CN103572341B - 激光光管电极的电化学复合沉积制造方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光光管电极的电化学复合沉积制造方法与装置，通过光束调制***将实心脉冲激光变成中心光强为零的环形空心激光束，利用环形激光辐照等离子体的扩张膨胀，对非实体光管电极内的电化学沉积产生压缩冲击，去除沉积应力，排出阴极反应气体，提高材料致密度，且只能在光束中心激光能量为零处发生沉积反应，实现了质量高，定域性好的电化学复合沉积加工、修复及表面性能强化。本发明适用于微小型高性能金属零件的加工、修复及表面性能强化，属于微细快速成型加工领域。

Description

激光光管电极的电化学复合沉积制造方法与装置

技术领域

本发明涉及制造技术中的微细快速成型加工领域，特指一种激光光管电极的电化学复合沉积制造方法与装置，适用于微小型高性能金属零件的加工、修复及表面性能强化。

背景技术

激光加工和电化学加工都属于特种加工方式，两种加工方式又各有特点，激光加工以高能量的光束作为加工能源，它通过光路传输聚焦于工件表面时会产生独特的光、热、力等非线性效应。电化学加工是利用电路将电流传至电极两端，电极之间以电沉积液作为介质，最终在电极/溶液界面发生电化学反应，其本质是利用电化学反应以离子的形式去除或沉积材料。

在电化学体系中引入激光束，进行激光与电化学复合加工时，可以利用激光所具有的高功率密度改变照射区域的电极状态，产生光电化学效应、热电化学效应和力电化学效应，从而影响光电化学反应电流和反应速度，由电化学和激光两种能量的共同作用实现材料的加工制造。

国内外的研究人员对激光电化学复合加工技术的研究取得了一定进展，中国专利“喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置”，专利号：CN1919514A提出：在激光加工的同时复合与激光束同轴的高速喷射电沉积液束，激光在喷射液束的引导下利用光热效应去除材料，被阴极极化的电沉积液束对激光加工区进行冷却、冲刷和电化学溶解，去除激光熔蚀加工的再铸层。在激光电化学复合沉积方面，中国专利“利用超声波和激光共同作用的电铸方法和电铸设备”，专利号：CN200910306817提出：在电铸液选定区域内同时施加超声波和激光波，超声波使得电铸液中的金属离子团不断被打碎，激光波增大电铸金属离子的活性，超声作用产生的空化气泡对激光产生反射和折射，会使原本直线传播的激光发生光路的改变。

在国内外现有的激光电化学复合加工技术中，激光的作用主要是增强电化学反应和诱导电化学反应两种方式。但激光能量和电化学反应的复合效率都不理想，激光的热效应会使沉积部位的溶液汽化形成无水区，同时在电化学电极表面笼罩一层蒸汽障，影响电沉积过程；同时，激光等离子体的扩张膨胀则将溶液向外推挤，不利于金属离子在加工区的定域沉积。

发明内容

本发明的目的是提出一种激光光管电极的电化学复合沉积制造方法，通过该方法可以提高材料致密度，且只能在光束中心激光能量为零处发生沉积反应，实现了质量高，定域性好的电化学复合沉积加工、修复及表面性能强化的特点。

本发明的另一目的是提出一种激光光管电极的电化学复合沉积制造装置，该装置利用常用的激光及光路传输器件和电化学沉积装置，显著提高沉积制造的定域性和沉积质量。

一种激光光管电极的电化学复合沉积制造方法的技术方案为：利用激光在电极表面辐照引起的光电化学反应实现材料的沉积制造，包括以下步骤：

1）将工具阳极的下部和阴极基板浸入电沉积液中，接通电源并保持电沉积液循环流动；

2）将实心高斯激光通过光束调制***调制为中心光强为零的环形空心激光束；

3）将所述环形空心激光束聚焦到所述阴极基板上，并使所述工具阳极处于所述环形空心激光束中心位置，使激光诱导的环形等离子体形成激光管电极发生扩张膨胀；

4）通过移动阴极基板实现对阴极基板的持续加工。

所述步骤1）前对阴极基板依次进行研磨、除油、水洗、弱侵蚀、水洗的处理。

所述光束调制***包括正棱锥透镜和负棱锥透镜，所述正棱锥透镜和负棱锥透镜折射率、方位角和锥角相同。所述环形空心激光束的内环半径r _in为，其中：折射率n、方位角、和锥角，负棱锥透镜和正棱锥透镜之间的距离d，空心激光束环的宽度为R。

