阅读说明：本技术 一种金属表面先削峰后填谷的蒸发-熔凝复合激光抛光方法 (Evaporation-fusion composite laser polishing method for metal surface with peak clipping and valley filling ) 是由 王梁 黄锦榜 姚建华 吴国龙 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种金属表面先削峰后填谷的蒸发-熔凝复合激光抛光方法,引入纳秒脉冲激光对大粗糙度表面进行削峰处理,再利用连续激光熔凝填充谷底的方式来对大粗糙度表面进行复合激光抛光,以防止微裂纹的产生；由于纳秒激光的脉宽极短,故多次扫描不会造成严重的热影响,作用后表面光亮、微观表面高峰被削低,接着再用连续激光熔凝,使材料熔化流动填充谷底,最终得到平整又光亮的无微观热裂纹的抛光表面,本发明抛光效率高,环境友好。(The invention provides an evaporation-fusion composite laser polishing method for metal surfaces, which comprises the steps of firstly carrying out peak clipping treatment on a large-roughness surface by introducing nanosecond pulse laser, and then carrying out composite laser polishing on the large-roughness surface by using a mode of filling valley bottoms by continuous laser fusion so as to prevent microcracks; because the pulse width of the nanosecond laser is extremely short, serious heat influence cannot be caused by multiple times of scanning, the surface is bright after the action, the peak of the microscopic surface is reduced, and then continuous laser melting is carried out, so that the material is melted, flows and fills the valley bottom, and a smooth and bright polished surface without the microscopic heat cracks is obtained.)

一种金属表面先削峰后填谷的蒸发-熔凝复合激光抛光方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面先削峰后填谷的蒸发-熔凝复合激光抛光方法。

背景技术

激光抛光是随着激光技术的发展而出现的一种新型材料表面处理技术，它的基本原理是使用一定能量密度和波长的激光束辐照特定工件，使其表面一薄层物质熔化或蒸发而获得光滑表面。由于激光抛光只在微米厚度的材料层上发生作用，因而相对一般的激光束加工金属具有更高的加工精度。该方法由于不需要任何机械研磨剂和抛光工具，可以抛光用传统抛光方法很难或根本不可能抛光的、具有非常复杂形貌的表面，并且还提供自动化加工的可能性，故相较于传统抛光具有环境污染小、抛光精度高、抛光材料范围广泛、微小区域抛光等突出优点。

目前，激光抛光的机理只以熔化为主，一种是SSM，表面浅熔；另一种是SOM，表面深熔。SSM主要针对的是原始粗糙度值就较低的表面进行抛光，而SOM主要针对原始粗糙度值较高的表面进行抛光。当对原始粗糙度值较高的表面进行激光抛光时，由于连续激光抛光扫描次数的增加会造成持续的能量输入，并且在激光作用的快热快冷过程中，脆硬材料表面会形成微观热裂纹，从而影响金属的表面性能。

发明内容

为了防止连续激光多次抛光造成金属表面热裂纹而影响材料性能，本发明提供了一种金属表面先削峰后填谷的蒸发-熔凝复合激光抛光方法。引入纳秒脉冲激光对大粗糙度表面进行削峰处理，再利用连续激光熔凝填充谷底的方式来对大粗糙度表面进行复合激光抛光，以防止微裂纹的产生。由于纳秒激光的脉宽极短，故多次扫描不会造成严重的热影响，作用后表面光亮、微观表面高峰被削低，接着再用连续激光熔凝，使材料熔化流动填充谷底，最终得到平整又光亮的无微观热裂纹的抛光表面。

本发明的技术方案如下：

一种金属表面先削峰后填谷的蒸发-熔凝复合激光抛光方法，包括如下步骤：

步骤一、对待抛光金属工件的表面进行清洗、干燥预处理，然后放置于持续通入氩气且上部安装有镀膜透镜的气氛保护箱内并固定；

所述待抛光金属工件的材料为不锈钢、工具钢、高温合金等，例如304、316L、SKD11、Inconel 718等；

所述气氛保护箱内持续通入氩气以防止金属表面氧化而影响抛光质量，通入氩气的气流量为5～30L/min；

所述气氛保护箱上部安装有透过193～1064nm波长激光的镀膜透镜；

步骤二、将气氛保护箱放置于激光加工系统工作台上，确定激光选区抛光的位置、抛光区域的尺寸以及抛光区域的扫描填充方式，设定纳秒脉冲激光削峰抛光的工艺参数，对表面进行削峰抛光扫描处理；

