高效智能制造的利器：激光拋光技術

發布時間 | 2024-07-30 10:52 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 996

石英氧化鋁

導讀：目前，激光拋光技術正在各個領域展現出其獨特的優勢，不同的激光拋光機制則有著不同的優勢。隨著技術的不斷進步和應用范圍的不斷擴大，激光拋光必將在未來的制造業中扮演更加重要的角色，期待激...

在現代制造業中，表面處理技術的重要性日益凸顯。無論是汽車、航空航天、電子產品還是醫療器械，高精度、高光潔度的表面處理都是保證產品質量和性能的關鍵。而在眾多表面處理技術中，激光拋光技術以其高效、精準、可控性強等優點，逐漸成為工業界的新寵。那么，什么是激光拋光技術？它是如何工作的？又有哪些應用領域呢？

對熔融石英進行激光拋光的示例

什么是激光拋光？

激光拋光是一種新興的表面拋光技術，具有無污染、加工對象范圍廣、拋光質量穩定和易實現自動化等優點，備受國內外研究人員的高度關注。其原理是激光使得材料表層熔化或者蒸發，在毛細力或熱毛細力的作用下驅動熔融金屬流動，實現凸峰填充凹谷，從而獲得光滑的表面。

相比傳統的拋光技術，激光拋光在工業應用方面具有先天的優勢，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高度融合，以實現產品的高效智能制造。

激光拋光機制

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

各種機制具體如下：

①淺表層熔化機制

當激光與金屬材料的相互作用以熱效應為主時，在較低的激光能量密度下，金屬表面的激光拋光機制是淺表層熔化機制。表面的凸峰熔化后，熔體在毛細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”。這種機制下的激光拋光表面非常光滑，拋光表面粗糙度可達到幾十納米，但是表面粗糙度降低率（10%~60%）較小。

激光微拋光機制的示意圖

②過度熔化機制

當激光與金屬材料的相互作用以熱效應為主時，在較高的激光能量密度下，金屬表面的激光拋光機制往往是表面過度熔化機制。與淺表層熔化機制不同的是，過度熔化機制下的表面熔化深度大于表面最大峰谷垂直距離，其熔化深度可達上百微米，且熔體持續時間較長，熔池內發生馬蘭戈尼對流，材料表面在較大范圍內實現再分布，從而獲得光滑的拋光表面。

過度熔化機制

③燒蝕氣化機制

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

燒蝕氣化機制

在燒蝕氣化機制下，基材也會有一定的熱熔化效應，但是這種熱熔化效應相比過度熔化機制下的非常小。一部分激光能量在去除材料時被消耗，因此基材的激光熱效應較低，此時拋光過程是燒蝕氣化機制和熔化機制共同作用的結果。

④光化學機制

光化學機制同樣具有去除表層材料的作用，但沒有熱效應。常采用的激光為短波長超短脈沖激光和準分子激光，如紫外皮/飛秒激光器。其加工機理是材料表面吸收的光子能量可直接將材料中的化學鍵打斷，促使材料發生離解，從而實現激光拋光。

光化學機制

當發生光化學作用時，由于化學鍵被打斷的速率大于其結合的速率，加工區域材料迅速膨脹，局部氣壓快速增大，并以庫侖爆炸形式脫離基體材料，將過剩的能量帶走。整個加工過程產生很少熱量，因此被稱為“冷”加工。

激光拋光工藝

1、連續激光拋光

連續激光有較強的熱效應，因此適用于熱物理性能較好的材料，最常見的就是金屬材料，其重熔深度可達上百微米。近年來，這項技術逐漸被應用到增材制造領域，尤其是薄壁復雜的增材制造零件。

連續激光拋光

2、脈沖激光拋光

相比連續激光拋光，脈沖激光拋光的熱效應較小，因此脈沖激光拋光加工對象多樣化，如藍寶石、玻璃、金屬材料、陶瓷和硅。有研究者曾采用皮秒激光實現氧化鋁陶瓷的高效、大面積、無損、高精度拋光，發現皮秒激光拋光氧化鋁陶瓷的機制不是直接去除表面材料，而是皮秒激光激發納米顆粒熔化并重結晶，在陶瓷表面形成一層致密的微晶結構，導致表面粗糙度降低。

納秒脈沖激光拋光增材制造工件

此外，激光產業的高速發展極大地推動了脈沖激光的應用，脈沖激光拋光的光源由原來的長脈沖激光擴展到超短脈沖激光，其拋光對象也從原來的高價值對象擴展到金屬材料表面，如今，脈沖激光拋光也開始被應用到增材制造領域了。

3、雙束激光異步復合拋光

根據研究，在連續激光拋光所主導的過度熔化機制下，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，連續激光和脈沖激光組合的雙束激光異步復合拋光工藝成為了激光拋光領域研究熱點之一。測試證明，兩步組合的復合激光拋光工藝獲得的表面粗糙度確實比一步激光拋光工藝獲得的表面粗糙度小。