表面改性 本发明涉及一种在工件进行操作的方法，例如，以改进或者制造工件或者母料的表面外形，从而增大相对于另外材料或者主体的机械摩擦度或者机械互锁度，或者在工件上产生孔。
使用各种方法来增大材料的表面粗糙度，其中借助机加工、磨光、靠在平的模子上来形成等，使这些材料形成得相对光滑。这些变粗糙的方法包括借助机械方法如开槽或者滚花的表面变形或者如蚀刻术的化学方法。
另一方面，例如借助带有可消耗填充丝的电弧焊把材料加入到母料表面中。在一个例子中，利用可消耗的电极气体金属弧(GMA)方法把一些小滴的金属沉积到金属表面上，在这种可消耗的电极气体金属弧方法中，调节电流，以致熔化的滴以不连续的、规则的方式从熔化丝电极中脱落下来。这些滴在相对光滑的母料表面上起着凸起的凹痕作用并且用来减少在母体和另外主体之间进行滑动的趋势。
EP-A-0626228描述了一种改变工件表面的方法，该工件将接合到另一个件上，该方法包括：使工件表面上地一系列位置露出给功率射束(power beam)，由此在每个位置上，工件材料在功率射束的影响下进行熔化并且横向隔开，然后进行固化以形成由固化材料的区域所包围的腔，该固化材料的区域相对于邻近工件表面被升高并且具有凹入的外形。
根据本发明的第一个方面，提供了一种在工件上进行操作的方法，该方法包括：沿着横向在工件和功率射束之间进行相对运动，以使工件上的一系列位置暴露于功率射束；及在每个位置上，以预定的方式使功率射束相对于工件进行运动，其中该方式具有与该横向成横向的分量，因此在每个位置上，借助功率射束使工件材料进行熔化并且移动，以形成腔或者孔。
这里要求保护的先进变形技术基本上不同于前面公知的、所应用的方法。在先进方式中，具体地说，在每个位置上以预定的方式使功率射束运动(操作)，而不是静止的。尽管在优选的方式中功率射束是连续的，但是功率射束可以是脉冲的，以暴露每个位置。束在每个位置上的典型相对较小的、高频率的“辅助偏转”运动具有这样的效果：明显改变产生在每个位置上的熔化材料的重新分布。总之，束的运动由选择理想运动的初始步骤来确定。
本发明可以用来在工件表面上形成腔，或者产生孔，典型地这些孔或者腔延伸通过工件。使用或者不使用支撑基体来实现孔的形成。此外，在形成腔或者孔时，优选地，在形成腔或者孔之后，进行使束以预定方式运动的步骤。这就可以精确地确定腔或者孔的形状。在许多情况下，在腔/孔的形成期间，还可以使用操作步骤，在这里，腔/孔的直径超过了束的直径。
辅助偏转最好以这样的频率，以致在每个位置上执行至少一个完全的图案重复(或者至少方向反向)，并且优选地，在每个位置上整数地重复。对于在钢中每秒1000孔而言，大约1000Hz、2000Hz或者3000Hz的辅助频率是合适的。在这种情况下，这些腔的深度和宽度为～0.5mm，它的间距为0.7mm。较小直径的腔需要较高的辅助频率，并且材料的性能也影响最佳频率。
所使用的“辅助偏转”可以采用各种形式，它们包括圆形、线性、椭圆形和/或简单的几何图形运动，每种运动沿着与横向成横向的方向具有至少一个分量。辅助偏转也可以与暂时的、空间的束能量密度分布(例如束电流的脉冲和/或改变束聚焦位置)的其它合适变形相结合，以得到理想的效果，并且能够更加精确地控制腔或者孔的形成过程。
总之，仔细地控制束的相互作用时间，以致辅助束偏转一贯地施加在每个位置上，即辅助的和主要的束运动相对于相互可以正确地定相，以致变形效果可以再现并且在非系统形式中不能改变。
