[发明专利]激光光管电极的电化学复合沉积制造方法与装置

说明书

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系统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。

所述光束调制系统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、光束调制系统、复合沉积制造系统；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系统调制为环形空心激光束；所述复合沉积制造系统包括工具阳极、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。