台，最终形成 凸起的表面形貌。
[0003] 激光毛化的技术优势是：可根据摩擦学优化设计结果，在金属表面可控地加工出 微凸点形貌。但是，为了保证形成微凸点形貌，必须在加工过程中仔细控制外界辅助气体的 吹气方向和压力，或者仔细选择作用激光的脉冲宽度，以便获得合适的气化反冲压力，只有 这样才能获得凸起形貌。因此，从可靠地实现金属表面凸起角度，传统的激光毛化工艺，具 有一定的工艺复杂性和不确定性。另一方面，传统的激光毛化工艺，金属表面毛化点的轮廓 形状由激光束内光强分布轮廓形状决定，常规激光器输出光斑一般为圆形，所以，传统激光 毛化工艺所制造的毛化凸点一般只能为圆形，无法获得其它形状的毛化凸点，如方形、人字 形、圆环形等等，因此，从这个意义上讲，传统的激光毛化工艺无法实现彻底的摩擦学优化 设计和制造。此外，激光冲击强化技术，只能强化金属表面，不能在金属表面制造凸起形貌； 而激光毛化技术，只能在金属表面制造凸起形貌，但是不能强化整个表面。
[0004] 中国专利CN201410439453. 4公开了一种激光冲击制造表面微凸起形貌的装置和 方法，同时实现了激光冲击表面改性和激光表面微造型，但无法得到所需形状、尺寸及分布 的凸起。
[0005] 机械工程学报中"轧辊表面微凸体形貌激光毛化技术的试验研宄" 一文公开了通 过控制激光参数研宄激光器加工轧辊表面微凸起形貌，但需要控制外界辅助气体来实现， 具有一定的工艺复杂性和不确定性。
[0006] 中国机械工程"激光毛化表面的摩擦学性能实验研宄"一文公开了在多功能摩擦 磨损试验机上进行了不同尺寸和分布的激光毛化形貌与光滑试样表面的摩擦学对比实验 研宄，但在激光毛化过程中一方面需要施加辅助气体，另一方面只能得到单一的球冠状毛 化形貌。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种在金属表面制造微凸点的方法，方 法简单，能可靠地现金属表面凸起角度，可得到任意形状的凸点，且同时实现了在金属表面 制造凸起形貌和强化金属表面。
[0008] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0009] 一种在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，包括
[0010] S1、在金属工件表面涂覆粘结层，在所述粘结层上加工多个通透的空穴，在所述粘 结层上贴覆吸收层，所述吸收层上方覆盖透明约束层；
[0011] S2、根据金属工件的硬度选取激光光束，所述激光光束透过透明约束层照射吸收 层，所述吸收层吸收激光能量，产生等离子体，所述等离子体产生高幅冲击波，所述高幅冲 击波经过所述粘结层形成透射冲击波，所述冲击波作用于所述金属工件表面，在所述金属 工件表面形成与所述空穴形状、尺寸和分布对应的微凸点。
[0012] 在上述方案中，所述金属工件为铜、铝或铝合金。
[0013] 在上述方案中，所述涂覆粘结层的方法为喷涂、刷涂或粘贴。
[0014] 在上述方案中，所述粘结层为耐高温硅胶、黑漆、凡士林、纸、双面胶，所述粘结层 的厚度为20y m~100 y m。
[0015] 在上述方案中，在所述粘结层上加工空穴的方法为激光刻蚀。
[0016] 在上述方案中，所述吸收层为错箔，所述吸收层的厚度为50ym~200ym。
[0017] 在上述方案中，所述透明约束层为无色透明的水或玻璃，所述透明约束层的厚度 为 1mm~5mm〇
[0018] 在上述方案中，所述激光光束的脉冲宽度为Ins~100ns，脉冲能量为至少1J，所 述激光产生光斑的直径为1mm~5_。
[0019] 本发明的有益效果：
[0020] (1)本发明所述的在金属表面制造微凸点的方法，不需要额外施加辅助气体，也不 需要仔细控制脉冲宽度，原理直观，工艺简单；
[0021] (2)本发明所述的在金属表面制造微凸点的方法，可以方便的在粘贴层设置空穴 的形状、大小和分布，通过该方法制造的微凸点形貌的轮廓形状、横向尺寸和分布位置完全 由空穴的形状、尺寸和分布决定，从而可以对金属工件表面的毛化微凸点阵列形貌进行彻 底地主动设计和主动设置；
[0022] (3)本发明所述的在金属表面制造微凸点的方法，在金属表面形成微凸点形貌的 同时，在激光冲击作用下表层材料也得到强化，进而提高整个金属表面的综合力学性能。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明所述的在金属表面制造微凸点的工艺结构示意图。
[0024] 图2为本发明所述的激光气化电离产生高幅冲击波的示意图。
[0025] 图3为本发明所述的透射波形成示意图。
[0026] 图4为本发明所述的透射波作用于金属表面形成微凸点的过程示意图。
[0027] 图5为本发明所述的金属表面微凸点的形貌示意图。
[0028] 图6为本发明所述的粘结层上点状微凹腔阵列示意图。