在形成腔的情况下，借助下面方法可以在由母料形成的其它相对光滑材料表面上产生具有凹入外形的合适凸起部分或者凹痕：借助(典型地为聚集的)功率射束如电子束撞击在母料上，快速熔化较小的局部区域。高能量密度束快速地从一个位置运动到另一个位置上，以产生一系列的这种凸起的凹痕。借助精密地隔开这些凹痕，可以形成不完全连续的线或者隆起部。注意，凸起的材料来自熔化的、移动的材料，因此在母体中留下了较小的腔。在所施加的束的较高能量密度下，一些材料通过蒸发被损失掉。
在使用时，当设置有腔的工件粘附到另一个零件上时，腔和凸起的凹痕有利于进行机械互锁。
从汽相到材料的构造表面的粘附力得到了改进和提高。
凹入的外形还提高了使母体与另一零件分开所需要的机械力，或者提高了使母体滑过另一个零件所需要的机械力。
例如，凹入的外形有利于保持胶粘剂，尤其有利于保持住这样的胶粘剂：该胶粘剂本身不能结合到母体上，或者结合的强度较小。另一方面，借助凹入外形的互锁特性而使非粘附材料如摩擦较小的聚合体和母料表面之间的结合强度基本上可以得到提高。
此外，借助束的作用，处理过的表面基本上是清洁的并且没有任何局部污染，这就增大了通过任何后面胶粘剂进行结合操作所得到的结合强度。
一系列紧密隔开的凹痕形成不完全连续的隆起部，该隆起部最好也具有凹入的外形。
为了提高胶粘剂的总体结合强度，因此也应注意，胶粘剂最好也进入到腔和凹痕上的凹入表面中，从而提高它的结合剪切强度。
优选地，表面外形使用了现有的母料，因此没有额外的材料沉积到母体上。改变表面外形的技术依赖于使用功率射束或者高能量密度热源的熔化/蒸发能力，典型地，该功率射束或者高能量密度热源能够聚焦在工作表面的区域中。
优选地，以预定方式进行的一部分运动加热了邻近该位置的区域。这个区域可以包围着特殊的位置或者可以构成另一个位置。在形成腔或者孔之前或者之后，可以加热邻近位置，从而各自产生预形成或者后形成的热处理。邻近区域中的工件表面可以被加热成低于或者高于它的熔点。
在这个位置上进行的预定运动形式可以与邻近位置上的预定运动的那部分的相类似。但是，典型地，这些具有不同的形式，例如，预定运动的那部分可以采用光栅形状。在另一个例子中，包围着腔的区域通过束的圆形运动来加热。典型地，预定运动的加热部分占束在一个位置上所花费时间的大约30％。
邻近位置的加热的优点在于，它可以用来控制材料的冷却速率，并且它改善了熔化材料粘附到工件表面上的粘附性。预加热还可以在沿着穿透方向和横向的束运动之间实现更好地同步。
这些位置典型地被隔开，因此从邻近位置上移开的材料处于接触中。优选地，还控制束运动的定时，以致在这种接触期间邻近位置的材料保持熔化和聚结。这种聚结能够在凹入的特征中得到更大范围的外形和尺寸，因为这些特征依赖于喷射出的燃料内的表面张紧力和温度(冷却速率)。因此，束的辅助偏转被用来控制材料喷射，而可以采用预/后热处理来控制冷却速度。
在优选的例子中，功率射束包括电子束。典型地，使用传统的电子枪以传统方式来产生这个，使用与US-A-5151571中所描述的相类似的技术，该束在计算机控制下可以移动通过工件，其中该美国专利在这里引入以作参考。典型地，束的运动能量和速度是这样的，以致每秒可以形成超过500个腔，优选地每秒形成580或者更多个腔。束和工件之间的相对运动速度典型地高达1km/s，同时这些腔之间的过渡时间典型地为在每个腔中的停留时间的1/100(1/100th)。电子束的最高能量密度典型地为105-107W/mm2。
在速度和尺寸大小的范围内形成一些腔。最小的速度远远小于400/秒并且速度没有实际的上限-例如在一些材料中可以实现10000/秒，并且更大的速度当然也是可能的。
束的形状是重要的，优选地，束环内的电流至少为中心部分中的电流的一半，更加具体地说，至少等于中心电流。根据母料或者所想要的凹痕的形式，当环内的电流是中心电流的两倍或者甚至是三倍时，可以得到满意的结果。
