机设激光辅助电沉积毕业论文.doc

激光辅助电沉积工艺装置设计摘 要电沉积技术是提高机件表面耐磨性和耐蚀性的重要途径，Ni基合金及复合镀层兼有耐磨和耐蚀性能，是用于解决化工、石油、电力等部门机械设备腐蚀磨损问题的可选材料。复合镀层是近年来电沉积领域的重点发展方向，但常规电沉积复合镀层由于第二硬质相的加入，增加了材料的组织不均匀性，在提高镀层耐磨性的同时降低了其耐蚀性能，限制了复合镀层的应用范围。本次设计主要介绍了一般的电沉积过程中加入了激光辐射，利用激光的热效应和激光本身的光效应提高镀层质量，达到增加试样耐腐蚀耐磨损性能的目的。本次设计的主要内容是机械装置的设计、液压系统的设计和激光器的选择。在机械装置设计中，机架起着支撑作用；电动机是动力来源；卡盘和顶尖保证了试样的正常运转；螺杆机构是在试样的直径不同时，调节镀笔与试样间的距离；搅拌系统使镀液中的颗粒悬浮；联轴器和轴承等机械零件保证了运动的连续性和灵活性。在液压系统设计中，根据实验的情况和目的，对液压缸、液压泵、溢流阀、过滤器的型号进行了相应的选择和合理的布局。同时，通过对不同种类激光器的比较和实验工艺装置条件的分析，选择了二氧化碳激光器。总体而言，本设计基本实现结构简单且易于操作。关键词：电沉积，激光辅助，工艺装置，镀层DESIGN OF LASER AIDING ELCTRODEPOSITION PROCESS INSTALLMENTABSTRACTElectrodeposition is an important approach to enhance wear and corrosion resistance and fine corrosion resistance can be used as a solution to the erosion problem in chemical industry, petroleum, electric power ets departments.Composite coatings is a key aspectduring the development of electrodeposition. but in general, the adding of second hard phase lead to decreasedas a cost of increase of wear resistance, which limit composite coatingsapplication extension.This design mainly introduced in the general galvanic deposit process has joined the laser radiation, the use laser thermal reaction and the laser itself photoeffect enhancement coating quality, achieves the increase test specimen anti-corrosive wearability performance the goal.This design primary coverage is the mechanism design, the hydraulic system design and the laser choice. In the mechanism design, the rack is playing the support role; The electric motor is the power origin; The chuck and the apex have guaranteed the test specimen normal work; The screw rod organization is when the test specimen diameter different, the adjustment plates distance between the pen and the test specimen; The agitation system causes to plate in the fluid the pellet aerosol; The shaft coupling and the bearing and so on the machine parts have guaranteed the movement continuity and the flexibility. In the hydraulic system design, according to the experimental situation and the goal, to the hydraulic cylinder, the hydraulic