激光燒結(jié)固化涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用激光燒結(jié)固化涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光材料加工是一種非接觸、無(wú)污染、高能流、低噪聲、可實(shí)現(xiàn)多種加工目的的綠色加工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是激光與材料(包括金屬和非金屬)相互作用的過(guò)程，即通過(guò)激光光子與材料的相互作用，引起材料一系列的物理和化學(xué)變化，從而實(shí)現(xiàn)材料的制備、改性和成型等加工目的。
[0003]目前，材料加工領(lǐng)域所應(yīng)用的激光器仍然以C02激光器、燈泵Nd:YAG固體激光器及準(zhǔn)分子激光器為主。伴隨著半導(dǎo)體激光器的快速發(fā)展，二極管泵浦固體激光器(全固化激光器)的應(yīng)用也獲得了較快的推廣。通常所指激光材料加工主要包括:1、激光對(duì)材料的切割、焊接、熔覆、打孔、打標(biāo)、彎曲成形和表面處理等加工過(guò)程；2，激光微加工；3，激光快速原型制造等?，F(xiàn)在激光對(duì)材料的切割、焊接、打孔、熔覆、熱處理等加工己廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、船舶甚至于家具、鐘表等行業(yè)，解決了許多常規(guī)方法無(wú)法加工或很難加工的問(wèn)題，如高強(qiáng)鋁合金的激光加工等，大大提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。激光加工設(shè)備己發(fā)展為標(biāo)準(zhǔn)的激光機(jī)床，并繼續(xù)向體積小、性能可靠、加工系統(tǒng)整合性好的方向發(fā)展。激光對(duì)材料的微區(qū)切害I]、焊接、打孔、打標(biāo)、刻蝕、清洗和毛化等細(xì)微加工技術(shù)己發(fā)展成為其他加工方法所無(wú)法替代的獨(dú)特技術(shù)，主要應(yīng)用于微電子領(lǐng)域的激光劃片、激光微調(diào)電阻、激光直寫(xiě)、半導(dǎo)體激光清洗和光刻等。激光快速原型制造是自上世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來(lái)的全新零部件制造技術(shù)，能夠有效克服傳統(tǒng)制造技術(shù)中存在的重復(fù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)等的缺點(diǎn)，達(dá)到更快更好地制造出更復(fù)雜零件的目的。近年來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家的加工業(yè)已逐步進(jìn)入“光加工”時(shí)代，將激光加工稱(chēng)為未來(lái)制造系統(tǒng)共同的加工手段。在我國(guó)，1963年研制成功激光打孔機(jī)，1965 一年正式在拉絲模和手表寶石軸承上采用激光打孔。1976年開(kāi)始在汽車(chē)制造業(yè)中使用激光切割，1978年起系統(tǒng)地進(jìn)行了激光熱處理研究和工業(yè)應(yīng)用，并取得了良好的效果。到目前為止，我國(guó)在激光切割、焊接、打孔、毛化、打標(biāo)等方面已有許多成功的應(yīng)用范例，激光合金化和熔覆、激光快速三維立體成型等都己開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化階段。
[0004]含氟涂料，一般稱(chēng)作“不粘涂層”或“易潔鑊物料”；是一種使用了氟取代聚乙烯中氫原子的人工合成高分子材料。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，幾乎不溶于所有的溶劑。同時(shí)，含氟涂料具有耐高溫的特點(diǎn)，它的摩擦系數(shù)極低，所以可作潤(rùn)滑作用之余，亦成為了易潔鑊和水管內(nèi)層的理想涂料。
[0005]含氟涂料通常包括聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯一全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)和氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)。這些涂料的涂覆過(guò)程包括將上述含氟涂料的乳液涂覆于工件表面、低溫烘干及高溫?zé)Y(jié)固化。燒結(jié)固化的過(guò)程是在超過(guò)含氟涂料本身的熔點(diǎn)的溫度下保持一段時(shí)間，使工件表面的涂料顆粒發(fā)生熔融，形成一個(gè)連續(xù)、完整的涂層，并與工件表面緊密結(jié)合。
