表面處理可以在不同行業的大范圍應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。由于實際的燒蝕過程費時，會產生粉塵，有時涉及化學處理，因此采用直接激光表面改性技術的新手段具有很大的市場潛力。
工業光纖激光器以比傳統技術快20倍的速度來熔化和平滑表面，從而展現出競爭力，且其成本低于脈沖激光器。
圖1：3D 拋光和成型的設置配置
但有時需要加工表面以復制零件上的圖案。這種方法經常用于各種行業，如汽車（儀表板）和注塑成型。激光燒蝕工藝已被用來設計復雜的圖案，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。
光學配置和激光功率的控制使用戶能夠確定金屬改性。當輻照樣品的激光功率密度低或適中時，金屬達到熔化溫度，而在高功率密度下達到蒸發溫度。這兩種不同的溫度曲線將分別導致傳導模式的熔體形成或鎖眼形成。
工藝參數設置
拋光金屬是通過用激光束輻照工件以熔化薄金屬層來實現的。 因此，當凝固時，表面張力使金屬變得平滑，從而降低其粗糙度（圖2）。
圖2：激光拋光機理
如果激光功率在加工過程中不恒定，熔池體積會隨著功率的增加或減少而發生變化。 此外，由于從固相變為液相以及熱膨脹作用，熔池表面向外凸出。通過這種方式，可以通過調制激光功率來創建圖案或樣式。
對不銹鋼（304L）進行了大量參數測試，以確定主要趨勢、獲得熔池，以及降低粗糙度。 第一個目標是找到最佳的線重疊模式。針對50W到150W的激光功率進行了實驗，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，通過調整激光功率和光束直徑，激光功率密度發生變化。 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果，這對應于傳導模式的焊接。在提高激光功率密度的同時，快速形成穿透型焊接，并且產生更高的粗糙度。
影響粗糙度的第三個主要參數被確定為是掃描次數。 多次掃描可略微降低最終的粗糙度， 將這些主要參數應用于具有不同粗糙度的表面上會產生更平滑的表面。加工時間從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的加工時間可使其粗糙度值降低10。 這可能是在非常短的加工時間內預先減少粗糙度的好方法。在此情況下，熱影響區約保持在320μm。
圖5：低粗糙度部件拋光
在大多數普通的銑削零件上，粗糙度約為2µm（圖5）。 在這種情況下，加工時間接近100s/cm²，熱影響區減小（約35µm）。隨后，通過激光拋光可將粗糙度減少8倍，產生明亮的表面（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，因此可以進行選擇性拋光以創建高對比度，并且能夠處理使用常規工具無法觸及的加工區域。這種多功能的解決方案可以創建出約1mm²的細節，并具有廣泛的裝飾應用價值。
圖6： 一塊不銹鋼上的拋光區域
這個案例在磨砂鋁表面進行了測試，表面的粗糙度值已經減少了10，產生了一個非常反光的表面（圖7）。激光拋光在許多應用中都提供了各種預拋或精拋的可能性，其中包括模具（注塑，玻璃等）和裝飾應用。
圖7：在噴砂鋁上進行選擇性拋光
根據之前對拋光金屬的觀察可知，激光功率密度會在熔點和汽化點之間產生變化，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。
在第一個調制輪廓中，沿著1mm處施加全部激光功率，然后激光功率在之后的4mm范圍被關閉。峰值高度是從50W到250W的激光功率范圍進行測量的。
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次數而增加，但對于激光功率高于150W以及滑動次數超過10的情況而言，峰值高度由于熱積聚而降低。為了增強熱聚積，用新的功率調制分布進行實驗。通過使用這個新的功率曲線和10次滑動，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，每次滑動之間的延遲引入了200次滑動和250W的激光功率。如沒有任何延遲，峰高達到1mm。 然而，引入100ms的延遲導致峰高增加了25％，而延遲300ms將導致增加50％。 尖峰的形狀沒有延遲時是圓形的，周圍有飛濺和氧化現象，這意味著焊接過程由于熱積聚變為穿透型焊接模式（圖8左）。隨著延遲或氧化，峰值更高，形狀就像功率調制曲線（圖8右）。結合掃描策略對激光功率進行調制，可以產生比激光燒蝕工藝快30倍的復雜圖案（圖9）。
小結
光纖激光器非常適合在很短的加工時間內完成拋光，并展現良好的效果。取決于初始粗糙度，加工時間會出現一些變化，但比傳統手段減少約20倍，并且重熔不會產生需要后處理的粉塵或其他副作用。
通過調制激光功率，與短/超短脈沖激光相比，光纖激光器提供了一個低成本的替代方案，能夠以30倍之快的加工速度實現各種雕刻和裝飾應用，同時在圖案生成后可直接保持拋光的外觀。
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