專(zhuān)利名稱(chēng)：移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)的脈沖微弧放電方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光誘導(dǎo)脈沖微弧放電方法，尤其涉及一種移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)的脈沖微弧放電方法及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
自從激光誘導(dǎo)放電(LGD)現(xiàn)象在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)后，很多人對(duì)激光等離子體與電場(chǎng)的相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究，同時(shí)此現(xiàn)象在材料加工上的應(yīng)用已經(jīng)有了報(bào)道。例如，在大氣環(huán)境下利用脈沖CO2激光誘導(dǎo)放電在鋁箔上進(jìn)行了打孔實(shí)驗(yàn)，在低氣壓下使用532倍頻YAG激光進(jìn)行了刻字和加工工件內(nèi)部的研究。打孔和刻蝕是利用激光誘導(dǎo)放電的高峰值功率對(duì)材料進(jìn)行去除加工，同時(shí)利用激光誘導(dǎo)放電的熱效應(yīng)進(jìn)行材料表面強(qiáng)化也是一個(gè)研究方向。目前，現(xiàn)有的激光誘導(dǎo)放電材料表面強(qiáng)化技術(shù)方法使用固定激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)放電。例如，中國(guó)專(zhuān)利:申請(qǐng)?zhí)?00510132763.2，發(fā)明名稱(chēng):高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的方法及該方法的應(yīng)用。例如，中國(guó)專(zhuān)利:申請(qǐng)?zhí)?00510132765.1，發(fā)明名稱(chēng):軋輥表面高重頻脈沖激光誘導(dǎo)電極定向放電的毛化裝置。在固定激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)放電過(guò)程中，高峰值功率激光脈沖聚焦在陽(yáng)極表面 形成局部高電離區(qū)，陽(yáng)極斑點(diǎn)的位置受到該區(qū)域的誘導(dǎo)被固定，電弧壓力隨之增大。軋輥表面熔化的金屬在電弧壓力作用下形成凹坑和凸起，產(chǎn)生了表面起伏。為了保證軋輥表面的光潔度，需要磨削后使用。顯然淺的凹坑和矮的凸起將減少后期磨削量，增大有效強(qiáng)化深度。因此要求在保證強(qiáng)化點(diǎn)設(shè)定分布和輸入能量的前提下，降低電弧壓力，獲得相對(duì)平坦的強(qiáng)化表面，滿(mǎn)足工件表面強(qiáng)化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有的固定激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)放電的方法電弧壓力較大的缺陷，提出一種移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)的脈沖微弧放電方法及其應(yīng)用，以滿(mǎn)足材料表面強(qiáng)化的要求。為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:使用工具電極和工件構(gòu)成電極對(duì)，激光脈沖聚焦在工件表面形成高電離區(qū)，誘導(dǎo)工具電極向高電離區(qū)放電；同時(shí)激光焦點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的頻率和路徑移動(dòng)，放電點(diǎn)受到高電離區(qū)的誘導(dǎo)隨著激光焦點(diǎn)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)放電點(diǎn)可控的、有序的運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步，所述工具電極軸線(xiàn)與工件表面法線(xiàn)具有夾角A，工具電極軸線(xiàn)與激光束具有夾角B;其中，0°≤A≤45°，40?！蹷彡50°。進(jìn)一步，信號(hào)發(fā)生器同步控制激光器和放電電源發(fā)出激光脈沖和放電脈沖，電極間隙在激光誘導(dǎo)下被擊穿形成電弧放電，同時(shí)可使用氬氣進(jìn)行保護(hù)。進(jìn)一步，通過(guò)控制激光焦點(diǎn)的掃描面積來(lái)控制平均電弧壓力。進(jìn)一步，通過(guò)移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)放電，可以將電弧壓力分布從尖頂變?yōu)槠巾敚瑥亩档碗娀毫?。進(jìn)一步，通過(guò)移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)放電，可以獲得較為平坦的強(qiáng)化表面，減小后期磨削量，增大有效強(qiáng)化深度。進(jìn)一步，通過(guò)在工件表面添加合金粉末，改變強(qiáng)化點(diǎn)的化學(xué)成分，獲得不同性能的強(qiáng)化點(diǎn)。