[0006]含氟涂料的熔點(diǎn)通常高于300°C，因此燒結(jié)過(guò)程的溫度通常在320_400°C，時(shí)間在0.25至1小時(shí)。這個(gè)過(guò)程中的高溫對(duì)于工件的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生損害性的影響，特別是其微觀結(jié)構(gòu)，熱量的輸入可以使應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致不期望的擴(kuò)散效應(yīng)或晶粒生長(zhǎng)，并且因此使之前的構(gòu)件結(jié)構(gòu)破壞、硬度降低。
[0007]此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，燒結(jié)固化通常是在燒結(jié)爐中進(jìn)行。燒結(jié)爐是一個(gè)內(nèi)部具有加熱元件的密封箱體。由于箱體的容積有限，因此箱體的尺寸決定了所能燒結(jié)的涂覆涂料的工件的大小。非常規(guī)被涂覆物，如型材、鋼材并不容易涂覆、燒結(jié)。
[0008]如上文所述，激光束是一種新型的高能量密度清潔熱源，如果將激光技術(shù)應(yīng)用于涂料燒結(jié)工作，可望改進(jìn)上述涂料燒結(jié)技術(shù)的缺陷，因此，將激光技術(shù)應(yīng)用于涂料燒結(jié)領(lǐng)域，具有廣泛的發(fā)展前景。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決以上所述的現(xiàn)有的缺陷:1，長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)Y(jié)對(duì)于工件硬度、結(jié)構(gòu)的損害；2，使用燒結(jié)爐燒結(jié)對(duì)于工件尺寸、加工地的限制，發(fā)明人發(fā)明了使用激光作為加熱源對(duì)工件表面涂覆的含氟涂料進(jìn)行燒結(jié)的方法。
[0011]本發(fā)明首先涉及一種使用激光燒結(jié)固化涂料的方法，其特征在于，使用激光作為熱源對(duì)待燒結(jié)產(chǎn)品表面涂覆的涂料進(jìn)行燒結(jié)固化。
[0012]本發(fā)明所述的激光的波長(zhǎng)范圍193nm_351nm、1050nm-1070nm、10640nm、功率20-1000W、
本發(fā)明所述的激光光源可以是
(1)點(diǎn)狀激光發(fā)生器，
或(2)連續(xù)的點(diǎn)狀激光發(fā)生器組成的線性組合激光發(fā)射器，
或(3)對(duì)激光光束進(jìn)行整型或變形，將點(diǎn)狀激光整形為線型光束或狹長(zhǎng)面激光，
(3)中所述的激光光束的整型可以使用多種整型方式，例如通過(guò)棱鏡、多個(gè)反光鏡與多個(gè)棱鏡的組合、多個(gè)棱鏡的組合、二元光學(xué)元件、光楔列陣(SWA)聚焦光學(xué)系統(tǒng)、液晶空間光調(diào)制器、雙折射透鏡組等將點(diǎn)狀激光整形為所述線型光束或狹長(zhǎng)面光束；或以高速震蕩的方式，在直線軌跡上掃描點(diǎn)狀激光發(fā)射器，從而獲得將點(diǎn)狀激光整型為線狀或狹長(zhǎng)面激光的效果，經(jīng)整形后的激光束均勻分布呈線狀或呈狹長(zhǎng)面，激光能量均勻分布于線狀或狹長(zhǎng)面上。
[0013]本發(fā)明所述方法為，通過(guò)激光對(duì)待燒結(jié)產(chǎn)品表面涂覆的涂料進(jìn)行特定路徑的掃描，從而燒結(jié)待燒結(jié)產(chǎn)品表面的涂料燒結(jié)面。
[0014]本發(fā)明所述的方法中，通過(guò)控制激光掃描的速率，對(duì)涂料的燒結(jié)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0015]本發(fā)明所述的方法中，根據(jù)特定涂料的折射率，選擇不同的波長(zhǎng)的激光，輻照時(shí)間。
[0016]本發(fā)明所述的方法中，更優(yōu)選的方式為使用多個(gè)激光發(fā)生器組，所述激光發(fā)生器組通過(guò)特定的排列，形成更大的燒結(jié)線/面。
