CN104842068B - 一种在金属表面制造微凸点的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种在金属表面制造微凸点的方法

技术领域

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

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(10⁴-10⁶W/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。

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。

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。

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究”一文公开了通过控制激光参数研究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。

中国机械工程“激光毛化表面的摩擦学性能实验研究”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究，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

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。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，包括

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；

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。

在上述方案中，所述金属工件为铜、铝或铝合金。

在上述方案中，所述涂覆粘结层的方法为喷涂、刷涂或粘贴。

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20μm～100μm。

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。

在上述方案中，所述吸收层为铝箔，所述吸收层的厚度为50μm～200μm。

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。

在上述方案中，所述激光光束的脉冲宽度为1ns～100ns，脉冲能量为至少1J，所述激光产生光斑的直径为1mm～5mm。

本发明的有益效果：

(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；

(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；

(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

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。

图2为本发明所述的***化电离产生高幅冲击波的示意图。

图3为本发明所述的透射波形成示意图。

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。

图5为本发明所述的金属表面微凸点的形貌示意图。

图6为本发明所述的粘结层上点状微凹腔阵列示意图。

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。

图8为本发明所述的粘结层上V型微凹腔阵列示意图。

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。

图10为本发明所述的粘结层上井字型微凹腔阵列示意图。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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—粘结层截面，在吸收层—粘结材料界面的透射冲击波幅值约等于在吸收层—空穴界面的透射冲击波幅值约等于其中P₀为激光诱导产生的原始冲击波幅值，吸收层阻抗为Z₁，粘结材料阻抗为Z₂，空穴中空气阻抗为Z₃，Z₂>Z₃，由此可知P₁>P₂；由于粘结材料的阻抗大于空穴3内空气的阻抗，使得高幅冲击波8经过粘结层2后，其幅值被空间调制，形成透射冲击波9，透射进入空穴3的冲击波幅值远小于透射进入粘结材料2的冲击波幅值，高幅冲击波8的幅值分布示意图如图3(b)所示，调制所得的透射冲击波9的幅值如图3(c)所示。

如图4所示，空间幅值不同的透射冲击波9最终作用于金属工件1的表面，在幅值大的部位，金属工件表面材料被冲击挤压出凹坑；在幅值较小部位，由于受整体受力平衡的影响，金属工件表面材料被挤压流动进入空穴间隙形成凸起。

如图5所示为在金属工件表面形成的微凸点10，微凸点10的形状、尺寸、形貌均与空穴3一一对应。

实施例1

激光的选取：激光冲击能量源为Nd³⁺：YAG输出的1064nm的激光，其脉冲宽度为10ns,能量为9J，光斑大小为2mm，激光器输出光斑内光强分布为平顶分布，激光器频率为1Hz。

水作为约束层，铝箔作为吸收层，黑漆作为粘结材料，金属工件为1cm厚的铜块，铜块的阻抗为3.6852×10⁶g/(cm²·s)，黑漆的阻抗为0.315×10⁶g/(cm²﹒s)，铝箔的阻抗为1.5058×10⁶g/(cm²﹒s)，空气的阻抗为43.96g/(cm²﹒s)。

在厚度为1cm的铜块表面喷涂50μm黑漆，待黑漆完全晾干时，用激光打标机在黑漆表面打点状微凹腔阵列，如图6所示，仔细选择激光打标机的单脉冲能量，以保证铜块表面不被烧蚀，在黑漆上所打的孔的直径约为80μm，带孔的黑漆为粘结层，在黑漆表面贴合一层100μm的铝箔作为吸收层，将覆盖有铝箔和黑漆的铜块放置于水槽中，调整铜块淹没在水面以下的高度，使得铜块试样表面的水层厚度约为2mm，该水层作为约束层。