在其它应用中，可以使用其它功率射束例如激光。与电子束相比，使用激光，每个腔所需要的净能量一般稍稍较高，因为与工件的连接效率降低了。实际的激光脉冲时间可以短于电子束的，并且相应地，最高能量密度可以稍稍较高。使用300W的平均输出脉冲CO2激光，以每秒20个的速度产生类似尺寸的一些腔，从而在每个腔中产生大约15焦耳的能量。
潜在地，可以形成任何尺寸大小的腔或者孔，例如，直径/深度的范围大约为从几毫米到小于10微米。每个腔/孔的最小直径由束的直径来确定，因此使用较大的束直径和合适的辅助偏转可以得到较大的腔/孔的直径。典型地，这些孔或者腔具有基本为0.6mm的最大直径并且它的深度范围为0.6-1mm。在优选的情况下，该腔或者孔的间距大约为1mm。
上述每个腔或者孔的尺寸大小借助下面方法来减小：再熔化材料的下沉(intrusion)产生了凹入特征。
在一些情况下，这些腔或者孔可以具有基本上相类似的形状，然后被布置成正方形或者密集的布置。但是，可以形成具有可变尺寸大小的一些腔或者孔，从而形成一些腔的其它的图案。
在一些情况下，具有凹入和非凹入特征的结构可以与形成通孔而不是形成盲孔相结合。这个和EB钻孔的公知技术之间的区别在于：在控制一些或者所有熔化材料的移动时，该过程可靠，而不是与传统的EB钻孔一样完全除去。这个过程的控制和执行在于辅助束偏转，从而控制束穿过材料的时间和范围。以正常方法来使用可挥发性支撑材料，随着穿透而部分喷射材料，之后是控制边缘材料的熔化和移动，从而产生理想的边缘外形。
典型地，工件是任何金属或者借助功率射束来进行熔化或者蒸发的其它材料。一个例子是钢。即使它们不是导电的非金属，但是它们也可以被处理。例如，凹入特征可以形成在陶瓷如石英和氧化铝、玻璃、聚合体和合成物中。该机构是相同的，在一些聚合体中可以节省，其中多种材料被蒸发。
根据本发明的第二方面，把工件接合到另一个零件上的方法包括：使用本发明第一方面的方法来准备工件的表面，从而在工件的表面上形成一个或者多个腔；及把另一个件粘附到准备好的工件表面上。
这种方法在许多应用中是有效的。尤其地，其它件可以是任何聚合体或者这样的其它材料：该其它材料借助压力、加热或者化学反应这些中的任何结合就可以成功地加入到所选择的基体或者工件中的腔中。例如，该其它件可以包括尼龙、PTFE、PMMA、铝和铝的合金、酚醛树脂和镁及镁的合金中的一种。
本发明的重要应用的例子包括把制动垫粘附到金属制动垫底座上、把小摩擦的聚合体结合到防腐蚀金属上从而制造出修复术的装置如髋关节等、把橡胶结合到钢或者其它金属上从而例如制造出减振缓冲器、及把铝结合到钢或者铸铁上从而例如制造出重量轻的制动盘。
现在，参照附图来描述本发明的方法的一些例子，在这些附图中：
图1a-1h示出了形成具有凹入特征的腔的连续阶段；
图2A-2C示出了一些腔的三种不同布置；
图3示出了电子束能量密度分布的例子；
图4示意性地示出了实现该方法的装置；
图5示出了实现该方法的装置的第二个例子的一部分；
图6更加详细地示出了图5的装置；
图7示出了非对称的穿透孔；
图8a-8e示出了使用支撑基体时形成通孔的连续阶段；
图9a-9e示出了不用支撑基体时形成通孔的连续阶段；
图10示出了相对束运动的合成；
图11a示出了位置的圆形预热处理；
图11b示出了邻近位置的光栅预热处理；
图11c示出了邻近位置的圆形后热处理；及
图11d示出了一些位置之间的区域的线性预热处理。
图1a-1h示出了形成具有凹入表面特征的腔的连续阶段。开始时，电子束或者激光束1撞击在基体如钢工件2上。接着(图1b)，填满蒸汽的腔3开始形成，而熔化材料4横向地向外运动。在进一步照射之后，更多的熔化材料4进行运动并且该束进行偏转从而在该表面上形成扩展的熔化区域5(图1c)。束1进一步偏转(图1d)，因此进一步移动熔化材料4，从而在表面上形成扩展的熔化区域。
