一种利用激光电沉积复合加工的装置及方法

技术领域

本发明涉及主要涉及复合特种加工技术领域，尤其涉及到一种利用激光电沉积复合加工的装置及方法，适用于微细复杂零件及高性能表面镀层的制备。

背景技术

电沉积技术是基于电化学原理，即通过在沉积池阴极附近金属的离子的还原反应和电结晶过程在金属材料或半导体材料表面生成金属层的涂层加工技术。电沉积技术作为一种表面改性或制取特定成分和性能金属的技术，已广泛应用微纳米制造领域。但传统的微细电沉积技术定域性差，沉积效率低，镀层的结合力与致密性较差。激光加工技术作为一种能量聚集性好，抗干扰性强，相干性好等优点的非接触式的加工方法，被广泛应用于各类表面技术。与常规电沉积技术相比，激光辅助电沉积技术利用其光热效应，诱导或增强电沉积过程，具有沉积速率高、定域性好、沉积层与基体结合度高、工艺简单等优势。

国内外对于激光电沉积复合加工有一定的研究，中国专利“一种激光诱导离子液体电沉积制备锗纳米阵列的方法”，中国专利公开号CN104988546A提出：将离子液体电沉积技术与激光辐照技术相结合，使用无毒无污染的绿色离子液体1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐作为溶剂，GeCl4为沉积质，脉冲激光器辐照沉积液，使用三电极系统，制备出锗纳米阵列。但此发明的沉积电场分布不均匀，沉积复杂零件时成型精度较低；中国专利“一种激光增强三维微区电沉积方法及其对应的装置”，中国专利公开号CN110565130A提出：将激光集成到基于微管的微区电沉积装置中，通过激光辐照在微管尖端沉积液滴在试样表面形成的弯月面上，制备三维微纳尺度图案。但在此发明中，三维图案成形的形状依赖于微管和试样表面产生的三维相对运动，且沉积区域局限于微管尖端沉积液滴，生产效率和灵活性有待提升。

发明内容

针对传统激光电沉积工艺中存在的电场分布不均匀，导致工件表面沉积层厚度不均匀等缺陷，本发明通过增加透明导电辅助阳极的方式，在不影响激光辐照的前提下，提升工件表面电场分布的均匀性，同时，通过激光分图层扫描，实现了灵活高效的激光辅助电沉积复合加工。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种利用激光电沉积复合加工的装置，包括阴极工件、工作阳极和激光束；所述阴极工件和工作阳极置于电沉积液内用于电化学沉积；还包括辅助阳极，所述阴极工件与辅助阳极平行设置，激光束透过辅助阳极辐照在阴极工件上，工作阳极和辅助阳极均与电化学电源正极相连。

进一步的，所述激光束在阴极工件上进行分图层扫描，最终得到三维微细零件。

进一步的，所述激光束在阴极工件上完成第一层扫描后，通过计算机的控制焦点逐层上移，进行分图层扫描，继而使得阴极工件表面上的沉积物不断叠加制备出三维微细零件。

进一步的，所述阴极工件置于工件夹具底部并由工件夹具夹持；所述工件夹具内置有电沉积液，通过蠕动泵实现工件夹具内溶液循环，保证电沉积液的浓度均匀。

进一步的，所述辅助阳极为透明导电材料，透光率达到80％以上。

进一步的，所述辅助阳极为导电透明聚合物和导电玻璃。

进一步的，所述辅助阳极与阴极工件之间的距离可通过不同厚度的绝缘垫块进行调节，从而实现辅助阳极与阴极工件之间沉积液厚度的控制；辅助阳极与工件夹具交界处进行密封处理，确保沉积液不会溢出。

进一步的，所述激光束进行路径扫描的实现方式为激光束固定，阴极工件6置于在X-Y-Z工作台上，通过计算机的控制系统实现与激光光斑的相对运动进行路径扫描；或者阴极工件固定，激光光斑在光路传输系统的控制下实现路径扫描；或者上述两种方式共同作用来实现。