例如:添加碳，增加強(qiáng)化點(diǎn)的硬度。一種如上任意一項(xiàng)所述移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)的脈沖微弧放電方法的應(yīng)用，可用于金屬軋輥的表面離散強(qiáng)化處理。采用本發(fā)明的方法后，可在金屬軋輥表面形成離散分布的強(qiáng)化點(diǎn)，同時(shí)獲得相對(duì)平坦的軋輥表面。該方法通過(guò)調(diào)整放電參數(shù)可以控制強(qiáng)化點(diǎn)直徑和深度，通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)可以控制強(qiáng)化點(diǎn)的分布，通過(guò)添加合金粉末可以控制強(qiáng)化點(diǎn)性能。該方法使用小能量的激光沖來(lái)觸發(fā)和誘導(dǎo)放電，整個(gè)加工過(guò)程以放電能量為主，能量轉(zhuǎn)換效率高。同時(shí)，激光誘導(dǎo)克服了放電的隨機(jī)性，放電點(diǎn)和激光焦點(diǎn)重合，實(shí)現(xiàn)了加工點(diǎn)的設(shè)定分布。與面狀強(qiáng)化相比，該離散強(qiáng)化金屬軋輥方法在保留基體韌性的前提下形成高硬度的強(qiáng)化點(diǎn)，既提高了表面的耐磨性和疲勞性能，又減小了熱輸入，不需要復(fù)雜的工藝措施就能夠避免工藝裂紋的產(chǎn)生。


圖1為本發(fā)明的原理圖；圖2為本發(fā)明激光焦點(diǎn)移動(dòng)方式說(shuō)明圖；圖3本發(fā)明實(shí)施例的電弧壓力分布和固定激光焦點(diǎn)電弧壓力分布比較的示意圖；其中，1-工具電極，2-工件，3-激光，4-電弧，5-激光焦點(diǎn)，6_放電點(diǎn)，7_激光焦點(diǎn)移動(dòng)路徑，8-強(qiáng)化點(diǎn)，9-透鏡，10-掃描振鏡，11-掃描振鏡的擺動(dòng)方向，A-工具電極軸線(xiàn)與工件表面法線(xiàn)的夾角，B-工具電極軸線(xiàn)與激光束的夾角。
具體實(shí)施例方式下文中將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，本申請(qǐng)中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互任意組合。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:使用工具電極和工件構(gòu)成電極對(duì)，激光脈沖聚焦在工件表面形成高電離區(qū)，誘導(dǎo)工具電極向高電離區(qū)放電；同時(shí)激光焦點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的頻率和路徑移動(dòng)，放電點(diǎn)受到高電離區(qū)的誘導(dǎo)隨著激光焦點(diǎn)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)放電點(diǎn)可控的、有序的運(yùn)動(dòng)。這樣在保證放電位置設(shè)定分布的前提下，通過(guò)控制激光焦點(diǎn)的掃描面積對(duì)電弧壓力實(shí)施控制，從而在相同的輸入能量下，降低工件表面起伏，減少后期磨削量，增大有效強(qiáng)化深度。如圖1所示，圓柱形的工具電極1和工件2構(gòu)成電極對(duì)，工具電極I為負(fù)極，工件2為正極并接地。工具電極軸線(xiàn)與工件表面法線(xiàn)具有夾角A，工具電極軸線(xiàn)與激光束具有夾角B;其中，0°≤A≤45°，40°≤B≤50°。在本實(shí)施例中，工件2為軋輥，工具電極I垂直工件2，即A=0°。在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，A=30°。調(diào)整工具電極I和軋輥2表面的距離，例如:小于1mm，保證電極之間能形成自由放電電弧4。如圖2所示，激光3通過(guò)一維掃描振鏡10反射后，使用透鏡9聚焦在軋輥2表面。激光3與工具電極I成一定夾角度B，例如:45度。
信號(hào)發(fā)生器同步控制激光器和放電電源發(fā)出激光脈沖和放電脈沖。在激光焦點(diǎn)5的誘導(dǎo)作用下放電點(diǎn)6與激光焦點(diǎn)5重合，實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)放電。力口工能量由放電電源通過(guò)控制脈沖放電寬度和脈沖放電電流來(lái)提供?！S掃描振鏡10在計(jì)算機(jī)軟件和相關(guān)電路控制下按照一定的擺動(dòng)方向11和頻率運(yùn)動(dòng)，激光焦點(diǎn)5隨之沿一定路徑、以一定的頻率發(fā)生移動(dòng)。放電點(diǎn)6在激光焦點(diǎn)5的誘導(dǎo)下也隨之發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)兩維掃描振鏡配合使用時(shí)，可以控制激光焦點(diǎn)的兩維位置，從而通過(guò)激光焦點(diǎn)5誘導(dǎo)放電點(diǎn)6移動(dòng)，控制放電面積8。激光焦點(diǎn)5的掃描面積8被加熱，并形成熔凝區(qū)。隨后，經(jīng)自淬火冷卻，也就是熔凝區(qū)通過(guò)工件自身的熱傳導(dǎo)快速淬火，在工件表面形成強(qiáng)化組織即圖中所示的強(qiáng)化點(diǎn)8。