[0017]本發(fā)明還涉及一種用于對(duì)涂覆了涂料的產(chǎn)品表面進(jìn)行燒結(jié)固化的激光燒結(jié)裝置，所述的裝置包括，激光發(fā)生器，激光發(fā)生器控制元件，所述的控制元件用于控制激光燒結(jié)裝置的燒結(jié)參數(shù)，所述參數(shù)包括但不限于，激光移動(dòng)路線、移動(dòng)速率，激光發(fā)射功率，激光發(fā)射功率密度及激光光斑面積。
[0018]所述的激光燒結(jié)裝置還可以包括溫度檢測(cè)元件，所述的溫度檢測(cè)元件用于檢測(cè)溫度，優(yōu)選的，所述溫度檢測(cè)元件還具有數(shù)據(jù)輸出功能，
優(yōu)選的，本發(fā)明所述的激光燒結(jié)裝置的激光發(fā)生器控制元件對(duì)于溫度檢測(cè)元件輸出的溫度數(shù)據(jù)具有分析處理功能，并根據(jù)分析處理結(jié)果調(diào)節(jié)激光發(fā)生器燒結(jié)參數(shù)。
[0019]本發(fā)明所述的激光燒結(jié)裝置的激光發(fā)生器可以是
(1)點(diǎn)狀激光發(fā)生器，
或(2)連續(xù)的點(diǎn)狀激光發(fā)生器組成的線性組合激光發(fā)射器，
或(3)對(duì)激光光束進(jìn)行整型或變形，將點(diǎn)狀激光整形為線型光束或狹長(zhǎng)面激光，
(3)中所述的激光光束的整型可以使用多種整型方式，例如通過(guò)棱鏡、多個(gè)反光鏡與多個(gè)棱鏡的組合、多個(gè)棱鏡的組合、二元光學(xué)元件、光楔列陣(SWA)聚焦光學(xué)系統(tǒng)、液晶空間光調(diào)制器、雙折射透鏡組等將點(diǎn)狀激光整形為所述線型光束或狹長(zhǎng)面光束；或以高速震蕩的方式，在直線軌跡上掃描點(diǎn)狀激光發(fā)射器，從而獲得將點(diǎn)狀激光整型為線狀或狹長(zhǎng)面激光的效果，經(jīng)整形后的激光束均勻分布呈線狀或呈狹長(zhǎng)面，激光能量均勻分布于線狀或狹長(zhǎng)面上。
[0020]針對(duì)本發(fā)明所涉及技術(shù)方案中的激光相關(guān)參數(shù)，根據(jù)被噴涂的涂料、環(huán)境的不同進(jìn)行修正，包括但不限于，根據(jù)涂料中的顏料對(duì)于激光的吸收量的差異或根據(jù)環(huán)境溫度的差異，調(diào)整激光器參數(shù)，使激光的參數(shù)滿足固化涂料的條件。
[0021]激光輻照含氟涂料的宏觀物理表象分為激光的吸收、部分反射和折射、含氟涂料的溫度升高及熔化等。這些過(guò)程的進(jìn)展特點(diǎn)既取決于激光的功率密度、輻照時(shí)間等激光工藝參數(shù)，也取決于被輻照含氟涂料的物理性能:如材料對(duì)激光的吸收系數(shù)、熱導(dǎo)率、比熱容以及材料的相變溫度、熔化溫度和密度等。本發(fā)明所述技術(shù)方案，優(yōu)化了上述參數(shù)，使用本發(fā)明所述的激光燒結(jié)方法，進(jìn)行燒結(jié)時(shí)不限制于燒結(jié)爐的大小，通過(guò)對(duì)激光的整型、多個(gè)激光并行使用，可以對(duì)于任意尺寸工件特別是大型工件的燒結(jié)，解決了大型工件的耐腐蝕處理問(wèn)題。此外，使用上述加工方式可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式、免拆卸、免運(yùn)輸加工，提高了工作效率。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的其他的優(yōu)點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)由以下所描述的實(shí)施例得出。工件需要進(jìn)行常規(guī)的前處理，如噴砂或MES腐蝕保護(hù)。
[0023]實(shí)施例1:
工件尺寸:200mm*200mm*3mm,工件材質(zhì):鋼。
[0024]對(duì)工件進(jìn)行噴砂表面處理。將PTFE底漆噴涂于工件表面。使用點(diǎn)狀激光發(fā)生器進(jìn)行20cm高速震蕩掃描，激光器為C02激光器，激光器功率為100W，光斑直徑4mm，沿震蕩方向的垂直方向移動(dòng)掃描兩2次使表面溫度升高至150°C，靜置10分鐘。
[0025]將PFA面漆噴涂于工件表面，使用點(diǎn)狀激光發(fā)生器進(jìn)行20cm高速震蕩掃描，激光器為C02激光器，激光器功率為400W，光斑直徑4mm，沿震蕩方向的垂直方向移動(dòng)掃描使表面溫度升高至380°C，靜置1分鐘，繼續(xù)同樣參數(shù)掃描至380°C，重復(fù)兩次，靜置10分鐘。
[0026]實(shí)施例2: