表面處理可以在不同行業(yè)的大范圍應(yīng)用中具有不同的屬性。拋光表面可消除模具部件上難看的缺陷，或者可為成品提供非常光滑的表面。由于實(shí)際的燒蝕過程費(fèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粉塵，有時(shí)涉及化學(xué)處理，因此采用直接激光表面改性技術(shù)的新手段具有很大的市場潛力。
工業(yè)光纖激光器以比傳統(tǒng)技術(shù)快20倍的速度來熔化和平滑表面，從而展現(xiàn)出競爭力，且其成本低于脈沖激光器。
圖1：3D 拋光和成型的設(shè)置配置
但有時(shí)需要加工表面以復(fù)制零件上的圖案。這種方法經(jīng)常用于各種行業(yè)，如汽車（儀表板）和注塑成型。激光燒蝕工藝已被用來設(shè)計(jì)復(fù)雜的圖案，但是它們的燒蝕率很低：納秒激光器獲得接近1mm3/s的體積燒蝕速率，但是激光重熔可以重新分配金屬，并且在不需要精整工藝的情況下以快30倍的速度創(chuàng)建出圖案，這歸因于表面張力使最終的表面具有拋光般的光潔度。
光學(xué)配置和激光功率的控制使用戶能夠確定金屬改性。當(dāng)輻照樣品的激光功率密度低或適中時(shí)，金屬達(dá)到熔化溫度，而在高功率密度下達(dá)到蒸發(fā)溫度。這兩種不同的溫度曲線將分別導(dǎo)致傳導(dǎo)模式的熔體形成或鎖眼形成。
工藝參數(shù)設(shè)置
拋光金屬是通過用激光束輻照工件以熔化薄金屬層來實(shí)現(xiàn)的。 因此，當(dāng)凝固時(shí)，表面張力使金屬變得平滑，從而降低其粗糙度（圖2）。
圖2：激光拋光機(jī)理
如果激光功率在加工過程中不恒定，熔池體積會(huì)隨著功率的增加或減少而發(fā)生變化。 此外，由于從固相變?yōu)橐合嘁约盁崤蛎涀饔?，熔池表面向外凸出。通過這種方式，可以通過調(diào)制激光功率來創(chuàng)建圖案或樣式。
對不銹鋼（304L）進(jìn)行了大量參數(shù)測試，以確定主要趨勢、獲得熔池，以及降低粗糙度。 第一個(gè)目標(biāo)是找到最佳的線重疊模式。針對50W到150W的激光功率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，重疊變率在60％到90％之間。最終確定了80％和90％之間的重疊變率為最佳操作范圍（圖3）。
圖3：重疊對減少粗糙度的影響
其次，通過調(diào)整激光功率和光束直徑，激光功率密度發(fā)生變化。 觀察到在功率密度為0.8到1.2×106 W/cm²的情況下獲得了最好的結(jié)果，這對應(yīng)于傳導(dǎo)模式的焊接。在提高激光功率密度的同時(shí)，快速形成穿透型焊接，并且產(chǎn)生更高的粗糙度。
影響粗糙度的第三個(gè)主要參數(shù)被確定為是掃描次數(shù)。 多次掃描可略微降低最終的粗糙度， 將這些主要參數(shù)應(yīng)用于具有不同粗糙度的表面上會(huì)產(chǎn)生更平滑的表面。加工時(shí)間從20s /cm²到200s/cm²，取決于初始粗糙度，獲得明亮的表面特征。
圖4：高粗糙度部件拋光
針對Sa值為6.4μm的高粗糙度部件（圖4），采用200s/cm²的加工時(shí)間可使其粗糙度值降低10。 這可能是在非常短的加工時(shí)間內(nèi)預(yù)先減少粗糙度的好方法。在此情況下，熱影響區(qū)約保持在320μm。
圖5：低粗糙度部件拋光