这种偏转可以采取各种形式，如图1e和1f所示。典型地，它随着封闭的轨迹进行并且可以重复许多次。
然后，束1运动到第二位置上并且开始形成第二腔3’(图1g)，因此使进一步熔化材料4’进行运动。该进一步熔化材料4’在邻近区域5中重叠有前面的材料，然后在表面张紧力的作用下固化成在附图1h中用标号6来表示的准球形外形(quasi-spherical profile)，因此形成了凹入的特征7。
总之，每个腔将具有类似形状和外形，并且这些腔可以布置成图2A(正方形)或者2B(密堆积的)所示的一样。但是，这些腔具有相同的尺寸大小不是主要的，并且如图2C所示，各种各样的不同尺寸大小允许得到更高的图案密度。
电子束的典型参数如下：
对于钢结构而言，用140KV的加速电压的束，并且42mA的束电流，产生～5.8KW的功率，该束对准到～0.4mm的直径上并且在工件上产生～580孔/秒。合适偏转频率的例子在上面提出了。在这种情况下，最大的束功率密度范围为1 05-107W/mm2。每个孔以～10焦耳能量在～1.7ms内形成。束从一个孔的位置到下一个孔的位置的过渡时间典型为在孔位置的停留时间的1/100，即在～17μs的情况下。由于束在工件表面上可以以～1km/s的速度进行运动，因此在运输中它不需要关掉或者减少电力，因为在任何情况下在这些扫描速度下没有表面熔化或者其它损坏的可能。
在钢中，用10焦耳能量所产生的一些腔位于原始表面下方的～0.6mm的深度。借助注入重新熔化的材料，使这些尺寸在每个腔中得到减小，因此产生了凹入的特征。这些腔的间隔(pitch)典型地为～1mm。
一些类似的腔可以用激光来形成；典型地，每个腔需要稍稍较高的净能量，因为通过基体减小了连接效率。实际的激光脉冲时间可以短于电子束，因此相应的最高的能量密度可以稍稍较高。使用300W的平均输出脉冲的CO2激光，以每秒20的速度形成具有类似尺寸的一些腔，从而在每个腔产生～15焦耳。
在优选的例子中，横过电子束1的功率分布具有与图3所示的那些相类似的形状，其中图3是以5KW电子束为基础的。因此，除了值得注意的边缘功率区域之外，在直径大约为0.6mm的中心处具有相对高的最大功率密度。为最大值的一半的束的宽度为0.25-0.3mm。
在电子束的情况下，可以使用许多不同种的电子束枪来产生所述束。在典型的电子枪中，难熔金属的阴极在10-5到10-6mbar的真空中被加热到～2000度。30-150KV的电压使该束加速通过中空阳极。在三极管枪中，束电流借助第三“偏流”或者“Welnhelt”电极来进行控制。在二极管枪中，束电流只借助阴极的温度来进行控制。
该束通过磁透镜等的系统，该系统可以安装有磁挡栅(磁挡栅是这样的一种装置，它可以保护枪以防有害材料进入)和偏转线圈，这些线圈可以操纵处于高速中的束。束的工作环境可以是仅仅为10-1mbar的真空，典型地为5×10-3mbar。真空大小影响着束质量和密度。
阴极可以被直接加热或者间接加热。在(比方说)10-100小时的间隔中需要更换直接加热的阴极，这种工作(典型地)需要～15分钟来完成。间接加热的阴极的使用寿命长得多，典型地在需要更换之前可以工作数百小时。
借助使用(比方说)裂缝探针装置使束质量可以得到实时监控。这使得电压连接到作为自动系统的电子束控制系统中。
在一个例子中，使用传统空气-真空-空气系统，工件可作为连续带来被处理，其中该系统在一些应用如制造锯条、在双金属带等中成功地建成了。
