一种激光-射流电化学混合抛光的方法
1.本发明公开了一种激光-射流电化学混合抛光技术，用于在日常环境下以激光辐照混合灵活射流的方式加工基体，提高表面反光度并降低表面粗糙度，因而有效提高抗菌性、耐磨性。
背景技术：
2.不锈钢是一种常见的金属材料，从居家日用到军用、航空航天领域都有其广泛应用。不锈钢生产后常需要一种后处理手段来提高其表面性能及使役寿命，抛光是种平滑基体表面的方法，因其能够有效地提高基体表面各项性能和增加后处理镀层的稳定性而作为一种常见的后处理手段被广泛使用。然而，被抛光的对象常常具有复杂的形状，普通的磨抛难以对其表面进行处理，因此需要一种灵活的、不受材料尺寸与形状限制的，且具备一定的抛光精度与抛光效率抛光手段。为此，人们发明了各种非接触式的抛光手段，传统的浸入式电化学抛光因其解决了精度、效率及复杂形状加工等问题而成为应用广泛的抛光技术，但这种技术不能够对任意尺寸的工件进行处理，且电化学抛光常用的电解质为并不环保的强酸。另外的，喷丸处理解决了任意尺寸加工的问题，但其精度较低且耗时太长；喷砂处理时会造成一定的污染，且会对操作人员的身体健康产生危害。
3.激光抛光是近年来随着激光器的广泛使用而兴起的抛光手段，作为一种非接触式抛光而具有较高的加工灵活性，可对不同形状的工件进行加工。在使用激光完成铣削、抛光，焊接等过程时，激光器辐照的激光通过非接触式手段传递热能到基板表面，由控制器的精准控制完成加工所需要达到的效果。当激光用于抛光时常需要在氩气氛围下完成，因为在大气环境下基体很容易与大气中的氧、氮发生热反应，导致基体表面发生开裂和颜发黄的现象。因此，激光抛光虽然有灵活性方面的优势，但对于实际应用极为苛刻，且热效应通常会带来热应力而弱化抛光的效果。
4.射流电化学抛光是一种基于传统浸入式电化学抛光的“黏性膜理论”而发展起来的抛光技术，虽然实现抛光的选择性材料去除的机理相同，但射流工况下的溶液流速、电解质更新速率都不同于浸入式抛光，且电场分布与浸入式抛光也存在很大差异；因此在实际的射流电加工时，基体表面会产生因电场分布不均和射流影响而导致的抛光不均匀的现象，因此需要一种非接触式的抛光手段作为辅助来改善抛光效果。
5.传统电化学抛光通常使用三酸电解质(即：磷酸、硫酸、三酸)，三酸电解质由于其适用性强、效果好而成为企业抛光的主要电解质，然而这类电解质本身存在着污染属性，电解质不宜处理，而且由于酸性溶液易对水管、电极等工作设备有着腐蚀危害，所以这类电解质也是不宜用作射流电抛光的。
6.射流电化学抛光首先需要采用一种不含腐蚀性及强碱性的电解质以保证工作设备的寿命以及电解液腐蚀效应对于其作为电解液本身的电化学性能的影响，盐的水溶液由于其无法生成黏性膜故而不能从原理上具备抛光所需要条件而只能被用于电化学打孔等。
7.近两年，一系列的离子电解液因其本身的环保属性被广泛关注，其中，人们开始开
展醇-盐体系的电解质对于不锈钢和钛合金的浸入式电化学抛光的研究，常见的电解质有氯化钠-乙二醇、氯化胆碱-乙二醇、氯化胆碱-乙醛-甘氨酸-尿素-丙三醇等。本发明基于此类电解液并从原理出发到了适合射流电化学的电解质，其主要成分为氯化钠、乙二醇、丙三醇和乙醇。氯化钠是一种高电流效率的盐，对于氯化钠的研究中发现氯化钠基的溶液即使在低电流下也能保持高电流效率。乙二醇是一种有较高黏性的稳定性较好的溶剂，在醇-盐体系中因其电性能稳定而被广泛使用。由于射流时的溶液流速太快，黏性膜难以保持，适量的丙三醇被加入来增加溶液的黏性以及射流流液成柱状时的稳定性，经研究、黏性膜中主要是氯离子和高价基体离子的混合物，这些离子在乙醇中的溶解率较大，因此加入适量的乙醇用于改善离子堆积对射流电抛光的不利影响。
8.本发明采用的电解液具有无污染、效率高等性质，具有取代酸性溶液抛光的潜力，也恰好很适合应用于激光-射流电化学混合抛光。激光-射流电化学混合抛光利用水泵将液流射向基体表面，在适当电压的作用下不锈钢基体表面因电流的作用而被抛光，使用激光作为辅助来弥补射流电化学抛光中的缺陷，作为溶剂的电解液溶解了被去除的基体，形成了一种具有更高粘附性、高电阻的黏性膜。由于这种黏性膜在基体不同粗糙度的部分分布不一，常体现为在微观凹表面比微观凸表面累积更厚，因此微观表面更凸出的部分具有更低的电阻，相对去除率更高、去除速度更快。在这种选择性去除的作用下，基体表面变得平整，呈现出低粗糙度与高反光率。在射流处理下的基体具备较低表面粗糙度与较高反光度，具有不亚于浸入式抛光的潜力。
9.对于激光-射流电化学混合抛光，本发明采用的电解液具有独特性，一方面来说：粘稠电解质的使用使得整个射流电化学抛光过程更加稳定，主要体现在电化学反应中生成的黏性膜可以在一定压力的流液冲击下仍保留在基体表面，保证了电化学抛光所需要的条件；另一方面，持续生成的黏性膜阻碍了基体和大气的接触，在激光的直接作用下也不会出现氧化、氮化等现象，使得激光可以被引入到射流电化学抛光的过程中来成功改善单一的射流式抛光的缺陷；最后，液流的循环也能通过调控温度而增益了选区抛光的效果。
