阅读说明：本技术 激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法及加工系统 (Method and system for laser processing of composite micro-texture on surface of nodular cast iron material ) 是由 王志文 郑宏宇 袁伟 丛建臣 郭前建 张立国 张磊安 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法及加工系统,属于激光加工技术领域。本发明利用球墨本身在铸铁中随机均匀分布的特点,通过烧蚀球墨获得多种直径、深度分布的微坑阵列。通过调节激光参数获得理想尺寸比例的微坑分布。同时,利用激光重熔技术特点,在微坑周围区域同时获得更低粗糙度的表面,消除原有材料表面的微裂纹、划痕等缺陷。本发明提出的加工方法可以实现连续、一次性加工复合微织构表面,加工时可以同时消除材料原有划痕及微裂纹等缺陷。制备的复合微织构表面具有较小的摩擦系数,以及较高的抗磨损性能,本发明具有效率高、成本低的特点,可以实现流水线生产。(A method and a system for laser processing of a composite micro-texture on the surface of a nodular cast iron material belong to the technical field of laser processing. The invention utilizes the characteristic that the spherical graphite is randomly and uniformly distributed in the cast iron, and obtains the micro-pit array with various diameters and depth distribution by ablating the spherical graphite. And the distribution of the micro pits with ideal size proportion is obtained by adjusting laser parameters. Meanwhile, by utilizing the technical characteristics of laser remelting, a surface with lower roughness is obtained in the area around the micro-pits, and the defects of micro-cracks, scratches and the like on the surface of the original material are eliminated. The processing method provided by the invention can realize continuous and one-time processing of the composite micro-texture surface, and can simultaneously eliminate the defects of the original scratch, micro-crack and the like of the material during processing. The prepared composite micro-texture surface has a small friction coefficient and high abrasion resistance, and the invention has the characteristics of high efficiency and low cost and can realize flow line production.)

激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法及加工系统

技术领域

激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法及加工系统，属于激光加工技术领域。

背景技术

利用激光加工技术制备微织构是目前改善摩擦磨损性能的方法之一，通过激光加工可以在材料表面制备微凹坑、微凹槽、微凸体等微织构阵列。制备的微织构阵列在干摩擦、乏油润滑以及流体润滑条件下均可以减少摩擦系数、提高抗磨损性能。目前已有大量研究报道了利用激光加工技术制备单一尺寸的微织构表面，已经报道的表面织构类型包括正六边形微凸体、方形凸体、圆形凹坑、方形凹坑、平行凹槽、交叉网状凹槽等，如图3文献中已报道的微织构阵列类型所示。

由于微织构表面可以储油、容纳磨损中产生的磨粒、形成动压润滑效应，因此，具有微织构可以极大减小摩擦副的摩擦系数，并提高抗磨损性能。但目前利用激光加工微织构阵列（如微坑阵列）均为单个顺序式加工，加工效率较低。

研究表明，同时具有不同尺寸微织构阵列的复合微织构阵列可以获得更好的摩擦磨损性能。目前激光加工技术无法一次性、连续的制备多种尺寸的复合微织构阵列。对于复合微织构表面，目前利用激光加工所采用的方法为多次加工，每次加工某一种尺寸的微织构阵列，加工效率较低，工艺较复杂。激光制备复合微织构表面技术的发展受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服目前现有技术的不足，提供一种基于激光加工技术、针对球墨铸铁材料、一次性制备多种尺寸的复合微织构表面、有效改善材料的摩擦磨损性能的激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法及加工系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法及加工系统，其特征在于：加工材料为球墨铸铁材料，加工系统包括激光器[1]、光电快门[2]、扩束镜[3]、反射镜[4]、位移台[9]、夹具[10]、聚焦装置。其中聚焦装置可为聚焦透镜[6]，或扫描振镜[11]。

激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法及加工系统，其特征在于，包括以下步骤：工件[8]为球墨铸铁材料，首先对工件进行抛光并清洗，使表面光滑无污染，工件表面可以为平面型表面或曲面型表面，然后对工件进行装夹，工件的装夹可以为固定式装夹或绕固定轴旋转式装夹，使待加工区域与激光器[1]发射的激光正入射方向垂直，最后进行调节激光参数，激光经过光电快门[2]、扩束镜[3]、反射镜[4]、聚焦装置后入射到工件表面，其中激光可以为连续式激光或脉冲式激光，聚焦装置可以为振镜或聚焦透镜。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：本发明基于激光重熔技术，在球墨铸铁材料表面加工复合微织构，提高材料的摩擦磨损性能。利用球墨本身在铸铁中随机均匀分布的特点，通过烧蚀球墨获得多种直径、深度分布的微坑阵列。通过调节激光参数获得理想尺寸比例的微坑分布。同时，利用激光熔融技术特点，在微坑周围区域同时获得更低粗糙度的表面，消除原有材料表面的微裂纹、划痕等缺陷。本发明提出的加工方法具有效率高、成本低的特点，可以实现连续、一次性加工复合微织构表面，加工时可以同时消除材料原有划痕及微裂纹等缺陷。本发明可以减小摩擦系数，并提高抗磨损性能，可以实现流水线生产。

附图说明

图1是实施例1的激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构加工系统示意图。

图2是实施例2的激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构加工系统示意图。

图3是文献中已报道的微织构阵列类型图。

图4是本发明处理的球墨铸铁材料表面微织构图。

图中：1、激光器； 2、光电快门；3、扩束镜；4、反射镜；5、计算机控制系统；6、聚焦透镜；7、CCD；8、工件；9、位移台；10、夹具；11、扫描振镜；12、f-θ镜。

具体实施方式

附图1-2是本发明的最佳实施例，下面结合图1-2对本发明做进一步说明。

实施例1。

参照图1：激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构加工系统，为有聚焦透镜的加工系统，包括激光器[1]、光电快门[2]、扩束镜[3]、反射镜[4]、计算机控制系统[5]、聚焦透镜[6]、CCD[7] 、工件[8]、位移台[9]和夹具[10]。计算机控制系统[5]分别通过线路连接激光器[1]、光电快门[2]、CCD[7] 和位移台[9]。

激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法，包括以下步骤。

（1）准备好工件[8]，工件材料为QT900-5，首先用砂纸打磨表面，使表面无毛刺，表面光滑。采用丙酮、乙醇、水各超声清洗1-3分钟，使其表面无油污、颗粒等污染。

（2）采用夹具[10]固定在位移台[9]上，使工件[8]表面与激光入射方向垂直。

（3）采用短脉冲激光器[1]，并调节激光参数。功率为70-80W，脉宽为2ns，重复频率为1MHz-5MHz，通过聚焦透镜[6]将激光聚焦于工件[8]表面。

（4）通过控制位移台[9]移动实现激光对工件[8]的扫描，扫描速度为1m/s-4m/s，扫描间隔为0.01mm-0.03mm，扫描方式为单向扫描。

实施例2。

参照图2：激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构加工系统，为有聚焦透镜的加工系统，包括激光器[1]、光电快门[2]、扩束镜[3]、反射镜[4]、计算机控制系统[5]、CCD[7] 、工件[8]、以位移台[9]、扫描振镜[11]和f-θ镜[12]。计算机控制系统[5]分别通过线路连接激光器[1]、光电快门[2]、CCD [7]、位移台[9]以及扫描振镜[11]。

激光加工球墨铸铁材料表面复合微织构方法，包括以下步骤。

（1）准备好工件[8]，工件[8]材料为QT900-5，首先用砂纸打磨表面，使表面无毛刺，表面光滑。采用丙酮、乙醇、水各超声清洗1-3分钟，使其表面无油污、颗粒等污染。

（2）采用夹具[10]固定在位移台[9]上，使工件[8]表面与激光入射方向垂直。

（3）采用短脉冲激光器[1]，并调节激光参数。功率为70-80W，脉宽为300ps，重复频率为1MHz-5MHz。通过扫描振镜[11]及f-θ镜[12]将激光聚焦于工件[8]表面。

（4）通过振镜扫描的方式加工待加工区域。扫描速度为1m/s-4m/s，扫描间隔为0.01mm-0.03mm，扫描方式为单向扫描。

采用光学显微镜观察工件[8]表面，对表面微织构测量并统计，如图4所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。