一种激光光管电极的电化学复合沉积制造装置的技术方案为：包括激光输出装置、光束调制***、复合沉积制造***；所述激光输出装置包括激光控制器、激光谐振腔，所述激光控制器控制激光谐振腔发出高斯激光，所述高斯激光经所述光束调制***调制为环形空心激光束；所述复合沉积制造***包括工具阳极、阴极基板、加工腔、电沉积液、电化学脉冲电源，所述工具阳极连接于电化学脉冲电源的正极，阴极基板连接于电化学脉冲电源的负极，所述阴极基板置于加工腔内的电沉积液中，所述环形空心激光束经过聚焦透镜照射于所述阴极基板，所述工具阳极置于所述环形空心激光束的中心位置，且工具阳极的一端置于电沉积液中。

进一步，该装置还包括运动和控制***，所述运动控制***包括计算机、运动控制卡、X-Y-Z工作平台，所述计算机与运动控制卡相连，所述运动控制卡与X-Y-Z工作平台相连，所述加工腔置于所述X-Y-Z工作平台上。

进一步，该装置还包括储液槽、耐酸碱泵，所述耐酸碱泵将储液槽中的电沉积液输送到工作腔中。

进一步，所述储液槽中电沉积液的温度为40~50℃；所述工具阳极是直径为0.1~0.2毫米的不溶性金属电极丝；所述激光控制器输出的为脉冲激光，其参数为：单脉冲能量在0.1~1焦耳、脉冲时间为10纳秒、频率为1~10赫兹、波长为1064纳米；所述电化学脉冲电源的输出参数为：峰值电压为2~5伏、脉冲频率为0.5~2兆赫兹、脉冲宽度为500~30纳秒。

(1)

本发明的技术优势和有益效果如下：

(1)通过环形空心激光束与电化学的复合微加工***，在电沉积工具电极的***形成激光光管电极，在环形空心激光束的光束中心加上直径数十微米的不溶性金属电极丝，不会影响光束能量的传输，从而保证了激光辐照与电化学反应的高效复合。

(2)激光光管电极所产生的等离子冲击波阵面笼罩在电极表面形成环形无水区，不会发生电化学反应，而只能在光束中心激光能量为零处发生沉积反应，提高了电化学反应的定域选择性。

(3)利用激光等离子体的扩张膨胀形成向心会聚的冲击应力，作用于中心的电化学沉积部位，既提高了沉积离子的液相传质速度，又可以减小沉积应力，增强材料的致密度，能够显著提高激光电化学复合沉积的加工质量。

附图说明

图1是环形空心激光束与电化学复合的微加工***图；

图2是高斯激光转换为环形空心激光束示意图；

图3是激光与电化学复合沉积加工的原理图；

图4是制造出的激光电化学复合沉积实例；

图1中标号名称：1.计算机，2.激光器控制器，3.激光谐振腔、4.高斯激光，5.负棱锥透镜，6.正棱锥透镜，7.环形空心激光束，8.反射镜，9.聚焦透镜，10.工具阳极，11.阴极基板，12.加工腔，13.X-Y-Z工作台，14.储液槽，15.示波器，16.运动控制卡，17.电化学脉冲电源，18.电流表，19.耐酸碱泵,20.电沉积液，21.冲击波，22.沉积体。

具体实施方式

激光光管电极的电化学复合沉积制造方法通过光束调制***对激光器输出的激光束进行处理，将其空间能量分布由实心圆形激光束调制为中心光强为零的环形空心激光束；环形空心激光束与位于环形中心的电化学工具阳极构成复合加工***，即在电化学工具阳极的***形成非实体的激光光管电极，利用激光辐照产生的等离子体扩张膨胀作用，对激光光管电极内的电化学沉积产生压缩冲击，去除沉积应力，排出阴极反应气体，提高材料致密度，实现高质量的电化学复合沉积加工、修复及表面性能强化。

光束调制***采用两个锥角相同的正棱锥透镜、负棱锥透镜组合方式，将高斯实心圆形激光束调制为环形空心激光束；通过正棱锥透镜、负棱锥透镜的空间位置、锥角变化改变环形空心激光束的直径，调整激光辐照区域内的能量梯度分布，使其与电化学电场能量相配合，构成激光与电化学复合沉积制造***。

环形空心激光透过电沉积溶液后，由于光束功率密度高使得照射部位溶液被击穿，所产生的环形等离子冲击波阵面在电化学工具阳极周围形成了非实体的激光光管电极，造成环形无水区；同时使激光光管电极中心部位的溶液，产生强烈的微对流，可以减小浓差极化，加快对流传质速度；使得环形部位不会发生电化学反应，而中心发生快速电化学沉积，激光光管电极内、外的沉积反应速度产生明显差异，从而显著增强电化学反应的非线性定域效果。当激光器输出周期作用的脉冲激光时，就会在电化学工具电极***产生周期性的光幕作用，最终实现选择性的定域电化学复合沉积。

激光光管电极的电化学复合沉积制造方法的装置主要包括：激光输出装置、光束调制***、复合沉积制造***、运动和控制***。其中激光输出装置包括激光控制器、激光谐振腔，光束调制***包括正棱锥透镜，负棱锥透镜；复合沉积制造部分由工具阳极、阴极基板、加工腔、电沉积液、电流表、电化学加工电源、储液槽、耐酸碱泵和示波器等构成，电化学脉冲电源的负极与作为阴极的基板相连；电化学脉冲电源的正极与工具阳极相连，它们之间串联电流表检测加工电流，示波器用于检测加工过程中电源的脉冲波形。运动和控制***由计算机、运动控制卡、X-Y-Z工作平台构成。

本发明是按下列技术方案实现的：

1）建立激光能量的光束调制及传输***。将两个锥角相同的正棱锥透镜、负棱锥透镜组合起来，负棱锥镜在前，正棱锥镜在后，正负棱锥透镜都与激光器输出的光束轴线重合，然后用反射镜改变光束方向，最后由凸透镜实现光束聚焦。。

2）构建环形空心激光束与电化学的复合微加工***。在聚焦镜光路中心的下方固定不溶性金属电极丝，作为阳极工具与电化学高频脉冲电源的正极相连，它们之间串联电流表检测加工电流；平板金属电极作为电沉积的阴极基板，与电源的负极相连；电源的输出端同时接数字存储示波器，用于观测加工过程中电极之间脉冲波形的变化。阴极基板安装固定在工作台上的加工腔内，可以由计算机通过运动控制卡发出指令实现X-Y-Z三个方向的空间运动。

3）光路和电路连接好后，启动溶液循环***，利用耐酸碱泵将储液槽中配置好的电沉积液充入加工腔中，完全浸没阴极基板和工具阳极丝的下部，并保持电沉积液在加工过程中的循环流动。

4）根据加工需要，由计算机控制激光器输出光束的性能参数，如单脉冲能量、脉冲宽度和频率等；调节电化学电源的输出参数，如峰值电压、脉冲宽度和频率等。

5）激光输出装置发出实心高斯激光束经光束调制为环形空心激光束，由凸透镜聚焦后，透过电沉积液辐照在阴极基板上，由激光诱导的环形等离子体形成光管电极发生绝热膨胀，对环形空心激光束中心的电化学沉积反应形成向心会聚的冲击压缩，使金属离子的沉积结晶过程受到外加的热力作用，实现材料致密，内应力小的定域沉积加工。

6）在激光电化学复合沉积过程中，计算机发出控制指令，通过运动控制卡驱动工作台实现空间三维运动，使沉积材料随工作台的运动逐渐累积形成所需的三维结构。

对于已经发生明显腐蚀的金属零部件，其形状精度或尺寸精度已经被改变的情况，可先采用激光除锈的方法，去除腐蚀部位的氧化物；然后通过电化学定域刻蚀技术去除该部位的氧化层和部分材料，以活化阴极基底，并形成微小的电化学腐蚀凹坑，再利用激光光管电极的电化学沉积方法，实现腐蚀区修复或表面性能强化，可以提高电化学沉积材料在基体上的附着强度。

实施本发明环形空心激光束冲击与电化学沉积复合加工方法的所采用装置如图1所示，按照激光束的前进方向，激光器***的详细连接关系为：计算机1发出控制指令到激光控制器2使激光谐振腔3发出高斯激光4，高斯激光4依次通过负棱锥透镜5和正棱锥透镜6形成环形空心激光束7，形空心激光束7依次经过反射镜8和聚焦透镜9照射于阴极基板11；电化学***的详细连接关系为：电化学脉冲电源17的负极与阴极基板11相连；电化学脉冲电源17的正极与工具阳极10相连，它们之间串联电流表18检测加工电流，示波器15用于检测加工过程中电化学脉冲电源17的脉冲波形，阴极基板11安装在加工腔12中；计算机1通过运动控制卡16发出指令控制X-Y-Z工作台13的空间运动，计算机1通过运动控制卡16还能控制耐酸碱泵19将储液槽14中的电沉积液20输送到工作腔12中。

实施本发明的主要过程和步骤如下：

（1）首先对激光束进行调制处理。由计算机1通过激光控制器2和激光谐振腔3输出单脉冲能量在0.1~1焦耳、脉冲时间为10纳秒、频率为1~10赫兹、波长1064纳米的实心平行的高斯激光4，高斯激光4先后经过负棱锥透镜5和正棱锥透镜6，高斯激光4光束中心的能量就被负棱锥透镜5和正棱锥透镜6的棱锥面折射发散，形成一束中心能量为零近似平行的环形空心激光束7，如图2所示。要求负棱锥透镜5和正棱锥透镜6的折射率n、方位角、和锥角都相同，入射实心平行的高斯激光4光束半径为r，调整负棱锥透镜5和正棱锥透镜之间的距离d，就可以得到满足加工要求的环形空心激光束7，其环的宽度为R，内环内径尺寸为r _in。

（2）配制电化学沉积所需的溶液。选择电沉积的镀液种类，用纯净蒸馏水配置溶液，并加入少量能显著改善镀层性能和沉积速度的添加剂，包括能促进阳极活化的阳极活化剂，以提高阳极开始钝化的电流密度，从而保证阳极处于活化状态而能正常地溶解；能提高沉积层材料质量的光亮剂、整平剂等；以及用于提高电铸液的导电性的碱金属或碱土金属盐类。沉积过程中为提高沉积速度，将储液槽中的溶液加热至40~50℃。

（3）构建环形空心激光束7与电化学的复合微加工***。根据图1所示连接电化学脉冲电源17和工具阳极10、阴极基板11，工具阳极10采用直径0.1~0.2毫米的不溶性金属电极丝，固定于聚焦镜光路中心的下方；阴极基板11为30mmx40mm厚度1mm的不锈钢片，使用前采用：研磨→除油→水洗→弱侵蚀→水洗的处理方式，然后安装固定在工作台13上的加工腔12内。调节电化学脉冲电源17的输出参数，其中峰值电压为2~5伏、脉冲频率为0.5~2兆赫兹、脉冲宽度为500~30纳秒。

（4）激光电化学复合沉积试验：首先开启耐酸碱泵19将配置好的电沉积溶液由储液槽14充入加工腔12中，完全浸没阴极基板11和工具阳极10的下部，并保持电沉积液在加工过程中的循环流动。电化学脉冲电源17开启，沉积液中的金属离子在纳秒脉冲电流作用下，在阴极基板11表面发生电化学还原反应；同时激光器发出的环形空心激光束7经反射镜8反射后被聚焦透镜9聚焦辐照在阴极基板11上的沉积区域。由环形空心激光束7形成的激光光管电极诱导环形等离子体冲击波21发生绝热膨胀，对环形空心激光束7中心的电化学沉积反应形成向心会聚的冲击压缩，使金属离子的沉积结晶过程受到热力冲击作用，使得沉积体22材料致密，实现内应力小的定域沉积加工，如图3所示。再由计算机1发出控制指令，通过运动控制卡16驱动X-Y-Z工作台13实现空间三维运动，使沉积体22随X-Y-Z工作台13的运动逐渐累积制造出所需的三维结构。图4就是采用激光光管电极与电化学复合沉积制造出的简单圆柱形沉积体实例。

对于已经发生明显腐蚀的金属零部件，其形状精度或尺寸精度已经被改变的情况，可采用激光除锈的方法，将脉冲激光聚焦照射到腐蚀部位，使基体表面和锈蚀微粒产生脉冲振动，当形成的冲击力大于颗粒的表面吸附力时，锈蚀产物就会脱离表面被去除。再利用激光电化学复合应力刻蚀技术去除工件表面待沉积区域的氧化层和部分材料，活化阴极基底，并形成微小的电化学腐蚀凹坑，提高电化学沉积材料的附着强度。最后采用激光光管电极与电化学复合沉积的方法修复该零件腐蚀部位，或在其表面沉积耐腐蚀合金层以改善表面性能。