10.在基体抛光领域，对形状复杂材料的抛光可以提高材料的表面性能与使役寿命。因此，基于电化学抛光原理，本发明提出了一种射流电化学抛光的方法，可以更灵活地抛光工件，突破形状尺寸限制。
技术实现要素：
11.本发明目的是提供一种激光-射流电化学混合抛光的方法。利用喷射头与水泵将环保无酸电解液喷向基体，使用与喷射头同轴的激光器向射流电作用区域辐照激光，在适当的电压参数和激光参数下对基体进行激光-射流电化学混合抛光(如图1所示)。
12.本发明的技术方案如下：
13.一种激光-射流电化学混合抛光的方法，所述方法为：
14.(1)对不锈钢待处理的表面进行清洗、风干；
15.(2)将经过步骤(1)预处理的不锈钢夹持在工作台上作为阳极，以喷嘴作为阴极，喷嘴垂直对准阳极工件，将激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴并调整好二者之间的相对距离为固定值，启动水泵，电解液通过喷嘴射向不锈钢工件，同时开启激光器辐照射流电作用区域，进行激光-射流电化学混合抛光；
16.抛光的电解液组成为：nacl 58.44g/l，溶剂为乙醇、乙二醇和丙三醇体积比2:8:1的混合溶剂；
17.抛光的电工艺参数为：恒压模式，脉冲电源电压调整为300-600v、脉冲频率为50-600hz、占空比为20-60％；电源为脉冲电源；
18.抛光的激光工艺参数为：激光功率调整为50-80w；光源为蓝光激光器；
19.激光-射流电化学混合抛光的处理时间为2-3min；电解液流体的流量为1-2l/min，液柱直径为4mm；
20.阴极不锈钢液流喷嘴为通心柱体，内径4mm、外径8mm，喷嘴与工件的极间距为h＝8-30mm，如图2所示；激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴且二者之间的相对距离在234-254mm。
21.相对于现有技术，本发明的有益效果主要体现在：
22.(1)本发明基于电化学抛光技术，使用的离子电解液较为环保。
23.(2)相比于传统的浸入式电化学抛光，本发明突破了传统浸入式抛光的尺寸限制，可对任意尺寸选区抛光，且加入了激光辅助，极大地提高了抛光效率的同时又很少受到激光抛光负面效应的影响。
24.(3)本发明采用的电解液相对于传统的酸性电解液及目前被广泛研究的离子电解液更适合射流电化学抛光，对于激光-射流电化学混合抛光而言该电解质具有独特性，一方面稳定了射流电化学效果，另一方面降低了大气中激光的作用带来的不利影响。
25.(4)激光-射流电抛光作用后的基体粗糙度有着明显的降低，具备较好的精度。
附图说明
26.图1激光-射流电化学混合抛光的方法示意图。
27.图2激光-射流混合作用区域与原理图。
具体实施方式
28.下面通过具体实施例进一步描述本发明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
29.以下实施例中的不锈钢工件材料为304型不锈钢，试样尺寸为50
×
50
×
1mm。
30.实施例1
31.1)对不锈钢进行前处理，包括清洗，烘干。
32.2)配置电解液：电解液组分为：nacl 58.44g/l、溶剂为乙醇、乙二醇和丙三醇的混合溶剂，乙醇、乙二醇与丙三醇的体积比为2:8:1；
33.3)设定射流电化学工艺：恒压模式，脉冲电源电压调整为300v、脉冲频率为50hz、占空比为20％；
34.4)设定蓝光激光的功率为50w；
35.5)对工件进行2min的射流抛光处理，电解液流量为1l/min，液柱直径为4mm，射流喷嘴与工件的极间距为h＝10mm；激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴且二者之间的相对距离在234nm。
36.对所抛光处理后的表面进行检测，处理后表面粗糙度由614nm降低至194nm。
37.实施例2
38.1)对不锈钢进行前处理，包括清洗，烘干。
39.2)配置电解液：电解液组分为：nacl 58.44g/l、溶剂为乙醇、乙二醇和丙三醇的混合溶剂，乙醇、乙二醇与丙三醇的体积比为3:9:2；
40.3)设定射流电化学工艺：恒压模式，脉冲电源电压调整为400v、脉冲频率为100hz、占空比为30％；
41.4)设定蓝光激光的功率为60w；
42.5)对工件进行2min的射流抛光处理，电解液流量为1l/min，液柱直径为4mm，射流喷嘴与工件的极间距为h＝10mm；激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴且二者之间的相对距离在234nm。
43.对所抛光处理后的表面进行检测，处理后表面粗糙度由623nm降低至181nm。