具体的，所述抛光区域为长度3～40mm，宽度3～40mm尺寸范围内的任意图形区域；

所述抛光区域的扫描填充方式为从左往右横向扫描、从上往下纵向叠加，纵向叠加搭接率为50％～90％；

所述纳秒脉冲激光削峰抛光的工艺参数为：激光波长193～1064nm，激光功率80～200W，激光扫描速度100～2000mm/s，激光重复频率66～2000kHz，激光脉宽10～400ns；

所述纳秒脉冲激光削峰抛光的扫描次数为4～12次；

步骤三、设定连续激光填谷抛光的工艺参数，对削峰抛光后的低峰表面进行熔凝填谷抛光扫描处理；

抛光区域尺寸、抛光区域的扫描填充方式与步骤二中相同；

所述连续激光填谷抛光的工艺参数为，激光波长193～1064nm，激光功率100～500W，激光扫描速度100～500mm/s；

所述连续激光填谷抛光的扫描次数为1～2次。

相对其他抛光工艺，本发明提供一种金属表面先削峰后填谷的蒸发-熔凝复合激光抛光方法，其优点包括：

(1)本发明抛光效率高，不污染环境；

(2)本发明利用纳秒激光具有极短脉宽的特点，来减少对抛光基体材料的热输入；

(3)由于采用了纳秒脉冲激光进行削峰，本发明显著减少了单一连续激光重熔填谷的次数，改善了单一连续激光多次熔凝大粗糙度表面造成微裂纹的缺点。

附图说明

图1是实施例1或2中工件待抛光大粗糙度表面示意图。

图2是实施例1或2中初始大粗糙度表面的表面形貌图。

图3是实施例1中单纯激光重熔抛光的表面形貌图。

图4是实施例2中脉冲激光削峰抛光的表面形貌图。

图5是实施例2中蒸发-熔凝复合抛光的表面形貌图。

具体实施方式

下面通过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仅限于此。

实施例1金属表面单一连续激光抛光方法

选取如图1所示尺寸大小为100mm×60mm×10mm的316L不锈钢块，其表面1为型号DK77-30电火花数控线切割机床切制的大粗糙度表面，对其进行清洗、干燥预处理，并对其进行表面表征，表征结果如图2所示。

将工件置于气氛保护箱中，进行单一连续激光抛光，设置连续激光参数：激光波长1064nm，激光功率500W，扫描速度500mm/s，扫描区域10mm×10mm，扫描线间距0.04mm，扫描次数6次，扫描填充方式为从左往右横向扫描、从上往下纵向叠加，纵向叠加搭接率为67％，表面表征结果如图3所示，单一连续激光抛光处理后表面存在许多微观热裂纹。

实施例2金属表面先削峰后填谷的蒸发-熔凝复合激光抛光方法

选取如图1所示尺寸大小为100mm×60mm×10mm的316L不锈钢块，其表面1为型号DK77-30电火花数控线切割机床切制的大粗糙度表面，对其进行清洗、干燥预处理，并对其进行表面表征，表征结果如图2所示。

将工件置于气氛保护箱中，进行蒸发-熔凝复合激光抛光，设置脉冲激光参数：激光波长1064nm，激光功率100W，扫描速度1000mm/s，重复频率500kHz，脉宽10ns，扫描区域10mm×10mm，扫描线间距0.05mm，扫描次数8次，扫描填充方式为从左往右横向扫描、从上往下纵向叠加，纵向叠加搭接率为50％，对大粗糙度表面进行削峰抛光处理，削峰抛光的表面表征结果如图4所示，微观高峰都被削减，谷部依旧存在。

再设置连续激光参数：激光波长1064nm，激光功率500W，扫描速度500mm/s，扫描区域10mm×10mm，扫描线间距0.04mm，扫描次数2次，扫描填充方式为从左往右横向扫描、从上往下纵向叠加，纵向叠加搭接率为67％，对削峰抛光后表面进行熔凝填谷抛光处理，最终表面表征结果如图5所示，表面平整且无明显微观热裂纹。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。