替换方法是独自地处理多卷带材料(图4)，因此卷轴11上的坯料10伴随着空的接收卷轴13而被装载到专门设计的真空室12上。如果材料不是采用“套(set)”，那么这些卷轴11、13的直径必需相当大。例如，在7mm厚材料中产生0.2％应变的最小纯弯曲半径是1750mm。半径为2.5mm的卷轴可以保持住6吨的带，该带的宽度为80mm并且长度为1.4km。用5KW的枪14，1m/min的处理速度是可能的，这意味着这种卷轴将用大约2小时来处理。但是，如果构成速度(texturing speed)与50KW枪(它以10m/min进行处理)的枪功率成比例地增加，那么在～2小时内处理这种卷轴。
但是，从电子构造技术与现有生产实践相结合的观点来看，优选的路线将是构造单独的工件如制动垫片支撑板(PBP)。用来实现这个的装置的例子示出在图5和6中。两个斜道20、21并排安装(在图6中只示出了一个)，并且两块PBP从这些斜道下来朝向到电子枪柱22中，因此两者位于偏转场内。这些斜道20、21的出口设置在排出室23中。在处理之后拆下一个PBP时，另一个PBP正在处理。这意味着，借助连续操作可以充分地使用可得到的束功率。此外，与另外的一些技术不同，只有在需要时，这个将容易有选择地构造每个PBP。具有一些孔的、传统PBP的结构选择区域也是可能的。
实际上，大量的PBP可以连续地装载到每个斜通道中，因此斜道的侧壁起着有效的真空密封作用。为了有利于此，因此每个第100个PBP左右可以是坯料模型，从而借助O形环的帮助可以精确地适合斜道的尺寸大小，以保持真空密封。以25、26来表示的、斜道的空气出口设置来保持真空，这些出口连通到真空泵(未示出)中。
在构造之后，PBP可以方便地落入到漏斗27中，该漏斗27以规则的间隔被排空。
一旦形成了具有准备好的表面的工件，那么以传统的方式使用胶粘剂可以把它结合到另一个零件上。如前面所解释的一样，可以明显地提高结构表面，并且该表面加强了接合，实际上，使用在前面不能接合的胶粘剂，该表面使某些材料接合起来。
目前为止所描述的例子示出了工件表面上的盲孔或者腔的结构。
本发明也可以用来形成通孔。
图7示出了工件32中的非对称穿透孔30的结构。
图8更加详细地示出了工件34中的通孔的结构。开始时，电子或者激光束36聚焦到工件34的表面38上，以穿透基体，并且开始进入到垫料(图8a)中。任意地，束36可以以非常高的频率进行偏转，以使束“成形”为非圆形、非束形孔。当束36穿透工件34时，沿着孔的侧部形成液体金属/基体40的区域。
当束一撞击在支撑基体42(典型地，该基体42由硅橡胶或者其它挥发性材料形成)上，较小的气体爆炸就会产生，就导致大多数或者几乎所有的熔化材料40进行喷射，从而使孔留下尖的边缘(图8b)。
然后，使束36以较小的频率进行偏转(图8c)，从而熔化孔的周围并且以控制的方式移动新的/现有的熔化材料44。如果需要的话，那么来自支撑基体42的蒸汽有助于金属/基体流动。
一些邻近的孔可以以类似的方式形成(图8d)，从而产生叠置的熔化区域46，以产生弯曲的凹形或者其它形状的孔。
另一方面，可以形成非对称的熔化区域48(图8e)，该区域48按需要可以叠置或者不叠置。通过可控制的束偏转来产生孔的不对称性。
图9示出了没有使用垫层的通孔结构。因此，在图9a中，束36撞击在工件34上，以形成孔50，其中熔化材料40沿着它的侧部。束36以非常高的频率进行偏转，以“形成”孔。
然后，束以中间频率进行偏转(图9b)，从而在周围区域52使熔化材料40进行延伸、成形和移动。
此外，以类似的方式形成非重叠对称凹入孔(图9c)，或者这些孔可以设置成相互邻近，以产生叠置的、熔化的区域54，从而限定出凹入的特征。在另一个替换方式中(图9e)，可以形成一些非叠置的、不对称的孔。