进一步的，所述阴极工件平行设置在辅助阳极下方。

利用激光电沉积复合加工的装置的加工方法，包括如下步骤：

步骤一：对阴极工件进行表面预处理；

步骤二：在AutoCAD中绘制所需要沉积的图形，优化之后导入到操控系统；

步骤三：将工件夹具固定储液槽中，并将储液槽放置在X-Y-Z工作台上，将阴极工件与电化学电源负极相连并固定在工件夹具的沉积液型腔中；

步骤四：将工作阳极紧贴工件夹具槽内壁垂直放置，与电化学电源正极相连，同时与阴极工件保持垂直关系；

步骤五：将辅助阳极固定在工件夹具的沉积液流道上方，并与阴极工件保持平行关系，与夹具体形成半封闭型腔，保证沉积液在型腔内匀速流动；

步骤六：调整激光光斑位置，使得激光焦点位于阴极工件上方；

步骤七：将蠕动泵输入端通过硅橡胶管与工件夹具进液口相连，输出端通过硅橡胶管与储液槽出液口相连，并在储液槽中加入沉积液；

步骤八：开启蠕动泵进行沉积液循环，保证夹具沉积液型腔内充满浓度均匀的沉积液，且将辅助阳极的导电面和阴极工件表面全部浸没；

步骤九：打开电化学电源设置电化学参数；

步骤十：开启脉冲激光器，根据不同工艺要求设置的不同的光斑运动路径和激光参数，从而获得定域微细零件制备或工件整体表面电沉积增强的效果。

本发明的技术优势和有益效果：

(1)采用辅助阳极可以有效解决传统激光辅助电沉积时电场分布不均的问题，提高了微细电沉积的成型精度、表面加工质量和定域性。

(2)沉积液循环冲液系统保证了电沉积过程中的金属离子浓度均匀，并且能带走电沉积过程中析氢反应产生的气泡，防止其吸附在工件表面，对加工精度和沉积物的生成产生影响。

(3)激光和电沉积的复合有不同的加工形式，既可以是激光诱导电沉积，通过焦点上移，沉积层叠加制备三维微细零件，也可以是激光增强电沉积加工，激光焦点在沉积层表面进行整体或者局部扫描，实现沉积层性能的提升或者在沉积层生长的同时制备表面结构，为实现制造不同功能的零件提供可能。

附图说明

图1为利用激光电沉积复合加工的主要装置示意图；

图2为利用激光电沉积复合加工系统示意图；

图3为激光电沉积复合加工三维微细零件的加工原理图；

图4为三维微细零件加工的激光路径图；

图5为激光电沉积复合加工制备高性能表面镀层的加工原理图；

图6为制备高性能表面镀层的激光路径图；

图7为激光电沉积复合加工镀层的同时制备表面结构示意图。

附图标记如下：

1-计算机；2-脉冲激光器；3-反射镜；4-聚焦透镜；5-工作槽；6-阴极工件；7-沉积液；8-辅助阳极；9-电流表；10-电化学电源；11-X-Y-Z工作台；12-控制柜；13-工作阳极；14-蠕动泵；15-工件夹具；16-激光束。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的

结合附图1和图2所示，包括电化学加工系统、激光微加工系统和沉积液循环系统。所述激光微加工系统包括脉冲激光器2、反射镜3、聚焦透镜4、X-Y-Z工作台11和控制系统。所述反射镜3置于脉冲激光器2水平方向，所述聚焦透镜4置于反射镜3正下方；所述脉冲激光器2发出的激光束16经反射镜3反射后，再经聚焦透镜4聚焦后穿过辅助阳极8辐照在阴极工件表面；所述X-Y-Z工作台11置于储液槽5下方。所述控制系统包括计算机1和控制柜12；所述计算机1通过连接端口分别与控制柜12和脉冲激光器2相连接；所述控制柜12与X-Y-Z工作台11相连接。

所述电沉积系统包括电化学电源10、电流表9、辅助阳极8、工作阳极13、阴极工件6、储液槽5、蠕动泵14、工件夹具15；所述工作阳极13紧贴夹具15槽内壁竖直放置，所述辅助阳极8平行固定在聚焦透镜4正下方阴极板上方，工作阳极13与辅助阳极8都与电化学电源10正极相连；所述阴极工件6位于辅助阳极8正下方，与电化学电源10负极相连；所述工件夹具15固定在X-Y-Z工作台11上，所述储液槽5内装有沉积液7。

所述沉积液循环系统包括储液槽5、工件夹具15、沉积液7、蠕动泵14和泵管；所述蠕动泵14输入端通过硅橡胶管与工件夹具15进液口相连，输出端通过硅橡胶管与储液槽5出液口相连。

在电沉积加工中，电场的分布情况对沉积效果有显著影响，结合附图1中将辅助阳极8平行放置于阴极工件6上方，使沉积时的电场均匀，实现高精度沉积，所述辅助阳极8与阴极工件6之间的距离可通过不同厚度的绝缘垫块进行调节，实现对沉积液层厚度的控制。

在电沉积加工中，易产生浓差极化现象，抑制沉积的持续发生，冲液是一种常用的电沉积辅助方法。所述工件夹具15左右两侧分别开有进液口和出液口，溶液经进液口流入工件夹具15中，充满沉积液型腔，在和阴阳极不断发生电沉积反应后由出液口流入储液槽，所述蠕动泵14导管两端分别与工件夹具15的进液口和储液槽5的出液口相连通，实现溶液循环，消除浓差极化，冲走电沉积析氢反应产生的气泡，并能保证电沉积液的浓度均匀。

具体的，工件夹具15的进液口和储液槽5的出液口分别与蠕动泵14导管两端相连，实现溶液循环，消除浓差极化，保证电沉积液的浓度均匀，并冲走电沉积析氢反应产生的气泡。

激光束16在阴极基板上完成第一层扫描后，通过计算机1的控制焦点逐层上移，进行分图层扫描，继而使得阴极工件6表面上的沉积物不断叠加制备出三维微细零件；当激光束16在阴极工件6表面进行整体或者局部扫描时，可以实现沉积层性能的提升或者在沉积层生长的同时制备表面结构。