pump, the overflow valve, the filter model has carried on the corresponding choice and the reasonable layout. At the same time, through to the different type laser comparison and the experimental craft installment condition analysis, has chosen the carbon dioxide laser.Overall, this design basic realization structure simple also easy to operate.KEY WORDS：Electrodeposition, laser aiding, technological set-up, coating目 录前言1第一章 绪论31.1 电刷镀31.1.1 电刷镀技术的原理及特点31.1.2.镀层的形成及结构41.1.3电刷镀技术的发展及应用51.2 激光强化电沉积机理71.3 激光辅助电沉积71.3.1 普通电刷镀技术的局限性71.3.2 激光电沉积技术的特点与应用前景9第二章 装置的方案设计122.1 激光辅助电沉积系统组成122.2 激光辅助电沉积装置12第三章 机械装置的总体设计143.1 运动方案143.2 机械装置的设计143.2.1 电动机的选择143.2.2 螺杆座滑动系统153.2.3 搅拌系统163.3 激光器的选择163.3.1 激光加工设备的组成163.3.2 激光器的分类和选择173.4 液压系统零件的选择173.4.1 液压泵173.4.2 液压缸183.4.3 溢流阀183.4.4 过滤器18第四章 结论20 参考文献22致 谢23前 言随着科学技术的进步。对各种材料的性能要求越来越高，有时单一的技术手段己无法满足现代工业和科学技术对材料制备和材料性能的要求，因此，在材料的制备过程中，将两种或多种制备手段组合取长补短是目前材料制备发展的一个新方向。激光是本世纪60年代出现的重大科学技术成就之一，激光束的英文名字是Laser Beam，而lase:是light amplification by sitmulated emission of radiation的简称。其含义是受激发射的光放大。激光具有能量密度高、易于传输、作用时间短等特点，几乎被各类表面技术所采用。用激光对材料进行辐射时，其光能会被材料表面吸收，并转化为热能。激光束对材料的作用特点如下：以束流的形式作用在金属表面，属非接触式作用，没有机械应力作用，由于激光的加热和冷却速度都很快。作用层较浅，热应力极小，因此工件变形小;可使材料表面的温度瞬时上升至相变点、熔点甚至沸点以上，并产生一系列的物理或化学的现象:激光束加热面积可根据需要任意选择，可控性好。近十年，激光技术在工业中的应用发展迅速，在汽车、冶金、纺织、机械、电力、电子等工业中己获得成功应用。激光镀技术可实现高的沉积速度和更佳的镀层与基体的结合状态，因为当激光照射电沉积过程中的阴极即被镀J几件时，阴极吸收激光能量的结果使得金属和镀液界面的温度局部增加从而产生如下二种主要效应： (1)温度升高，电荷转移速度增加；(2)吸收了能量的金属离子在阴极放电变为原f的速率增加：(3)热梯度镀液出现强烈的微搅拌，高功率的激光还使镀液局部沸腾，明显提高传质速度，从而提高了沉积速度。因此在电沉积过程中加入激光可使电子转移加快，反应的活化能降低，过电位减小，沉积速度提高，沉积物更加规则和致密，颗粒和枝晶变小，镀层的致密度和光洁度得到提高;同时，由于激光的热效应，可使基体的表面与镀层发生熔合，镀层与基体的结合力大大提高。可见将激光技术与电沉积技术相结合，能在很大程度上解决常规电刷镀技术现存的问题，激光镀技术可实现高沉积速度和产生高的结合强度.得到较厚的镀层因而可大大提高电沉积的工作效率，提高镀层与基体的结合强.度，使镀层能在更广泛或更为苛刻的工况条件卜得以应用，激光技术给电沉积技术注入了新的生命力，必将给电沉积技术带来更大的发展前景。通过大量的实验和理论探索，发现在激光的强化作用下，镀液沉积速度大大加快，所制备的镀层粗糙度减小，其内部晶粒尺寸变小，致密度增加，而且能提高镀液中纳微米粒子的沉积速度并改善其分布状态，大大提高改善粒子的作用。激光辅助电沉积技术主要有以下特点：1） 沉积速度高。可获得超过常规电镀上千倍的镀速，结合溶液喷射时，镀金速度可达30um/s以上；2） 沉积时高度的区域选择性。沉积金属线条宽度可达1-2um，能实现微区域局部镀覆和零件的精确修复；3） 镀层与基体有一定的相互扩散，提高了结合力。基体与镀层之间有一层“互融层”，此“互融层”使镀层与基体的结合力增强。产生此过渡层的原因是激光的照射使得镀层与基体表面之间的相互扩散所致。