在图8和9所示的例子中，以大约每秒1000的速度来形成孔。初始偏转频率(图8a和9a)的范围典型地处于100KHz-2MHz，同时在图8b和9b中所示出的这些阶段中所使用的后面“外形”成形偏转频率大约为1KHz-100KHz。
在一些情况下，在构造/穿孔及典型地进行散焦之前，电子束或者激光束1可以用来预热一些区域。因此，该束可以是这些任务之间所共用的时间，使能够基本上同时执行这两个任务。
图10示出了借助束的许多运动的合成在工件中如何形成一系列腔。箭头100表示工件相对于电子枪的相对运动。
束沿着基本上是线性的通道穿过位于许多位置之间的工件。这种穿过方向或者“主要偏转”借助箭头101来表示。这种穿过在整个工作期间进行重复，如箭头102所示。弯曲箭头103表示束的轨道运动(辅助偏转)，在应用时，这种轨道偏转使腔具有理想的形状。
应该记得，位置之间的运动时间典型地大约为花在每个位置上的时间的1/100，因此，101所示的所述运动比工件100的相对运动或者轨道的辅助偏转103快得多。
借助合成上述的三种运动并且通过合适地控制它们的相对频率，产生了束相对于工件的合成运动，这种合成运动在图10中通常用104来表示。
图11a-11d示出了在预/后热处理中各种辅助偏转的使用。在图11a中，示出了环形预加热，在这种环形预加热中，在形成腔之前，首先使束随着圆105，其中该圆位于最后腔的圆周外侧处。然后，使束在较小直径的两个圆106、107中进行运动，从而实际上形成了所述腔。
图11b示出了光栅预热(raster preheat)，在该预热中，首先，通过光栅的运动108来预热邻近位置的部分(用于后面的腔形成)。然后，使用在109的圆形束通道来形成实际位置处的腔。然后，通过步骤110处的进一步的光栅运动来预热邻近位置的剩余部分。
当束运动非常快时，可以因此预热处理与这些目前经历的腔或者孔形成相邻近的、成一行的一系列位置。在进行预热处理之后，到相应的腔/孔形成的时候，这种处理的高速使得预加热温度损失很少。
图11c示出了环形后热处理的合适辅助偏转。这些圆111、112示出了第一次形成腔的束运动，在这之后，束偏转从而在另一个位置(在该位置上早先形成了腔)上随着圆形通道113。
图11d示出了预热处理的另一个例子，该例子特别有利于喷射材料形成大结块。首先，该束沿着线114向着一个位置进行运动：在该位置上，将形成腔。该线从这些邻近位置的这些线延伸最大的距离，而这些邻近位置的这些线限定前面主要的束偏转通道。工件的表面在线的附近熔化。
然后，束随着圆形通道115来形成腔。在以合适速度来执行这个时，从腔的前面形成线中所喷射出的材料保持熔化。从多组腔中所喷射出的材料借助表面张力聚合起来，从而在这些腔之间的空隙中产生大的部件(features)。
使用电子束来形成一些腔的一些其它例子的情况示出在下面的表中。 参数 例子1 例子2 材料 不锈钢316L 铝合金AA3004 结构型 中间深度 深 凹入特征 是 是 主-辅偏转相位同步(phase locking) 是 否 加速电压(kV) 130 120 射束电流(mA) 20 29 射束直径-90％ 电流(mm) 0.3 0.6 压力(mbar) 大约0.001 大约0.001 距离透镜极片间隙的工作距离(mm) 334 400 主偏转图案宽度(mm) 40 41 每次主要重复的腔的数目 60 24 主偏转重复频率(Hz) 40 36 辅助偏转图案型 三个圆 单个圆 辅助偏转图案尺寸(mm) 0.33 0.5 辅助偏转重复频率(Hz) 2400 5100 工作供给速率(mm/min) 2200 3930 腔的形成速率(/秒) 2400 864 能量输入(焦耳/腔) 1.03 4.03 面积覆盖率(mm2/秒) 1467 2686