44.实施例3
45.1)对不锈钢进行前处理，包括清洗，烘干。
46.2)配置电解液：电解液组分为：nacl 58.44g/l、溶剂为乙醇、乙二醇和丙三醇的混合溶剂，乙醇、乙二醇与丙三醇的体积比为2:8:1；
47.3)设定射流电化学工艺：恒压模式，脉冲电源电压调整为600v、脉冲频率为200hz、占空比为40％；
48.4)设定蓝光激光的功率为70w；
49.5)对工件进行2min的射流抛光处理，电解液流量为1l/min，液柱直径为4mm，射流喷嘴与工件的极间距为h＝20mm；激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴且二者之间的相对距离在234nm。
50.对所抛光处理后的表面进行检测，处理后表面粗糙度由604nm降低至155nm。
51.实施例4
52.1)对不锈钢进行前处理，包括清洗，烘干。
53.2)配置电解液：电解液组分为：nacl 58.44g/l、溶剂为乙醇、乙二醇和丙三醇的混合溶剂，乙醇、乙二醇与丙三醇的体积比为2:8:1；
54.3)设定射流电化学工艺：恒压模式，脉冲电源电压调整为500v、脉冲频率为50hz、占空比为55％；
55.4)设定蓝光激光的功率为80w；
56.5)对工件进行2min的射流抛光处理，电解液流量为1l/min，液柱直径为4mm，射流喷嘴与工件的极间距为h＝30mm；激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴且二者之间的相对距离在254nm。
57.对所抛光处理后的表面进行检测，处理后表面粗糙度由586nm降低至169nm。
58.实施例5
59.1)对不锈钢进行前处理，包括清洗，烘干。
60.2)配置电解液：电解液组分为：nacl 58.44g/l、溶剂为乙醇、乙二醇和丙三醇的混合溶剂，乙醇、乙二醇与丙三醇的体积比为2:8:1；
61.3)设定射流电化学工艺：恒压模式，脉冲电源电压调整为550v、脉冲频率为400hz、占空比为50％；
62.4)设定蓝光激光的功率为50w；
63.5)对工件进行2min的射流抛光处理，电解液流量为1l/min，液柱直径为4mm，射流喷嘴与工件的极间距为h＝15mm；激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴且二者之间的相对距离在239nm。
64.对所抛光处理后的表面进行检测，处理后表面粗糙度由662nm降低至206nm。
65.测试表明本发明所抛光处理后的反光度显著提高、粗糙度显著降低320％-390％。
66.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
技术特征：
1.一种激光-射流电化学混合抛光的方法，其特征在于，所述方法为：(1)对不锈钢待处理的表面进行清洗、风干；(2)将经过步骤(1)预处理的不锈钢夹持在工作台上作为阳极，以喷嘴作为阴极，喷嘴垂直对准阳极工件，将激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴并调整好二者之间的相对距离为固定值，启动水泵，电解液通过喷嘴射向不锈钢工件，同时开启激光器辐照射流电作用区域，进行激光-射流电化学混合抛光；抛光的电解液组成为：nacl 58.44g/l，溶剂为乙醇、乙二醇和丙三醇体积比2:8:1的混合溶剂；抛光的电工艺参数为：恒压模式，脉冲电源电压调整为300-600v、脉冲频率为50-600hz、占空比为20-60％；电源为脉冲电源；抛光的激光工艺参数为：激光功率调整为50-80w；光源为蓝光激光器。2.如权利要求1所述的激光-射流电化学混合抛光的方法，其特征在于，激光-射流电化学混合抛光的处理时间为2-3min。3.如权利要求1所述的激光-射流电化学混合抛光的方法，其特征在于，电解液流体的流量为1-2l/min，液柱直径为4mm。4.如权利要求1所述的激光-射流电化学混合抛光的方法，其特征在于，阴极不锈钢液流喷嘴为通心柱体，内径4mm、外径8mm，喷嘴与工件的极间距为h＝8-30mm。5.如权利要求1所述的激光-射流电化学混合抛光的方法，其特征在于，激光器出光口与喷嘴出液口保持同轴且二者之间的相对距离在234-254mm。
技术总结
本发明公开了一种激光-射流电化学混合抛光的方法，主要利用激光辐照联合电解液的通电喷射对不锈钢表面进行处理，以此来解决传统电化学抛光灵活性低、形状尺寸受限、射流电化学抛光中存在的精度不足和激光抛光过程中试样易氧化发黑的问题；本发明的主要创造性体现在：激光-射流电化学混合抛光具有较大灵活性，能在日常环境下对大尺寸、异形状的工件进行选区抛光，有效降低工件表面的粗糙度和提高表面反光度，且不会在基体表面产生氧化、形貌缺陷。形貌缺陷。