环形空心激光束能量形成的激光光管电极与电化学沉积***复合后，对***中的电沉积离子结晶过程产生向心会聚的热力冲击作用，提高了电极反应速率，减小了沉积应力，增强了沉积材料的致密度，具有高的选择性及加工精度，从而实现高质量的微区局部沉积。

Claims (10)

1.一种激光光管电极的电化学复合沉积制造方法，利用激光在电极表面辐照引起的光电化学反应实现材料的沉积制造，其特征在于包括以下步骤

将工具阳极的下部和阴极基板浸入电沉积液中，接通电源并保持电沉积液循环流动；

将实心高斯激光通过光束调制***调制为中心光强为零的环形空心激光束；

将所述环形空心激光束聚焦到所述阴极基板上，并使所述工具阳极处于所述环形空心激光束中心位置，使激光诱导的环形等离子体形成激光光管电极发生扩张膨胀；

通过移动阴极基板实现对阴极基板的持续加工；

所述实心高斯激光参数为：单脉冲能量在0.1～1焦耳、脉冲时间为10纳秒、频率为1～10赫兹、波长为1064纳米；环形空心激光透过电沉积溶液后，由于光束功率密度高使得照射部位溶液被击穿，所产生的环形等离子冲击波阵面在电化学工具阳极周围形成了非实体的激光光管电极，造成环形无水区。

2.根据权利要求1所述的一种激光光管电极的电化学复合沉积制造方法，其特征在于：阴极基板浸入电沉积液前对阴极基板依次进行研磨、除油、水洗、弱浸蚀、水洗的处理。

3.根据权利要求1所述的一种激光光管电极的电化学复合沉积制造方法，其特征在于：所述光束调制***包括正棱锥透镜和负棱锥透镜，所述正棱锥透镜和负棱锥透镜折射率、方位角和锥角相同。

4.根据权利要求3所述的一种激光光管电极的电化学复合沉积制造方法，其特征在于：所述环形空心激光束的内环半径r_in为其中：折射率n、方位角和锥角σ，负棱锥透镜和正棱锥透镜之间的距离d，空心激光束环的宽度为R。

5.一种激光光管电极的电化学复合沉积制造装置，包括激光输出装置、光束调制***、复合沉积制造***；其特征在于，所述激光输出装置包括激光控制器、激光谐振腔，所述激光控制器控制激光谐振腔发出高斯激光，所述高斯激光经所述光束调制***调制为环形空心激光束；所述复合沉积制造***包括工具阳极、阴极基板、加工腔、电沉积液、电化学脉冲电源，所述工具阳极连接于电化学脉冲电源的正极，阴极基板连接于电化学脉冲电源的负极，所述阴极基板置于加工腔内的电沉积液中，所述环形空心激光束经过聚焦透镜照射于所述阴极基板，所述工具阳极置于所述环形空心激光束的中心位置，且工具阳极的一端置于电沉积液中。

6.根据权利要求5所述的一种激光光管电极的电化学复合沉积制造装置，其特征在于：还包括运动和控制***，所述运动控制***包括计算机、运动控制卡、X-Y-Z工作平台，所述计算机与运动控制卡相连，所述运动控制卡与X-Y-Z工作平台相连，所述加工腔置于所述X-Y-Z工作平台上。

7.根据权利要求5所述的一种激光光管电极的电化学复合沉积制造装置，其特征在于：还包括储液槽、耐酸碱泵，所述耐酸碱泵将储液槽中的电沉积液输送到工作腔中。

8.根据权利要求7所述的一种激光光管电极的电化学复合沉积制造装置，其特征在于：所述储液槽中电沉积液的温度为40～50℃。

9.根据权利要求5所述的一种激光光管电极的电化学复合沉积制造装置，其特征在于：所述工具阳极是直径为0.1～0.2毫米的不溶性金属电极丝。

10.根据权利要求5所述的一种激光光管电极的电化学复合沉积制造装置，其特征在于：所述激光控制器输出的为脉冲激光，其参数为：单脉冲能量在0.1～1焦耳、脉冲时间为10纳秒、频率为1～10赫兹、波长为1064纳米；所述电化学脉冲电源的输出参数为：峰值电压为2～5伏、脉冲频率为0.5～2兆赫兹、脉冲宽度为500～30纳秒。