另外，激光照射使得电沉积的金属晶粒聚集直径变小，从而使镀层更加致密，镀层的质量有所提高；1）对镀层晶核生长有一定的取向性。2)易于现代信息技术，控制技术结合，可实现沉积过程的自动化。如通过计算机来控制激光束的扫描轨迹可以精确地镀出预期的各种线路图形；3）可在常温下工作，条件温合，工艺简化，节约大量贵金属。第一章 绪 论1.1 电刷镀1.1.1 电刷镀技术的原理及特点 电刷镀技术是金属表面工程的重要技术之一，属于表面涂覆技术，在金属材料的表面防护、表面强化、改善材料表面性能以满足某些特殊要求、加工超差零件和磨损报废零件的修复、金属与非金属的表面装饰等方面，电刷镀技术起着极为重要的作用。它是以专用直流电源为能源，通过浸有镀液的镀笔在被镀仁件表面的相对运动，使镀液中的金属离子在被镀厂件表面放电结晶形成所需镀层的工艺，其基本原理示意图如图1.1所示，在刷镀过程中，镀笔接电源止极，作为刷镀时的阳极;被镀工件接电源的负极作刷镀时的阴极:镀笔前端采用高纯细石墨块作阳极材料，墨块外面包裹上棉花和耐磨的涤棉套以便储存镀液，防止阳极与件直接接触而产生电弧，提高镀笔连续工作时间。当浸满镀液的镀笔以一定的相对运动速度和适当的压力在件表面上移动时，镀笔与工件的接触部位由于电场力的作用，镀液中的金属离子扩散到工件表面，在表面获得电子后还原成金属原子，这些金属原子沉积结晶就形成了镀层。 图1.1 电刷镀原理示意图电刷镀技术的基本原理可以用下式表示: +ne式中金属正离子；n该金属的化合价数； e电子；金属原子。 电刷镀层的形成从本质上讲和槽镀相同，但它又具有许多不同于槽镀的特点:1）、设备简单，便于携带，操作灵活方便;2）、电刷镀时，镀笔与工件始终保持一定的相对运动速度，镀层的形成是一个断续结晶过程，镀液中的金属离子只在镀笔与工件接触部位放电、还原结晶，镀笔的移动限制了晶粒的长大和排列，使镀层存在的大量的超细晶粒和密度极高的位错，促使镀层强化;3）、使用比槽镀大几倍到几十倍的电流密度，仍然得到均匀致密、结合良好的镀层，镀积速度也随之可比槽镀快5-50倍4）、刷镀溶液大多数是金属有机络合物水溶液，金属离子含量高，且镀液的稳定性能好、对环境污染小。配有专用除油和锈的电解溶液，表面预处理效果好，镀层质量高，结合强度大。5）、镀液种类多，应用范围广。目前已有一百多种不同用途的镀液，适用于各个行业不同的需要。因此电刷镀技术己广泛应用于飞机、舰船、机车、机床、模具、印刷机械和采矿机械的修复并发挥出了突出的实用价值。1.1.2.镀层的形成及结构 金属离子在阴极上还原成金属原子，形成镀层由下列步骤组成:() 离子或他们的络离子向阴极表面或附近迁移。(2) 金属离子在阴极上脱水并与阴极上的电子反应，变为中性质点(分子或原子)(3) 原子在晶格中分配排列，即晶核的生成长大。金属离子在阴极表面放电变为中性质点后，并不直接进入晶格，而是沿着晶体表面进行着不规则的热运动。在运动过程中可能遇到许多相同的质点，这些质点便聚集形成晶核沉积在阴极表面。当质点聚集尺寸小于某一临界值时，将是不稳定的，会自动分解恢复原来的状态;当质点聚集尺寸大于某一临界值时，则晶粒就可继续长大成为晶粒，各晶粒相互连接长成一片，便形成了镀层。在电沉积无机硬质颗粒增强复合镀层过程时，意大利N.Gugliemi提出了无机颗粒共沉积理论，他认为悬浮于镀液中的非导电颗粒通过两个连续的吸附步骤发生共沉积，在第一步中，颗粒被带电粒子及溶剂所包覆，在阴极的紧密层外侧形成弱吸附，这一吸附过程是可逆的，其实质是一种物理吸附;第二步中，在界面电场的作用下，颗粒的表面层被脱去，颗粒的一部分进入紧密层与电极接触，形成依赖于电场的强吸附，这一过程不可逆，其实质是化学吸附，继而强吸附的颗粒被生长的金属或合金所掩埋。最终形成复合镀层。1.1.3电刷镀技术的发展及应用 电刷镀技术的雏形在电镀历史上很早就出现过，最早可追溯到1899年，当时人们为补救电镀过程的次品而用一块布和棉团包裹阳极.吸满槽镀溶液，在作为阴极的待修工件上擦抹，使工件得以修复。因为当时情况下，电镀所用的阳极是用布和棉花包裹的，故人们称之为“棉塞团电镀(Tampon plating).当时只是有槽电镀技术的一种补充，尚未形成一种独立的专门技术。经过人约四十年后才在法国巴黎出现了用镀笔进行刷镀的技术。欧洲从1947年开始大量应用这一技术，北美则是从1954年才开始研究应用此项技术。随后的十年里，一些电刷镀的专用工具和专用镀液在法国、美国和英国相继取得了专利。如美国于1965年出Selectron process，法国于1965年出现了“Dalic process。接着。英国、瑞卡、前苏联、日本先后发展了这一技术171。自从1979年春我国开始由美国塞莱创公司引进刷镀技术以来，国家经委曾决定该项技术为“六五”计划期间的重点推广项目之一，并继续列为“七五”计划期间国家重点推广项目之一。电刷镀技术在人量的应用推广过程中，已获得了显著的经济效益，该项成果于1984年11月被授予国家级科学技术进步一等奖。