通過(guò)控制激光焦點(diǎn)5的掃描面積8可以控制電弧壓力，在保證輸入能量的前提下，降低電弧壓力，獲得相對(duì)平坦的軋輥表面，減小后期磨削量，增加有效強(qiáng)化深度。如圖3所示，可以看出相比固定激光的電弧壓力，移動(dòng)激光焦點(diǎn)可以將電弧壓力分布從尖頂變?yōu)槠巾?，從而降低電弧壓力。在放電過(guò)程中，工具電極1、放電電弧4和強(qiáng)化點(diǎn)8都受到氬氣保護(hù)。當(dāng)激光焦點(diǎn)5移動(dòng)到下一個(gè)位置后，后形成的高電離區(qū)和前一個(gè)激光焦點(diǎn)5位置對(duì)電弧4形成了競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。相對(duì)靜止激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)放電來(lái)說(shuō)，移動(dòng)激光誘導(dǎo)放電要求激光脈沖有更強(qiáng)的誘導(dǎo)放電能力，和足夠的停留時(shí)間，以便吸引電弧形成移動(dòng)的放電點(diǎn)。可以通過(guò)在工件表面添加合金粉末，改變強(qiáng)化點(diǎn)的化學(xué)成分，獲得不同性能的強(qiáng)化點(diǎn)。例如:添加碳，增加強(qiáng)化點(diǎn)的硬度。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)的脈沖微弧放電方法，包括:使用工具電極和工件構(gòu)成電極對(duì)，激光脈沖聚焦在工件表面形成高電離區(qū)，誘導(dǎo)工具電極向高電離區(qū)放電；同時(shí)激光焦點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的頻率和路徑移動(dòng)，放電點(diǎn)受到高電離區(qū)的誘導(dǎo)隨著激光焦點(diǎn)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)放電點(diǎn)可控的、有序的運(yùn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述工具電極軸線(xiàn)與工件表面法線(xiàn)具有夾角A，工具電極軸線(xiàn)與激光束具有夾角B ;其中，0° 彡 A 彡 45°，40。彡 B 彡 50°。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 信號(hào)發(fā)生器同步控制激光器和放電電源發(fā)出激光脈沖和放電脈沖，電極間隙在激光誘導(dǎo)下被擊穿形成電弧放電，同時(shí)可使用氬氣進(jìn)行保護(hù)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 通過(guò)控制激光焦點(diǎn)的掃描面積來(lái)控制平均電弧壓力。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 通過(guò)移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)放電，可以將電弧壓力分布從尖頂變?yōu)槠巾?，從而降低電弧壓力?br> 6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 通過(guò)移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)放電，可以獲得較為平坦的強(qiáng)化表面，減小后期磨削量，增大有效強(qiáng)化深度。
7.如權(quán)利要求1 7中任意一項(xiàng)所述的方法,其特征在于， 通過(guò)在工件表面添加合金粉末，改變強(qiáng)化點(diǎn)的化學(xué)成分，獲得不同性能的強(qiáng)化點(diǎn)。
8.—種如權(quán)利要求1 8中任意一項(xiàng)所述移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)的脈沖微弧放電方法的應(yīng)用，其特征在于， 該方法可用于金屬軋輥的表面離散強(qiáng) 化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種移動(dòng)激光焦點(diǎn)誘導(dǎo)的脈沖微弧放電的方法及其應(yīng)用。該方法使用工具電極和工件構(gòu)成電極對(duì)，激光脈沖聚焦在工件表面形成高電離區(qū)，誘導(dǎo)工具電極向高電離區(qū)放電；同時(shí)激光焦點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的頻率和路徑移動(dòng)，放電點(diǎn)受到高電離區(qū)的誘導(dǎo)隨著激光焦點(diǎn)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)放電點(diǎn)可控的、有序的運(yùn)動(dòng)。該方法在保證放電位置設(shè)定分布的前提下，通過(guò)控制激光焦點(diǎn)的掃描面積對(duì)電弧壓力實(shí)施控制，從而在相同的輸入能量下，獲得相對(duì)平坦的工件表面，減少后期磨削量，增大有效強(qiáng)化深度。
文檔編號(hào)B23H9/04GK103192147SQ201310092938
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者王之桐 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所