在大多數(shù)普通的銑削零件上，粗糙度約為2µm（圖5）。 在這種情況下，加工時(shí)間接近100s/cm²，熱影響區(qū)減?。s35µm）。隨后，通過激光拋光可將粗糙度減少8倍，產(chǎn)生明亮的表面（圖6），并且可用作精拋來獲得反射表面。
由于激光處理具有高分辨率，因此可以進(jìn)行選擇性拋光以創(chuàng)建高對比度，并且能夠處理使用常規(guī)工具無法觸及的加工區(qū)域。這種多功能的解決方案可以創(chuàng)建出約1mm²的細(xì)節(jié)，并具有廣泛的裝飾應(yīng)用價(jià)值。
圖6： 一塊不銹鋼上的拋光區(qū)域
這個(gè)案例在磨砂鋁表面進(jìn)行了測試，表面的粗糙度值已經(jīng)減少了10，產(chǎn)生了一個(gè)非常反光的表面（圖7）。激光拋光在許多應(yīng)用中都提供了各種預(yù)拋或精拋的可能性，其中包括模具（注塑，玻璃等）和裝飾應(yīng)用。
圖7：在噴砂鋁上進(jìn)行選擇性拋光
根據(jù)之前對拋光金屬的觀察可知，激光功率密度會(huì)在熔點(diǎn)和汽化點(diǎn)之間產(chǎn)生變化，以控制熔池體積，并通過在不同位置重新分配熔體體積和重新固化在3D圖案中壓印金屬表面。
在第一個(gè)調(diào)制輪廓中，沿著1mm處施加全部激光功率，然后激光功率在之后的4mm范圍被關(guān)閉。峰值高度是從50W到250W的激光功率范圍進(jìn)行測量的。
圖8：沒有延遲情況下的峰高形狀
峰值高度隨激光功率和滑動(dòng)次數(shù)而增加，但對于激光功率高于150W以及滑動(dòng)次數(shù)超過10的情況而言，峰值高度由于熱積聚而降低。為了增強(qiáng)熱聚積，用新的功率調(diào)制分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過使用這個(gè)新的功率曲線和10次滑動(dòng)，距離超過5mm的峰值的激光功率仍超過150W。 對于較短的距離，觀察到熱積聚，從而降低了峰高。
圖9： 左— 皮革表面（7 s /cm²）；右—鱷魚皮（7 s /cm²）
為了避免熱積聚的影響，每次滑動(dòng)之間的延遲引入了200次滑動(dòng)和250W的激光功率。如沒有任何延遲，峰高達(dá)到1mm。 然而，引入100ms的延遲導(dǎo)致峰高增加了25％，而延遲300ms將導(dǎo)致增加50％。 尖峰的形狀沒有延遲時(shí)是圓形的，周圍有飛濺和氧化現(xiàn)象，這意味著焊接過程由于熱積聚變?yōu)榇┩感秃附幽Ｊ剑▓D8左）。隨著延遲或氧化，峰值更高，形狀就像功率調(diào)制曲線（圖8右）。結(jié)合掃描策略對激光功率進(jìn)行調(diào)制，可以產(chǎn)生比激光燒蝕工藝快30倍的復(fù)雜圖案（圖9）。
小結(jié)
光纖激光器非常適合在很短的加工時(shí)間內(nèi)完成拋光，并展現(xiàn)良好的效果。取決于初始粗糙度，加工時(shí)間會(huì)出現(xiàn)一些變化，但比傳統(tǒng)手段減少約20倍，并且重熔不會(huì)產(chǎn)生需要后處理的粉塵或其他副作用。
通過調(diào)制激光功率，與短/超短脈沖激光相比，光纖激光器提供了一個(gè)低成本的替代方案，能夠以30倍之快的加工速度實(shí)現(xiàn)各種雕刻和裝飾應(yīng)用，同時(shí)在圖案生成后可直接保持拋光的外觀。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