时至今日，在不到二十年的时间里，我国在自行开发研制新的镀种，开拓刷镀技术应用新领域及在刷镀理论等方面取得了丰硕的成果。现代科学和工业技术的发展，对材料表面性能提出了多种多样的要求，仅靠单一金属镀层已不能满足各种特殊表面性能的要求。因此，近年来各种合金电沉积的研究和应用日益为人们所重视，成为非常活跃的领域。关于介绍合金电镀的著作，较早的有A.Brenne:的合金的电沉积.总结了1960年以前的研究成果。之后，Akrohn发表文章概括了直至1970年。R.D.Srirastava等的文章收集了直至1974年发表的关于一元合金的文献。此外，还有V.A.Vekin1, P.M.Vyacheslavov1, F.A.Lowemheim等、E.Raub以及仓知三夫等的著作和总结性文章。由于合金镀层具有单金属所没有的某些性能，近年来已开展广泛应用于现代工业和科学技术的各种领域，包括电子器件、计算机、通讯设备、航空、汽车、机械等各个部门。合金镀层主要分为:(1)装饰和防护性合金镀层，主要有Cu-Sn镀层、Sn-Ni Zn-Ni镀层、Ni-Fe镀层及近年来研究开发的Ni-P非晶态组织镀层:(2)磁性合金镀层，主要为Ni-Fe系和Ni-Co系镀层;(3)电子和电器元件用合金镀层，以Pb-Sn和Pb-Ni合金镀层为主:(4)耐磨和减摩合金镀层，主要有Ni-Co. Ni-W, Ni-W-Co, Ni-P等合金镀层，其中，由于Ni-W-C。合金沉积速度快，镀层内应力小，可获得硬度高的较厚镀层而广泛用于要求高耐磨性的场合，并有取代Ni-Co, Ni-W合金之势。 近年来，为进一步提高镀层的性能，电镀技术由二元合金、三元合金发展到电镀复合材料。电沉积复合材料系用在常规的镀液中悬浮粉末状第二相物质而得到的，在整个电沉积过程中以搅拌的方法使颗粒处于悬浮状态。复合镀层具有较好的综合性能.是目前电沉积发展的重要方向。自1949年美国A.Simos获得第一个复合镀专利以来复合镀已有了很大发展，复合第二相从无机物发展到有机物，基质由单质金属发展到多元合金，复合镀工艺手段和方法也得到不断完善。1985年4月17-19日英国金属涂覆学会举办的60周年纪念会上。Foster等人提出了引人注日的“微粒共沉积的多元合金镀层，11lo C.A.Addisonl, R.Narayan1, M.Thoma 11及E. CledwardlN等人分别制取了Ni基、C。基、Fe基、Cu基与A1203. WC, SiC, Crz03等微粒复合的镀层。Raj, Narayan，总结了近年来复合电沉积的研究工作，指出:当硬质微粒弥散于硬而耐磨的基质中时可以获得最大的耐磨性能，Ni-SiC复合镀层的显微硬度比纯Ni镀层高1.5-2倍并且随着复合镀层中Al含量的增加而增大，同时AI203微粒的存在可提高镀层的屈服强度和拉伸强度。近年来国外大力发展高硬度高强度作基质金属的复合镀层，在美国、西德、日本等国用电沉积Ni-SiC复合镀层或化学镀Ni-P-SiC. Ni-BN复合镀层的铝合金汽缸每年达400万台。复合电镀和复合刷镀技术在国内起步较晚，1992年，张贤华、刘家俊在Wear上报道了他们电刷镀Ni-P-MOS2减摩复合材料的研究成果。 1993年，吴玉程采用电刷镀技术制取了Al2O3复合镀层，研究了电刷镀液中的复合相浓度和搅拌方式等_艺参数对复合共沉积量的影响。在之后的儿年中，有关复合刷镀的研究报道日渐增多，成为目前电沉积领域中很活跃的一部分，而且，当前关于复合镀层性能的研究已不再局限于单纯的耐磨或减摩，靳惠明、董伟在表面技术上报道了碱性化学镀Ni-P/CeO:复合镀层的耐蚀性研究旧，结果表明:Ce02颗粒改善了镀层的微观结构，并在腐蚀过程中表现出稀土元素所致的效应，提高了镀层的耐蚀性能。1.2 激光强化电沉积机理激光是20世纪60年代出现的重大科学技术之一，被誉为“万能之加工工具”，“未来制造系统的共同加工手段”，具有能量密度高，易于传输等特点，几乎被各类表面技术所应用。目前，将激光技术与表面技术互相结合而发展起来的一系列新的表面工程技术正日益显示出其独特性和巨大的潜力。1.3 激光辅助电沉积1.3.1 普通电刷镀技术的局限性 虽然电刷镀技术己广泛应用于机械、电子、航空、化一I等行业产品的修复、防护和装饰等方面，但电镀技术与其它一些表面技术相比，有着一定的局限性:刷镀技术制备的镀层其厚度相对较薄、内应力力沉积速度相对较慢，工作效率低;镀层与基体的结合强度有时不能满足机件的工作要求等。(1)在镀层的形成过程中，霍尔(Hoar)和阿诺密斯(Arrowsmith)认为在金属的电沉积过程中，处在表面的原子总是处于不平衡状态，沉积层表面存在着张应力，这种表面张应力只能延伸到镀层表面2A的深度，这种表面张力就会由原表面层传递给新沉积的一层，使原表面达到平衡。当沉积速度很高时，这种新的平衡来不及建立，使得部分表面张力被“冻结”而固定，表面上形成了空位，随着厚度的增加，形成了垂直于基体表面的空穴线，这种现象导致位错的产生，并且位错边缘沿空穴取向，于是镀层呈现张应力，随着镀层厚度的加大，应力积累增大，导致镀层内部微裂纹的产生。