在現(xiàn)代制造業(yè)中，表面處理技術(shù)的重要性日益凸顯。無(wú)論是汽車、航空航天、電子產(chǎn)品還是醫(yī)療器械，高精度、高光潔度的表面處理都是保證產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵。而在眾多表面處理技術(shù)中，激光拋光技術(shù)以其高效、精準(zhǔn)、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為工業(yè)界的新寵。那么，什么是激光拋光技術(shù)？它是如何工作的？又有哪些應(yīng)用領(lǐng)域呢？

對(duì)熔融石英進(jìn)行激光拋光的示例

什么是激光拋光？

激光拋光是一種新興的表面拋光技術(shù)，具有無(wú)污染、加工對(duì)象范圍廣、拋光質(zhì)量穩(wěn)定和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，備受國(guó)內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注。其原理是激光使得材料表層熔化或者蒸發(fā)，在毛細(xì)力或熱毛細(xì)力的作用下驅(qū)動(dòng)熔融金屬流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)凸峰填充凹谷，從而獲得光滑的表面。

相比傳統(tǒng)的拋光技術(shù)，激光拋光在工業(yè)應(yīng)用方面具有先天的優(yōu)勢(shì)，可以拋光金屬、玻璃和陶瓷等多種類型的材料，并和增材制造、激光焊接和激光清洗等技術(shù)高度融合，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高效智能制造。

激光拋光機(jī)制

根據(jù)激光拋光表面熱效應(yīng)大小，激光拋光可分為熱拋光和冷拋光。熱拋光的基本機(jī)制是表面材料的熔化和隨后材料的再分布，根據(jù)熔化深度，還能分為淺表層熔化機(jī)制和表面過(guò)度熔化機(jī)制。冷拋光過(guò)程中的熱效應(yīng)較小，粗糙表面通過(guò)燒蝕氣化機(jī)制或光化學(xué)機(jī)制被去除，從而獲得光滑的表面。

各種機(jī)制具體如下：

①淺表層熔化機(jī)制

當(dāng)激光與金屬材料的相互作用以熱效應(yīng)為主時(shí)，在較低的激光能量密度下，金屬表面的激光拋光機(jī)制是淺表層熔化機(jī)制。表面的凸峰熔化后，熔體在毛細(xì)力作用下流向附近的凹谷，從而獲得光滑的表面，其熔化深度僅幾微米到幾十微米，因此也叫“激光微拋光”。這種機(jī)制下的激光拋光表面非常光滑，拋光表面粗糙度可達(dá)到幾十納米，但是表面粗糙度降低率（10%~60%）較小。

激光微拋光機(jī)制的示意圖

②過(guò)度熔化機(jī)制

當(dāng)激光與金屬材料的相互作用以熱效應(yīng)為主時(shí)，在較高的激光能量密度下，金屬表面的激光拋光機(jī)制往往是表面過(guò)度熔化機(jī)制。與淺表層熔化機(jī)制不同的是，過(guò)度熔化機(jī)制下的表面熔化深度大于表面最大峰谷垂直距離，其熔化深度可達(dá)上百微米，且熔體持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，熔池內(nèi)發(fā)生馬蘭戈尼對(duì)流，材料表面在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)再分布，從而獲得光滑的拋光表面。

過(guò)度熔化機(jī)制

③燒蝕氣化機(jī)制

當(dāng)激光與材料之間的相互作用為燒蝕氣化時(shí)，表層材料瞬間被氣化去除，從而實(shí)現(xiàn)激光拋光，所采用的激光有納秒、皮秒和飛秒激光。

燒蝕氣化機(jī)制

在燒蝕氣化機(jī)制下，基材也會(huì)有一定的熱熔化效應(yīng)，但是這種熱熔化效應(yīng)相比過(guò)度熔化機(jī)制下的非常小。一部分激光能量在去除材料時(shí)被消耗，因此基材的激光熱效應(yīng)較低，此時(shí)拋光過(guò)程是燒蝕氣化機(jī)制和熔化機(jī)制共同作用的結(jié)果。

④光化學(xué)機(jī)制

光化學(xué)機(jī)制同樣具有去除表層材料的作用，但沒(méi)有熱效應(yīng)。常采用的激光為短波長(zhǎng)超短脈沖激光和準(zhǔn)分子激光，如紫外皮/飛秒激光器。其加工機(jī)理是材料表面吸收的光子能量可直接將材料中的化學(xué)鍵打斷，促使材料發(fā)生離解，從而實(shí)現(xiàn)激光拋光。

光化學(xué)機(jī)制

當(dāng)發(fā)生光化學(xué)作用時(shí)，由于化學(xué)鍵被打斷的速率大于其結(jié)合的速率，加工區(qū)域材料迅速膨脹，局部氣壓快速增大，并以庫(kù)侖爆炸形式脫離基體材料，將過(guò)剩的能量帶走。整個(gè)加工過(guò)程產(chǎn)生很少熱量，因此被稱為“冷”加工。

激光拋光工藝

1、連續(xù)激光拋光

連續(xù)激光有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，因此適用于熱物理性能較好的材料，最常見(jiàn)的就是金屬材料，其重熔深度可達(dá)上百微米。近年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)逐漸被應(yīng)用到增材制造領(lǐng)域，尤其是薄壁復(fù)雜的增材制造零件。

連續(xù)激光拋光

2、脈沖激光拋光

相比連續(xù)激光拋光，脈沖激光拋光的熱效應(yīng)較小，因此脈沖激光拋光加工對(duì)象多樣化，如藍(lán)寶石、玻璃、金屬材料、陶瓷和硅。有研究者曾采用皮秒激光實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷的高效、大面積、無(wú)損、高精度拋光，發(fā)現(xiàn)皮秒激光拋光氧化鋁陶瓷的機(jī)制不是直接去除表面材料，而是皮秒激光激發(fā)納米顆粒熔化并重結(jié)晶，在陶瓷表面形成一層致密的微晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致表面粗糙度降低。

納秒脈沖激光拋光增材制造工件

此外，激光產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展極大地推動(dòng)了脈沖激光的應(yīng)用，脈沖激光拋光的光源由原來(lái)的長(zhǎng)脈沖激光擴(kuò)展到超短脈沖激光，其拋光對(duì)象也從原來(lái)的高價(jià)值對(duì)象擴(kuò)展到金屬材料表面，如今，脈沖激光拋光也開(kāi)始被應(yīng)用到增材制造領(lǐng)域了。

3、雙束激光異步復(fù)合拋光

根據(jù)研究，在連續(xù)激光拋光所主導(dǎo)的過(guò)度熔化機(jī)制下，可以獲得較大的表面粗糙度降低率，但是拋光表面粗糙度仍然較大；在淺表層熔化機(jī)制下，雖然表面粗糙度降低率較小，但是可以獲得較小的表面粗糙度。為了同時(shí)獲得較大的表面粗糙度降低率和較小的表面粗糙度，近年來(lái)，連續(xù)激光和脈沖激光組合的雙束激光異步復(fù)合拋光工藝成為了激光拋光領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。測(cè)試證明，兩步組合的復(fù)合激光拋光工藝獲得的表面粗糙度確實(shí)比一步激光拋光工藝獲得的表面粗糙度小。

AISI H11 鋼雙束激光異步復(fù)合拋光效果圖

總結(jié)

目前，激光拋光技術(shù)正在各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不同的激光拋光機(jī)制則有著不同的優(yōu)勢(shì)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，激光拋光必將在未來(lái)的制造業(yè)中扮演更加重要的角色，期待激光拋光技術(shù)能在更多領(lǐng)域中出現(xiàn)突破和創(chuàng)新！

資料來(lái)源：

劉二舉,徐杰,陳曦,等.激光拋光技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)激光,2023,50(16):100-118.

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