辅助阳极8为透明导电材料，透光率达到80％以上，如导电玻璃和导电透明聚合物等，其中，导电玻璃可为石英玻璃，辅助阳极8与工件夹具15交界处进行密封处理，保证沉积液7不会溢出。阴极工件6与辅助阳极8的摆放方式可以是阴阳极上下对立摆放，也可以是阴阳极竖直对立摆放；为了利于气泡排除，优选放置方式为阴极工件6在下，辅助阳极8在上平行放置；辅助阳极8的形状可根据阴极工件6的表面形状进行调整，保证阴极工件6表面各个区域电场分布均匀、电场强度均等。

阴极工件6在加工前要进行抛光、除油、水洗、弱侵蚀、水洗、干燥预处理；阴极工件6可以是回转体，激光束16聚焦在回转体中心表面进行扫描，在回转体表面进行环形沉积。

蠕动泵14流量为0～1500ml/min，沉积液流动速率可精密调控，其泵管耐酸碱腐蚀；辅助阳极8与阴极工件6之间的距离可通过不同厚度的绝缘垫块进行调节，实现对沉积液7厚度的控制；激光进行路径扫描的实现方式可以是激光束16固定，阴极工件6置于在X-Y-Z工作台11上，通过计算机1的控制系统实现与激光光斑的相对运动进行路径扫描；也可以是阴极工件6固定，激光光斑在光路传输系统的控制下(如振镜)实现路径扫描；也可以是两种方式共同作用来实现。

本发明利用透明导电材料作为辅助阳极正对阴极工件，实现阴极板表面电场均匀分布；当进行激光诱导电沉积加工时，利用激光焦点逐层上移，沉积物不断叠加的原理制备三维微细零件；当进行激光增强电沉积加工时，激光焦点在沉积层表面进行整体或者局部扫描，实现沉积层性能的提升或者在沉积层生长的同时制备表面结构。该装置及方法简单，适用于微细复杂零件及高性能表面镀层的制备。

结合附图3、图4、图5、图6、图7所示，本发明的工作过程：

当进行激光诱导电沉积加工时，激光束16穿过聚焦透镜4和辅助阳极8聚焦在阴极工件6上，根据提前在计算机1中输入的各图层的激光路径，当沉积出需要的厚度之后，激光焦点上移，开始扫描下一个图层，周而复始激光焦点逐层上移，直至最后一个图层扫描完毕，沉积物不断叠加制备出三维微细零件，利用附图4中的激光路径可以制备圆锥形三维微细零件。当进行激光增强电沉积加工时，根据提前在计算机1中输入的单图层的激光路径，激光焦点在沉积层表面进行整体或者局部单图层进行反复扫描，实现沉积层性能的提升或者在沉积层生长的同时制备表面结构，极大提高沉积速率和沉积质量。当两种加工形式复合时，在工件表面上加工镀层的同时可以制备表面结构，提高加工效率。

一种利用激光电沉积复合加工的方法，包括如下步骤：

1)对阴极工件6进行表面预处理；

2)在AutoCAD中绘制所需要沉积的图形，优化之后导入到操控系统；

3)将工件夹具15固定储液槽5中，并将储液槽5放置在X-Y-Z工作台11上，将阴极工件6与电化学电源10负极相连并固定在工件夹具15的沉积液型腔中；

4)将工作阳极13紧贴工件夹具15槽内壁垂直放置，与电化学电源10正极相连，同时与阴极工件6保持垂直关系；

5)将辅助阳极8固定在工件夹具15的沉积液流道上方，并与阴极工件6保持平行关系，与夹具体形成半封闭型腔，保证沉积液7在型腔内匀速流动；

6)调整激光光斑位置，使得激光焦点位于阴极工件6上方；

7)将蠕动泵14输入端通过硅橡胶管与工件夹具15进液口相连，输出端通过硅橡胶管与储液槽5出液口相连通，并在储液槽中加入沉积液7。

8)开启蠕动泵14进行沉积液循环，保证夹具沉积液型腔内充满浓度均匀的沉积液7，且将辅助阳极8的导电面和阴极工件6表面全部浸没；

9)打开电化学电源10设置电化学参数；

10)开启脉冲激光器2，根据不同工艺要求设置的不同的光斑运动路径和激光参数，从而获得定域微细零件制备或工件整体表面电沉积增强的效果。

其中，所述阴极工件6依次进行抛光、除油、水洗、弱侵蚀、水洗、干燥预处理；所述电化学电源10电压为0～30V可调，占空比为0～100％；所述激光器2为脉冲激光器，激光焦点聚焦于阴极工件6上方0～1mm处；所述沉积液7温度保持在25℃左右。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。