所以通常情况下刷镀层都比较薄，一般小于0.30mm(2)沉积速度较慢，对于特定的镀液，只能在一定的温度、电压范围内进行沉积。刷镀电压是电刷镀过程中一项重要的工艺参数，它在很大程度上影响着镀液的沉积速度，当刷镀电压选择偏高时，相应的刷镀电流偏高，阳极与刷镀表面之间发生的热量增大，容易造成镀层表面干燥。在这种情况下刷镀，镀液浪费大，阳极烧损严重，包裹材料与石墨阳极的界面处会出现较多的阳极泥，形成硬壳罩在阳极的外表，影响石墨阳极的导电性，电效率低，沉积的镀层粗糙发黑，可能会过热脱落。当刷镀电压偏小时。沉积速度太慢厂作效率低，镀层质量也会下降。因此，要获得质量较好的镀层，要按照每种镀液确定的电压范围选取最佳值，由于刷镀电压直接影响着镀液的沉积速度，所以。对于特定的镀液，其沉积速度只能限制在一定的范围内:镀笔与工件的相对运动速度也要根据镀液的性能确定，当镀笔与工件的相对运动速度太慢时，阳极与工件表面的接触处发热量大，镀层易变黑，局部还原时间长，镀层晶粒生长太快，组织粗大。如果镀液供给不充分及时，刷镀面局部离子贫乏，使镀层组织疏松。相对运动速度太快，电流效率和沉积速度都会降低，所形成的镀层虽然致密，但应力大，容易脱落。而且对于每一种镀液都有一个最人临界的相对运动速度，超过该速度，就根本不会形成镀层。因为每一种金属离子在阴极上还原变为中性质点，然后与同类质点集聚并长大，都要经历一个过程，需要一定的时间，当中性质点集聚还没有达到一定的临界尺寸时就会自动恢复原状态，所以也不会成核、长大、形成镀层。对于特定的镀液，为达到一定的工作效率，镀笔与工件的相对运动速度有一个最佳范围，因此镀层中的晶粒尺寸也局限在一定范围内，不能进一步细化。(3)电刷镀过程中，镀层金属与基材金属的结合主要有三种形式:机械镶嵌产生的结合;物理接触产生的结合;电化学行为产生的结合。其中占主导作用的是电化学结合，即镀液中的金属离子通过电化学反应还原成金属原子。与基材产生金属键合，由于镀层的品体及面结构和基材存在一定的差别，所以结合强度受到界面的结合状态、材料种类等多种因素的影响。电刷镀技术的这些特点限制了镀层质量的进一步提高，要获得更高性能的镀层，电刷镀技术需要进一步发展，突破原有技术的局限性。1.3.2 激光辅助电沉积技术的特点与应用前景随着科学技术的进步。对各种材料的性能要求越来越高，有时单一的技术手段己无法满足现代工业和科学技术对材料制备和材料性能的要求，因此，在材料的制备过程中，将两种或多种制备手段组合取长补短是目前材料制备发展的一个新方向。激光是本世纪60年代出现的重大科学技术成就之一，激光束的英文名字是Laser Beam，而lase:是light amplification by sitmulated emission of radiation的简称。其含义是受激发射的光放大。激光具有能量密度高、易于传输、作用时间短等特点，几乎被各类表面技术所采用。用激光对材料进行辐射时，其光能会被材料表面吸收，并转化为热能。激光束对材料的作用特点如下：以束流的形式作用在金属表面，属非接触式作用，没有机械应力作用，由于激光的加热和冷却速度都很快。作用层较浅，热应力极小，因此工件变形小;可使材料表面的温度瞬时上升至相变点、熔点甚至沸点以上，并产生一系列的物理或化学的现象:激光束加热面积可根据需要任意选择，可控性好。近十年，激光技术在工业中的应用发展迅速，在汽车、冶金、纺织、机械、电力、电子等工业中己获得成功应用。目前，将激光技术与表面技术互相结合而发展起来的一系列新的表面工程技术正日益显示其独特性和巨大的发展潜力。本世纪70年代末，Gutfeldl首次报道了激光照射到阴极某点上，可引起局部电流密度急剧增加的实验事实，美国IBM公司首先把激光应用于电镀作业中，激光电镀和激光化学镀在一些行业己开始得以应用。所谓激光镀技术，就是利用激光的热效应或光效应来增强或激发电镀或化学镀过程，从而在金属、半导体或绝缘体基体上不用掩模而实现微区金属镀覆的新技术。从1978年，IBM公司首次研究了Ar+激光增强Ni. Au. Cu的电沉积过程以来，此后这项研究不断引起人们的兴趣和重视，美、德、日本等国相继进行了研究。发表了不少专利，部分甚至己转化为实用生产技术。与传统的电镀丁艺相比，激光镀技术具有以下特点：(1)高度选择性。可以微区局部镀覆金属，金属线条宽度可以达到2 P m.(2) 广泛适应性。激光镀不但可以在金属(A1. Fe, W, Wo)上进行，还可以在多种平导体(Si. GaAs. In P)甚至绝缘体(陶瓷、微晶玻璃、聚酞亚胺、聚四氟乙烯)基材上直接镀覆Au. Ag, Pd. Ni.Cu等。(3)高速沉积性。激光诱导沉积速度大大提高，比常规电镀要高上千倍，如电镀金时结合喷镀可使Au沉积速度达30 u m/ s.(4)可以实现微机控制。