激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法與裝置，通過(guò)光束調(diào)制系統(tǒng)將實(shí)心脈沖激光變成中心光強(qiáng)為零的環(huán)形空心激光束，利用環(huán)形激光輻照等離子體的擴(kuò)張膨脹，對(duì)非實(shí)體光管電極內(nèi)的電化學(xué)沉積產(chǎn)生壓縮沖擊，去除沉積應(yīng)力，排出陰極反應(yīng)氣體，提高材料致密度，且只能在光束中心激光能量為零處發(fā)生沉積反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量高，定域性好的電化學(xué)復(fù)合沉積加工、修復(fù)及表面性能強(qiáng)化。本發(fā)明適用于微小型高性能金屬零件的加工、修復(fù)及表面性能強(qiáng)化，屬于微細(xì)快速成型加工領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制造技術(shù)中的微細(xì)快速成型加工領(lǐng)域，特指ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法與裝置，適用于微小型高性能金屬零件的加工、修復(fù)及表面性能強(qiáng)化。
【背景技術(shù)】
[0002]激光加工和電化學(xué)加工都屬于特種加工方式,兩種加工方式又各有特點(diǎn)，激光加エ以高能量的光束作為加工能源，它通過(guò)光路傳輸聚焦于エ件表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的光、熱、力等非線性效應(yīng)。電化學(xué)加工是利用電路將電流傳至電極兩端，電極之間以電沉積液作為介質(zhì)，最終在電扱/溶液界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其本質(zhì)是利用電化學(xué)反應(yīng)以離子的形式去除或沉積材料。
[0003]在電化學(xué)體系中引入激光束，進(jìn)行激光與電化學(xué)復(fù)合加工時(shí)，可以利用激光所具有的高功率密度改變照射區(qū)域的電極狀態(tài)，產(chǎn)生光電化學(xué)效應(yīng)、熱電化學(xué)效應(yīng)和カ電化學(xué)效應(yīng)，從而影響光電化學(xué)反應(yīng)電流和反應(yīng)速度，由電化學(xué)和激光兩種能量的共同作用實(shí)現(xiàn)材料的加工制造。[0004]國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)激光電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)的研究取得了一定進(jìn)展，中國(guó)專利“噴射液束電解-激光復(fù)合加工方法及其裝置”，專利號(hào):CN1919514A提出:在激光加工的同時(shí)復(fù)合與激光束同軸的高速噴射電沉積液束，激光在噴射液束的引導(dǎo)下利用光熱效應(yīng)去除材料，被陰極極化的電沉積液束對(duì)激光加工區(qū)進(jìn)行冷卻、沖刷和電化學(xué)溶解，去除激光熔蝕加工的再鑄層。在激光電化學(xué)復(fù)合沉積方面，中國(guó)專利“利用超聲波和激光共同作用的電鑄方法和電鑄設(shè)備”，專利號(hào):CN200910306817提出:在電鑄液選定區(qū)域內(nèi)同時(shí)施加超聲波和激光波，超聲波使得電鑄液中的金屬離子團(tuán)不斷被打碎，激光波増大電鑄金屬離子的活性，超聲作用產(chǎn)生的空化氣泡對(duì)激光產(chǎn)生反射和折射，會(huì)使原本直線傳播的激光發(fā)生光路的改變。
[0005]在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的激光電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)中，激光的作用主要是增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng)和誘導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)兩種方式。但激光能量和電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)合效率都不理想，激光的熱效應(yīng)會(huì)使沉積部位的溶液汽化形成無(wú)水區(qū)，同時(shí)在電化學(xué)電極表面籠罩ー層蒸汽障，影響電沉積過(guò)程；同時(shí)，激光等離子體的擴(kuò)張膨脹則將溶液向外推擠，不利于金屬離子在加工區(qū)的定域沉積。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提出一種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法，通過(guò)該方法可以提高材料致密度，且只能在光束中心激光能量為零處發(fā)生沉積反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量高，定域性好的電化學(xué)復(fù)合沉積加工、修復(fù)及表面性能強(qiáng)化的特點(diǎn)。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提出一種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造裝置，該裝置利用常用的激光及光路傳輸器件和電化學(xué)沉積裝置，顯著提高沉積制造的定域性和沉積質(zhì)量。
[0009]—種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法的技術(shù)方案為:利用激光在電極表面輻照引起的光電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料的沉積制造，包括以下步驟:
1)將工具陽(yáng)極的下部和陰極基板浸入電沉積液中，接通電源并保持電沉積液循環(huán)流
動(dòng)；