打开激光器，按上述参数设定，一个激光脉冲透过水层作用于金属工件上，首先激光与铝箔相互作用气化产生等离子体，等离子体的膨胀受到水层的约束作用，会产生一个冲击波穿过铝箔吸收层和粘结层，当冲击波穿过粘结层时，由于粘结层中黑漆的阻抗和空气阻抗不同。冲击波被空间调制；通过铝箔—黑漆界面，透射进入黑漆，并最终作用于铜块表面的冲击波幅值为通过铝箔—空穴界面，透射进入空穴，并最终作用于铜块表面的冲击波幅值为其中P₀为激光诱导产生的原始冲击波幅值，吸收层铝箔的阻抗为Z_铝箔，粘结材料黑漆的阻抗为Z_黑漆，空穴中空气阻抗为Z_空气，Z_{黑 漆}>Z_空气，由此可知P₁>P₂。这就使得最终作用于铜块表面冲击波在空间上强度分布不均，在空穴位置冲击波几乎为零，在黑漆位置冲击波较大。因此，在黑漆位置处，金属材料被冲击挤压形成凹坑，在空穴位置，在整体受力平衡作用下，材料被挤压流动进入空穴形成凸起，最终在铜块表面形成凸起形貌。该凸起形貌的横向尺寸和横向轮廓形状完全由所加工的空穴形状决定，图7为铜块表面制造的点状微凸点阵列形貌图。

在微凸点的中间区域，在激光冲击强化作用下，材料的硬度也显著提升，即材料得到强化，如图12中硬度分布曲线所示，冲击前，金属材料的原始硬度为58HV，冲击后，凸点顶端的硬度可达80HV，两个凸点的中间为材料的硬度可近90HV。因此，通过此制造方法不仅在金属表面制造了微凸点形貌，而且强化了金属表面。

实施例2

激光的选取：激光冲击能量源为Nd³⁺：YAG输出的1064nm的激光，其脉冲宽度为1ns,能量为1J，光斑大小为1mm，激光器输出光斑内光强分布为平顶分布，激光器频率为1Hz。

水作为约束层，铝箔作为吸收层，耐高温硅胶作为粘结材料，金属工件为1cm厚的铝块，铝块的阻抗为1.5058×10⁶g/(cm²·s)，耐高温硅胶的阻抗为0.1×10⁶g/(cm²﹒s)，铝箔的阻抗为1.5058×10⁶g/(cm²﹒s)，空气的阻抗为43.96g/(cm²﹒s)。

在厚度为1cm的铝块表面刷涂20μm耐高温硅胶，待耐高温硅胶完全晾干时，用激光打标机在耐高温硅胶上打V型微凹腔阵列，如图8所示，仔细选择激光打标机的单脉冲能量，以保证铝块表面不被烧蚀，带V型微凹腔阵列的耐高温硅胶为粘结层，在耐高温硅胶表面贴合一层50μm的铝箔作为吸收层，将覆盖有铝箔和耐高温硅胶的铝块放置于水槽中，调整铝块淹没在水面以下的高度，使得铝块试样表面的水层厚度约为1mm，该水层作为约束层。

打开激光器，按上述参数设定，一个激光脉冲透过水层作用于铝块表面，首先激光与铝箔相互作用气化产生等离子体，等离子体的膨胀受到水层的约束作用，会产生一个冲击波穿过铝箔吸收层和粘结层，当冲击波穿过粘结层时，由于粘结层中耐高温硅胶的阻抗和空气阻抗不同。冲击波被空间调制；通过铝箔—耐高温硅胶界面，透射进入耐高温硅胶，并最终作用于铝块表面的冲击波幅值为通过铝箔—空穴界面，透射进入空穴，并最终作用于铝块表面的冲击波幅值为其中P₀为激光诱导产生的原始冲击波幅值，吸收层铝箔的阻抗为Z_铝箔，粘结材料耐高温硅胶的阻抗为Z_{耐高温 硅胶}，空穴中空气阻抗为Z_空气，Z_{耐高温硅胶}>Z_空气，由此可知P₁>P₂。这就使得最终作用于铝块表面冲击波在空间上强度分布不均，在空穴位置冲击波几乎为零，在耐高温硅胶位置冲击波较大。因此，在耐高温硅胶位置处，金属材料被冲击挤压形成凹坑，在空穴位置，在整体受力平衡作用下，材料被挤压流动进入空穴形成凸起，最终在铝块表面形成凸起形貌。该凸起形貌的横向尺寸和横向轮廓形状完全由所加工的空穴形状决定，图9为铝块表面制造的V型微凸点阵列形貌图。

在微凸点的中间区域，在激光冲击强化作用下，材料的硬度也显著提升，即材料得到强化，金属材料的原始硬度为40HV，冲击后，凸点顶端的硬度可达48HV，两个凸点的中间为材料的硬度可近50HV。因此，通过此制造方法不仅在金属表面制造了微凸点形貌，而且强化了金属表面。

实施例3

激光的选取：激光冲击能量源为Nd³⁺：YAG输出的1064nm的激光，其脉冲宽度为100ns，能量为，50J，光斑大小为5mm，激光器输出光斑内光强分布为平顶分布，激光器频率为1Hz。

玻璃作为约束层，铝箔作为吸收层，凡士林作为粘结材料，金属工件为1cm厚的块状铝合金，铝合金的阻抗为1.71×10⁶g/(cm²·s)，凡士林的阻抗为0.3×10⁶g/(cm²﹒s)，铝箔的阻抗为1.5058×10⁶g/(cm²﹒s)，空气的阻抗为43.96g/(cm²﹒s)。

在厚度为1cm的铝合金表面刷涂100μm凡士林，待凡士林完全晾干时，用激光打标机在凡士林上打井字型微凹腔阵列，如图10所示，仔细选择激光打标机的单脉冲能量，以保证铝合金表面不被烧蚀，带井字型微凹腔阵列的凡士林为粘结层，在凡士林表面贴合一层200μm的铝箔作为吸收层，将覆盖有铝箔和凡士林的铝合金放上放置5mm的无色透明玻璃，该无色透明玻璃作为约束层。

打开激光器，按上述参数设定，一个激光脉冲透过玻璃作用于铝合金表面，首先激光与铝箔相互作用气化产生等离子体，等离子体的膨胀受到玻璃层的约束作用，会产生一个冲击波穿过铝箔吸收层和粘结层，当冲击波穿过粘结层时，由于粘结层中凡士林的阻抗和空气阻抗不同。冲击波被空间调制；通过铝箔—凡士林界面，透射进入凡士林，并最终作用于铝合金表面的冲击波幅值为通过铝箔—空穴界面，透射进入空穴，并最终作用于铝合金表面的冲击波幅值为其中P₀为激光诱导产生的原始冲击波幅值，吸收层铝箔的阻抗为Z_铝箔，粘结材料凡士林的阻抗为Z_凡士林，空穴中空气阻抗为Z_空气，Z_凡士林>Z_空气，由此可知P₁>P₂。这就使得最终作用于铝合金表面冲击波在空间上强度分布不均，在空穴位置冲击波几乎为零，在凡士林位置冲击波较大。因此，在凡士林位置处，金属材料被冲击挤压形成凹坑，在空穴位置，在整体受力平衡作用下，材料被挤压流动进入空穴形成凸起，最终在铝合金表面形成凸起形貌。该凸起形貌的横向尺寸和横向轮廓形状完全由所加工的空穴形状决定，图11为铝合金表面制造的井字型微凸点阵列形貌图。

在微凸点的中间区域，在激光冲击强化作用下，材料的硬度也显著提升，即材料得到强化，冲击前，金属材料的原始硬度为160HV，冲击后，凸点顶端的硬度可达200HV，两个凸点的中间为材料的硬度可近210HV。因此，通过此制造方法不仅在金属表面制造了微凸点形貌，而且强化了金属表面。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种在金属表面制造微凸点的方法，其特征在于，包括

S1、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)；

S2、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(2)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20μm～100μm。

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50μm～200μm。

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1mm～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1ns～100ns，脉冲能量为至少为1J，产生光斑的直径为1mm～5mm。