利用计算机控制激光束的扫描轨迹可以得到预期的各种线路图形激光镀技术可实现高的沉积速度和更佳的镀层与基体的结合状态，因为当激光照射电沉积过程中的阴极即被镀J几件时，阴极吸收激光能量的结果使得金属和镀液界面的温度局部增加从而产生如下二种主要效应： (1)温度升高，电荷转移速度增加；(2)吸收了能量的金属离子在阴极放电变为原f的速率增加：(3)热梯度镀液出现强烈的微搅拌，高功率的激光还使镀液局部沸腾，明显提高传质速度，从而提高了沉积速度。因此在电沉积过程中加入激光可使电子转移加快，反应的活化能降低，过电位减小，沉积速度提高，沉积物更加规则和致密，颗粒和枝晶变小，镀层的致密度和光洁度得到提高;同时，由于激光的热效应，可使基体的表面与镀层发生熔合，镀层与基体的结合力大大提高。可见将激光技术与电沉积技术相结合，能在很人程度上解决常规电刷镀技术现存的问题，激光镀技术可实现高沉积速度和产生高的结合强度.得到较厚的镀层因而可大大提高电沉积的工作效率，提高镀层与基体的结合强.度，使镀层能在更广泛或更为苛刻的工况条件卜得以应用，激光技术给电沉积技术注入了新的生命力，必将给电沉积技术带来更大的发展前景。(5)镀层与基体有一定相互扩散，结合力较一般方法为好。 激光镀技术可实现高的沉积速度和更佳的镀层与基体的结合状态，因为当激光照射电沉积过程中的阴极即被镀J几件时，阴极吸收激光能量的结果使得金属和镀液界面的温度局部增加从而产生如下二种主要效应： (1)温度升高，电荷转移速度增加；(2)吸收了能量的金属离子在阴极放电变为原f的速率增加：(3)热梯度镀液出现强烈的微搅拌，高功率的激光还使镀液局部沸腾，明显提高传质速度，从而提高了沉积速度。因此在电沉积过程中加入激光可使电子转移加快，反应的活化能降低，过电位减小，沉积速度提高，沉积物更加规则和致密，颗粒和枝晶变小，镀层的致密度和光洁度得到提高;同时，由于激光的热效应，可使基体的表面与镀层发生熔合，镀层与基体的结合力大大提高。可见将激光技术与电沉积技术相结合，能在很人程度上解决常规电刷镀技术现存的问题，激光镀技术可实现高沉积速度和产生高的结合强度.得到较厚的镀层因而可大大提高电沉积的工作效率，提高镀层与基体的结合强.度，使镀层能在更广泛或更为苛刻的工况条件卜得以应用，激光技术给电沉积技术注入了新的生命力，必将给电沉积技术带来更大的发展前景。第二章 装置的方案设计2.1 激光辅助电沉积系统组成 1 激光系统 激光器是激光系统的核心。通常包括工作物质、光学谐振腔和激励源三要素。按工作物质的不同，激光器可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、化学激光器、准分子激光器。在激光强化电沉积中，通常使用固体激光器和气体激光器。波长从可见光到近红外，功率范围从几瓦到几百瓦。固体激光器具有体积小、附属装置简单等特点，且功率能满足强化电沉积的要求，一般有红宝石激光器、忆铝石榴石激光器(波长532nm)等。 2 电沉积系统 包括电源、镀笔等。其中光一液镀笔需能使激光、镀液保持良好的同步性。 3 机械系统 主要用于调整待镀工件与电沉积系统的相对位置。 4 控制系统 与机械系统一起，通过各种传感器和自动控制单元达到精确局部沉积的目的。2.2 激光辅助电沉积装置 按激光、镀液和待镀表面的作用方式，强化电沉积装置可以有2种形式:激光直射式和激光透射式。激光直射式是将激光直接引导到电沉积表面，如图4.2所示。 激光透射式是将激光照射到阴极的背面或激光通过透射镀液达到待镀工件表面。一般多数采用直射式，仅当镀液体系对所采用的激光器的波长吸收不明显时，才采用于透射式。 图2-2 激光直射式电沉积装置 第三章 装置的总体设计3.1 运动方案 由第二章可知装置的原理图，螺杆机构用于当试样的直径不同时，调整镀笔与试样间的距离，以保证镀笔与试样间的适当的间隙。整个螺杆机构在电镀过程中由试样的一端移动到另一端，其移动速度较低，这有利于保证镀层的完整性。 试样的一端用自定心卡盘卡住，另一端用顶尖顶住，以较低的转速转动，若其转速较高，喷射的镀液不易吸附在试样的表面。同时，形成的镀层厚度和均匀度差，为了保证镀层的厚度和其均匀性，试样的转速不宜太高。镀液是由液压泵经溢流阀和过滤器后喷射到试样表层的。溢流阀用于防止系统压力；过载和保持系统压力恒定。过滤器可以清除液压油中的污染物，保持油液清洁度，确保系统元件工作的可靠性。由此可确保镀液顺利喷射到试样表面。 搅拌装置的加入是为了促进复合镀液中第二相硬质颗粒的均匀分布，搅拌杆下是一片装有许多小孔的平板，通过带轮的作用在镀液槽内上下往复运动，使颗粒在镀液中均匀悬浮。 整个机械系统的设计应基于以上的原理分析进行设计。3.2 机械装置的设计：3.2.1 电动机的选择1）型号 电动机的选择包括选择类型、结构型式、容量（功率）和转速，并确定 第一个是带动小带轮转动和试样转动的电动机。带轮的作用是减小一定的传动比后，让大带轮带动搅拌系统的运动。由于搅拌杆的速率不可太高，所以此处的电动机转速也不能太高，而且由上分析可知试样的转速不能过高。 