2)將實(shí)心聞斯激光通過(guò)光束調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制為中心光強(qiáng)為零的環(huán)形空心激光束；
3)將所述環(huán)形空心激光束聚焦到所述陰極基板上，并使所述工具陽(yáng)極處于所述環(huán)形空心激光束中心位置，使激光誘導(dǎo)的環(huán)形等離子體形成激光管電極發(fā)生擴(kuò)張膨脹；
4)通過(guò)移動(dòng)陰極基板實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極基板的持續(xù)加工。
[0010]所述步驟I)前對(duì)陰極基板依次進(jìn)行研磨、除油、水洗、弱侵蝕、水洗的處理。
[0011]所述光束調(diào)制系統(tǒng)包括正棱錐透鏡和負(fù)棱錐透鏡，所述正棱錐透鏡和負(fù)棱錐透鏡折射率、方位角和錐角相同。所述環(huán)形空心激光束的內(nèi)環(huán)半徑rin為
【權(quán)利要求】
1.一種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法，利用激光在電極表面輻照引起的光電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料的沉積制造，其特征在于包括以下步驟 將工具陽(yáng)極的下部和陰極基板浸入電沉積液中，接通電源并保持電沉積液循環(huán)流動(dòng)； 將實(shí)心聞斯激光通過(guò)光束調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制為中心光強(qiáng)為零的環(huán)形空心激光束； 將所述環(huán)形空心激光束聚焦到所述陰極基板上，并使所述工具陽(yáng)極處于所述環(huán)形空心激光束中心位置，使激光誘導(dǎo)的環(huán)形等離子體形成激光管電極發(fā)生擴(kuò)張膨脹； 通過(guò)移動(dòng)陰極基板實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極基板的持續(xù)加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法，其特征在于:所述步驟I)前對(duì)陰極基板依次進(jìn)行研磨、除油、水洗、弱侵蝕、水洗的處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法，其特征在于:所述光束調(diào)制系統(tǒng)包括正棱錐透鏡和負(fù)棱錐透鏡，所述正棱錐透鏡和負(fù)棱錐透鏡折射率、方位角和錐角相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法，其特征在于:所述環(huán)形空心激光束的內(nèi)環(huán)半徑rin為、二 (伊)，其中:
5.—種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造裝置,包括激光輸出裝置、光束調(diào)制系統(tǒng)、復(fù)合沉積制造系統(tǒng)；其特征 在于 ，所述激光輸出裝置包括激光控制器、激光諧振腔，所述激光控制器控制激光諧振腔發(fā)出高斯激光，所述高斯激光經(jīng)所述光束調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制為環(huán)形空心激光束；所述復(fù)合沉積制造系統(tǒng)包括工具陽(yáng)極、陰極基板、加工腔、電沉積液、電化學(xué)脈沖電源，所述工具陽(yáng)極連接于電化學(xué)脈沖電源的正極，陰極基板連接于電化學(xué)脈沖電源的負(fù)極，所述陰極基板置于加工腔內(nèi)的電沉積液中，所述環(huán)形空心激光束經(jīng)過(guò)聚焦透鏡照射于所述陰極基板，所述工具陽(yáng)極置于所述環(huán)形空心激光束的中心位置，且工具陽(yáng)極的一端置于電沉積液中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法的裝置，其特征在于:還包括運(yùn)動(dòng)和控制系統(tǒng)，所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、X-Y-Z工作平臺(tái)，所述計(jì)算機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡相連，所述運(yùn)動(dòng)控制卡與X-Y-Z工作平臺(tái)相連，所述加工腔置于所述X-Y-Z工作平臺(tái)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法的裝置，其特征在于:還包括儲(chǔ)液槽、耐酸堿泵，所述耐酸堿泵將儲(chǔ)液槽中的電沉積液輸送到工作腔中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法的裝置，其特征在于:所述儲(chǔ)液槽中電沉積液的溫度為4(T50°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法的裝置，其特征在于:所述工具陽(yáng)極是直徑為0.r0.2毫米的不溶性金屬電極絲。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種激光光管電極的電化學(xué)復(fù)合沉積制造方法的裝置，其特征在于:所述激光控制器輸出的為脈沖激光，其參數(shù)為:單脈沖能量在0.n焦耳、脈沖時(shí)間為10納秒、頻率為f 10赫茲、波長(zhǎng)為1064納米；所述電化學(xué)脈沖電源的輸出參數(shù)為:峰值電壓為2飛伏、脈沖頻率為0.5^2兆赫茲、脈沖寬度為50(T30納秒。
【文檔編號(hào)】C25D5/00GK103572341SQ201310434534
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】張朝陽(yáng), 張長(zhǎng)桃, 蔡明霞, 馮欽玉, 周建忠, 黃磊, 姜雨佳 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)