表面处理可以在不同行业的大范围应用中具有不同的属性。抛光表面可消除模具部件上难看的缺陷，或者可为成品提供非常光滑的表面。由于实际的烧蚀过程费时，会产生粉尘，有时涉及化学处理，因此采用直接激光表面改性技术的新手段具有很大的市场潜力。
工业光纤激光器以比传统技术快20倍的速度来熔化和平滑表面，从而展现出竞争力，且其成本低于脉冲激光器。
图1：3D 抛光和成型的设置配置
但有时需要加工表面以复制零件上的图案。这种方法经常用于各种行业，如汽车（仪表板）和注塑成型。激光烧蚀工艺已被用来设计复杂的图案，但是它们的烧蚀率很低：纳秒激光器获得接近1mm3/s的体积烧蚀速率，但是激光重熔可以重新分配金属，并且在不需要精整工艺的情况下以快30倍的速度创建出图案，这归因于表面张力使最终的表面具有抛光般的光洁度。
光学配置和激光功率的控制使用户能够确定金属改性。当辐照样品的激光功率密度低或适中时，金属达到熔化温度，而在高功率密度下达到蒸发温度。这两种不同的温度曲线将分别导致传导模式的熔体形成或锁眼形成。
工艺参数设置
抛光金属是通过用激光束辐照工件以熔化薄金属层来实现的。 因此，当凝固时，表面张力使金属变得平滑，从而降低其粗糙度（图2）。
图2：激光抛光机理
如果激光功率在加工过程中不恒定，熔池体积会随着功率的增加或减少而发生变化。 此外，由于从固相变为液相以及热膨胀作用，熔池表面向外凸出。通过这种方式，可以通过调制激光功率来创建图案或样式。
对不锈钢（304L）进行了大量参数测试，以确定主要趋势、获得熔池，以及降低粗糙度。 第一个目标是找到最佳的线重叠模式。针对50W到150W的激光功率进行了实验，重叠变率在60％到90％之间。最终确定了80％和90％之间的重叠变率为最佳操作范围（图3）。
图3：重叠对减少粗糙度的影响
其次，通过调整激光功率和光束直径，激光功率密度发生变化。 观察到在功率密度为0.8到1.2×106 W/cm²的情况下获得了最好的结果，这对应于传导模式的焊接。在提高激光功率密度的同时，快速形成穿透型焊接，并且产生更高的粗糙度。
影响粗糙度的第三个主要参数被确定为是扫描次数。 多次扫描可略微降低最终的粗糙度， 将这些主要参数应用于具有不同粗糙度的表面上会产生更平滑的表面。加工时间从20s /cm²到200s/cm²，取决于初始粗糙度，获得明亮的表面特征。
图4：高粗糙度部件抛光
针对Sa值为6.4μm的高粗糙度部件（图4），采用200s/cm²的加工时间可使其粗糙度值降低10。 这可能是在非常短的加工时间内预先减少粗糙度的好方法。在此情况下，热影响区约保持在320μm。
图5：低粗糙度部件抛光
在大多数普通的铣削零件上，粗糙度约为2µm（图5）。 在这种情况下，加工时间接近100s/cm²，热影响区减小（约35µm）。随后，通过激光抛光可将粗糙度减少8倍，产生明亮的表面（图6），并且可用作精抛来获得反射表面。
由于激光处理具有高分辨率，因此可以进行选择性抛光以创建高对比度，并且能够处理使用常规工具无法触及的加工区域。这种多功能的解决方案可以创建出约1mm²的细节，并具有广泛的装饰应用价值。
图6： 一块不锈钢上的抛光区域
这个案例在磨砂铝表面进行了测试，表面的粗糙度值已经减少了10，产生了一个非常反光的表面（图7）。激光抛光在许多应用中都提供了各种预抛或精抛的可能性，其中包括模具（注塑，玻璃等）和装饰应用。
图7：在喷砂铝上进行选择性抛光
根据之前对抛光金属的观察可知，激光功率密度会在熔点和汽化点之间产生变化，以控制熔池体积，并通过在不同位置重新分配熔体体积和重新固化在3D图案中压印金属表面。
在第一个调制轮廓中，沿着1mm处施加全部激光功率，然后激光功率在之后的4mm范围被关闭。峰值高度是从50W到250W的激光功率范围进行测量的。
图8：没有延迟情况下的峰高形状
峰值高度随激光功率和滑动次数而增加，但对于激光功率高于150W以及滑动次数超过10的情况而言，峰值高度由于热积聚而降低。为了增强热聚积，用新的功率调制分布进行实验。通过使用这个新的功率曲线和10次滑动，距离超过5mm的峰值的激光功率仍超过150W。 对于较短的距离，观察到热积聚，从而降低了峰高。
图9： 左— 皮革表面（7 s /cm²）；右—鳄鱼皮（7 s /cm²）
为了避免热积聚的影响，每次滑动之间的延迟引入了200次滑动和250W的激光功率。如没有任何延迟，峰高达到1mm。 然而，引入100ms的延迟导致峰高增加了25％，而延迟300ms将导致增加50％。 尖峰的形状没有延迟时是圆形的，周围有飞溅和氧化现象，这意味着焊接过程由于热积聚变为穿透型焊接模式（图8左）。随着延迟或氧化，峰值更高，形状就像功率调制曲线（图8右）。结合扫描策略对激光功率进行调制，可以产生比激光烧蚀工艺快30倍的复杂图案（图9）。
小结
光纤激光器非常适合在很短的加工时间内完成抛光，并展现良好的效果。取决于初始粗糙度，加工时间会出现一些变化，但比传统手段减少约20倍，并且重熔不会产生需要后处理的粉尘或其他副作用。
通过调制激光功率，与短/超短脉冲激光相比，光纤激光器提供了一个低成本的替代方案，能够以30倍之快的加工速度实现各种雕刻和装饰应用，同时在图案生成后可直接保持抛光的外观。
转载请注明出处。
相关文章
热门资讯
精彩导读
关注我们