第二个电动机用于带动液压泵，用于给液压缸供油。 第三个电动机也用于带动液压泵，用于把镀液送到试样处。2）容量选择电动机的容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面的因素。一般情况下，电动机容量主要运动发热条件而定，电动机的发热与其工作情况有关。由三个电动机的工作情况可知，电动机的发热并不是很明显的，一般的功率即可。3.2.2 螺杆座滑动系统：从本次设计的原理图（图1.1）中，可以看出：试样在弹性自定心卡盘和顶尖的作用下旋转，在整个系统运转过程中，镀笔从试样的一端缓慢的运动到另一端，即整个螺杆机构都要从试样的一端移动到另一端如图3.1所示。 图3.1 螺杆滑动系统示意图螺杆通过底座与滑块相连，与激光器保持相对不动。由液压缸提供动力推动滑块，带动螺杆底座、螺杆和激光器整体左右滑动。在镀笔头部留有小孔，以便激光器所产生的激光能够直接照射到待工件表面。同时，喷射镀液到镀笔头与工件之间的喷头也需随之一起运动，所以可将喷头与螺杆底座或滑块相固连，用软管相接。这样就可以使喷头喷出的镀液和激光器射出的激光能始终同时保持在镀笔头与工件之间，保证电镀的质量。3.2.3 搅拌系统搅拌系统的主要作用是保持镀液槽内镀液的均匀，尽量避免由此而产生的镀层不均匀等试件表面缺陷。由此可选择曲柄滑块机构的一种变型曲柄滑杆机构，其运动简图如图3.2所示。 图3.2 搅拌系统运动简图并由此设计搅拌系统的装配图，具体方案如下：电动机输出轴与联轴器一端相连，另一端连小带轮，通过电动机带动小带轮的旋转，小带轮装在第一层底板上，大带轮在第二层底板上。这样通过带轮，动力传到了大带轮上，大带轮与轴固联带动轴做旋转运动，轴与一个偏心盘用键联接在一起构成曲柄，而通过一个固定小孔的搅拌杆则构成滑杆。中间连接一个连杆就构成了曲柄滑杆机构，这样就可以把轴的旋转运动转化成搅拌杆的直线往复运动了。单独一个光杆是很难起到搅拌作用的，可以在搅拌杆浸入镀液的那一端焊接一个带有许多小孔的平板以增加搅拌作用。由于镀槽面积较大，所以在轴的两端各装一个这样的搅拌装置。为了保证镀槽中镀液的振动较平缓，电动机与轴之间应该选用较大的传动比，这里我设计的是一个传动比为i=3的带传动，即大带轮、轴及偏心圆盘的转速均为电动机转速的1/3，而且选择的微型电动机的转速也是较低的。3.3 激光器的选择3.3.1 激光加工设备的组成激光加工的基本设备包括激光器、电源、光学系统几机械系统等四大部分。1） 激光器是激光加工的重要设备，它把电能转化成光能。2） 激光器电源为激光器提供所需要的能量和控制功能。3） 光学系统包括激光聚集系统和观察瞄准系统，后者观察和调整激光束的检焦点位置，并将加工位置显示在投影仪上。4） 机械系统主要包括床身，能在三坐标范围内移动的工作台及机电控制系统3.3.2 激光器的分类和选择目前的激光器按激活介质的种类可以分为固体激光器和气体激光器。按其工作方式可大致分为连续激光器和脉冲激光器。气体激光器一般采用点激励，因其效率高、寿命长、连续输出功率大，所以广泛应用于切割、焊接、热处理等加工。常用于材料加工的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等。二氧化碳激光器是以二氧化碳气体为工作介质的分子激光器，连续输出功率可达万瓦，是目前连续输出功率最高的气体激光器，它发出的谱线是在10.6um附近的红外区，输出最强的激光波长为10.6um。二氧化碳激光器的效率可以高达20%以上，这是因为二氧化碳激光器的工作能级寿命比较长，大约在1010s范围内。工作能级寿命长有利于粒子数反转的积累。另外，二氧化碳的工作能级离基态近，激励阀值低，而且电子碰撞分子，把分子激发到工作能级的几率比较大。由上可以看出，气体激光器有很大的优点，而其中二氧化碳激光器的优点尤为突出。因而一般情况没有特殊时都会选用气体激光器。本次设计所选用的就是二氧化碳激光器。3.4 液压系统零件的选择3.4.1 液压泵 液压泵用于向系统提供具有一定压力和流量的液体，把机械能转换成液体的压力能。液压泵的选择主要根据系统的工况来选择。泵的主要参数有压力、流量、转速、效率。为了保证系统正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵额定压力的80左右；要求工作可靠性较高的系统或运转的设备系统工作压力为泵的60%左右。泵的流量要大于系统工作的最大流量，为了延长泵的寿命，泵的最高压力与最高转速不宜同时使用。由上可知，带动液压缸的泵可选为：CB-32流量为32，压力为10MPa，转速为1450r/min. 用于抽取镀液的液压泵可选为：CB G 2100/2063-P 压力为16MPa, 转速为2000r/mins.3.4.2 液压缸 液压缸在液压系统中的作用是将液压能转变成机械能。本设计选用的是轻型拉杆式液压缸（双活塞杆SD基本型），缸筒采用无缝钢管，根据工作压力不同，选择不同壁厚的钢管，其内径加工精度高，重量轻，结构紧凑，安装形式多样，且易于变换。