[0029]图7为本发明所述的金属表面制造的点状微凸点阵列形貌图。
[0030] 图8为本发明所述的粘结层上V型微凹腔阵列示意图。
[0031] 图9为本发明所述的金属表面制造的V型微凸点阵列形貌图。
[0032] 图10为本发明所述的粘结层上井字型微凹腔阵列示意图。
[0033] 图11为本发明所述的金属表面制造的井字型微凸点阵列形貌图。
[0034] 图12为图7中金属表面制造的点状微凸点阵列的局部硬度分布曲线。
[0035] 附图标记说明如下：1.金属工件；2.粘结层；3.空穴；4.吸收层；5.透明约束层； 6.激光光束；7.等离子体；8.高幅冲击波；9.透射冲击波；10.微凸点。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0037] 如图1，在金属工件1表面涂覆粘结层2,在粘结层2表面加工多个通透的空穴3， 将吸收层4贴覆于粘结层2上，然后在吸收层4上覆盖透明约束层5,得到表面处理后的金 属工件。
[0038] 如图2,激光光束6照射处理后的金属工件，激光光束6透过透明约束层5照射于 吸收层4,吸收层4吸收激光能量，在极短的时间内气化电离形成高温高压等离子体7,等离 子体7被约束层5约束，产生高幅冲击波8。
[0039] 如图3,由于粘结层2上具有多个通透的空穴3,即粘结层2由粘结材料与空穴3 构成，高幅冲击波8传至吸收层一粘结层截面，在吸收层一粘结材料界面的透射冲击波幅 值约等于
【主权项】
1. 一种在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，包括 51、 在金属工件（1)表面涂覆粘结层（2)，在所述粘结层（2)上加工多个通透的空穴 (3)，在所述粘结层（2)上贴覆吸收层（4)，所述吸收层（4)上方覆盖透明约束层（5); 52、 根据金属工件（1)的硬度选取激光光束(6)，所述激光光束（6)透过透明约束层 (5)照射吸收层（4)，所述吸收层（4)吸收激光能量，产生等离子体（7)，所述等离子体（7) 产生高幅冲击波（8)，所述高幅冲击波（8)经过所述粘结层（2)形成透射冲击波（9)，所述 透射冲击波（9)作用于所述金属工件（1)表面，在所述金属工件（1)表面形成与所述空穴 的形状、尺寸和形貌对应的微凸点（10)。
2. 如权利要求1所述的在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，所述金属工件（1) 为铜、铝或铝合金。
3. 如权利要求1所述的在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，所述涂覆粘结层 (2)的方法为喷涂、刷涂或粘贴。
4. 如权利要求1所述的在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，所述粘结层⑵为 耐高温硅胶、黑漆、凡士林、纸、双面胶，所述粘结层（2)的厚度为20ym~IOOym。
5. 如权利要求1所述的在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，在所述粘结层（2) 上加工空穴（3)的方法为激光刻蚀。
6. 如权利要求1所述的在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，所述吸收层（4)为 铝箔，所述吸收层（4)的厚度为50ym~200ym。
7. 如权利要求1所述的在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，所述透明约束层 (5)为无色透明的水或玻璃，所述透明约束层（5)的厚度为Imm~5mm。
8. 如权利要求1所述的在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，所述激光光束（6) 的脉冲宽度为Ins~100ns，脉冲能量为至少为1J，产生光斑的直径为Imm~5_。
【专利摘要】本发明提供了一种在金属表面制造微凸点的方法，属于激光微加工领域；依次在金属表面涂覆粘结层、在粘结层上打孔、贴覆吸收层和覆盖透明约束层，通过激光照射，吸收层吸收激光能量产生等离子体，等离子体产生高幅冲击波，高幅冲击波经过所述粘结层形成透射冲击波，冲击波作用于所述金属工件表面，在所述金属工件表面形成与所述空穴形状、尺寸和分布对应的微凸点；本发明所述方法简单，能可靠地现金属表面凸起角度，可得到任意形状的凸点，且同时实现了在金属表面制造凸起形貌和强化金属表面。
【IPC分类】B23K26-354, B23K26-18
【公开号】CN104842068
【申请号】CN201510167452
【发明人】叶云霞, 宣婷, 左慧, 王峰, 何海宾, 陶斯思
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月9日