[发明专利]大气环境下激光表面改性气体保护方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是一种大气环境下激光表面改性气体保护方法及装置。

背景技术

大气环境下的激光表面改性技术，截止目前还没有行之有效的方法。在研究过程中，采用的是真空室内应用充气或侧吹保护气体的方法，真空室内应用充气方法，从工艺角度而言很难解决，大工件根本无法放入真空室，即使是小工件也不易精确控制；侧吹方法，试图通过增大保护气体的流量，以排开激光作用区域的空气，其结果很难完全隔绝空气的混入，由于湍流的影响，所喷射的保护气体在排开空气的同时也卷入了大量的空气，在激光作用的局部区域内仍有氧化现象发生，保护气体的成分完全不可控制，很难实现条件可控的激光表面改性处理，尽管国内外技术人员对大气环境下的激光表面改性技术都采用简单的激光束同轴气体保护方法，但均未明确的阐述气体的流动模式、组分控制及应用方式，其结果不可再现，很难有实用意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种大气环境下激光表面改性气体保护方法及装置，它解决了大气环境下激光表面改性工作条件及气体成分不可控的状态，可在大气环境下工件表面激光作用区域内形成稳定的、气体成分完全可控的、无环境空气混入的保护气流，使大气环境下的激光表面改性和需要多种气体按一定比例精确混合的激光表面处理成为可能。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种大气环境下激光表面改性气体保护方法，特点是将不同气体进行混合得到改性气体，改性气体经气流通道以层流模式通向激光表面。

一种实施上述方法的装置，它包括喷嘴体、气体混合阀、连接管，喷嘴体由内层与外层构成，两层间为气流通道，气流通道下部设有锥形喷口，外层一侧设有接口，接口与气流通道连通，外层外部连接有固定杆；气体混合阀由阀体、进气口、出气口构成，出气口通过连接管与喷嘴体上的接口连接。

本发明的方法包括以下具体步骤：

(1)将喷嘴体固定在光学固定架上，保证其稳定性，调节喷口与待处理工件表面距离；

(2)移动透镜，调节焦斑，使激光束与喷嘴体中轴重合；

(3)连接气体管路，并在气瓶出口处连接质量流量控制计，调节气体流量确定气体流动模式。

所述喷口与待处理工件表面距离为3～4mm。

所述改性气体在气流通道中流量为1000SCCM～5500SCCM，气体流动模式为层流。

本发明的有益效果是：

(1)考虑动力学因素影响，对气体流动模式进行有效控制，在工件表面激光作用区域形成的气体保护区与空气完全隔绝。

(2)实现了有效的条件控制，结果重复性好，具有实用意义。

(3)多种气体的激光表面改性中，可精确控制各组分气体的流量比。

(4)具有适应各种大气环境下的激光表面改性处理，且工艺简易，稳定，可对精密部件进行局部激光表面改性处理。

采用本发明经激光处理后的钛合金(TC4)硬度值提高到10GPa，耐磨性能提高9倍，XRD图谱显示处理层由TiN(200)、TiN(111)、TiN(220)相组成，同时横断面的SEM显示处理层是由镶嵌于Ti基体的TiN枝晶结构组成(化学方法处理后)。

本发明除能阻止激光表面与周围空气接触并避免氧化外，同时在这种稳态的流动条件下，可以应用于各种不同材料的多种气体处理，且能精确控制气体组分的流量比，例如可以进行含炭或氮气体的C、N共渗等处理技术，在大气环境下的激光表面改性领域具有实际应用性。此外，本发明不仅可以处理平面工件，而且也可用于曲面工件的处理。

除了作为反应气体在激光束斑作用区域内形成保护气流外，还可利用惰性气体直接作为保护气流进行激光熔凝等需与空气隔绝的激光表面改性处理。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图

具体实施方式

实施例

(1)将喷嘴体1固定在光学固定架上，保证其稳定性，调节喷口6与待处理工件表面的距离，基本保持在3～4mm。

(2)采用HeNe准直激光源调节激光束，目测使激光束与喷嘴体1的中轴重合，并移动透镜，选择所需的激光束斑。

(3)连接气体管路，在气瓶出口处分别安装质量流量控制计，并检查密封接口，调节气流大小，使其气流通过气流通道5时流量在1000SCCM～5500SCCM范围之内，流动模式为层流。