低速性能好，具有稳定的缓冲性能。3.4.3 溢流阀 溢流阀的用途是：1做定压阀，保持系统压力的恒定。2做安全阀，保证系统安全。3使系统卸载，节约能量消耗。4远程调压阀用于系统高，低压力的多级控制。此次设计使用的溢流阀用途是（1）和（2）。可选用S-BT-06-L型的溢流阀。3.4.4 过滤器 使用过滤器的基本要求是：1.具有足够大的过滤能力，压力损失小。2.滤芯及外壳应有足够的强度，不致于因油压而破坏。3.过滤精度应满足液压系统的要求。4.有良好的抗腐蚀性，不会对油液造成化学的或机械的污染。5.在规定的工作温度下，能保持性能稳定，有足够的耐久性。6.清洗维护方便，更换滤芯容易。7.结构尽量简单，紧凑。8.价格低廉。 使用的目的是为了保护油路，油温不高，环境温度平均。此次设计中使用的是低压线隙式管联接过滤器（XU-A25X50S） 第四章 结论激光辅助电沉积是在电刷镀的基础上，结合激光的一些特性如：能量密度高，易于传输，作用时间短等，利用激光的光效应合热效应对电刷镀的工艺性能加以改善，以得到更高质量的加工表面。自激光强化电沉积技术诞生以来，主要应用于微电子元件和线路的制造和修复在中，目前已在各个领域引起了人们的重视，美国。德国等国相继进行了研究并发表了不少专利，部分已转化为实用生产技术。在几个月的毕业设计时间里，通过查阅资料，应用以前的所学知识，对“激光辅助电沉积工艺装置设计” 有了初步的了解，并由此对机械装置的设计 过程和设计的原则等有了更深入的体会。对本次设计的内容可总结如下：由于激光有其特殊的属性，使激光强化电沉积的优点十分突出：镀覆速度快，镀层与基体结合强度高，高度的区域选择性，可以实现微机控制等特点，在半导体器件制备，修复和装备零部件表面修复和性能强化中有一定的应用前景。但也存在一定的不足：在应用过程中激光对电沉积过程的影响，可能存在两个相反的方面。如激光降低电化学极化，降低乐过电位，有增大晶粒倾向。但当固体表面因激光作用而存在很高的温度梯度时，表面扩散系数增大，吸附原子扩散速度将达到很高数值，也促使了形核增大。还应该在实际中找出激光最佳强化条件。在这次设计中我所作的主要工作有以下几个方面：一、通过对激光辅助电沉积的特性分析拟定总的设计方案。二、由设计方案细化，进行了机械装置的设计，包括电动机的选择，螺杆座滑动系统的设计核搅拌系统的设计；三、由于激光器的种类繁多，各自有其不同的优缺点，通过比较结合本次设计的具体情况，我选择的是二氧化碳激光器；四、液压系统是电镀设备不可或缺的组成部分，镀液的喷射，镀笔工作台研工件轴线的进给都是由液压系统提高动力的，所以选择合适的液压元件组合成一个安全，高效的液压系统是必要的；通过这次的毕业设计，使我对激光的神秘感化解了很多，让我认识到高科技并不是神秘莫测的，还使我意识到如何将自己所学的基本知识有机的，合理的，高效的结合在一起的重要性。如果能做到将学到的知识合理的加以组合，加上设计意识核设计方案的创新，我们一样也可以做出新的设计成果。参考文献1.闫洪.化学镀Ni2P3B4C复合镀层的耐磨性研究，复合材料学报,1995,12(4):45-48.2.郭鹤桐,张三元.复合镀层,天津:天津大学出版社,1991.74-307.3.陈超等.激光诱导硅表面化学镀镍,中国激光11990 ,17(10):6274.关振中.激光加工工艺手册1,北京:中国计量出版社,199815.王旭红,周焕钧,郁祖湛等.激光增强电沉积过程研究,复旦学报,1990,33:516.王素琴,王军,常慰祖.激光强化电镀金工艺.材料保护,1996,29(7):147.王建,郁祖湛.激光镀技术的研究动态.电镀与精饰,1999,21(2):1-58.钟晓萍,任学高.表面技术,1994,23(3):108-112.9.谢湘华,张谊华,方尔梯,等.应用激光,1996,16(6):252-254.10.王悟敏,侯惠奇,秦启宗.复旦学报(自然科学版),1993,32(3),294-299.11.王立平,高燕,刘惠文,等.纳米金刚石复合镀层制备工艺的研究,摩擦学学报,2005,17(1):1-3.12.全成军,向兴华,朱景川等. 电沉积ZrO2-Ni功能梯度材料的组织结构分析.电化学,1997,3(2):219-22213.张芳.纳米Ni-Co合金的喷射电沉积及其微观组织结构硕士学位论文.秦皇岛:燕山大学,200214.刘永镇.激光表面强化技术.机械工艺师,1999,5:13-1515.李智,马椿喻,等.激光表面合金化工艺进展.材料科学与工程,1999,17(2):81-8416.濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）.西北工业大学.高等教育出版社17.孙恒，陈作模.机械原理（第六版）.西北工业大学.高等教育出版社袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