傳統(tǒng)的部件拋光技術(shù)是一種費(fèi)時(shí)和費(fèi)力的工藝過(guò)程。而且，手工拋光的話，主要依靠操作人員的工作水平。同這些相關(guān)聯(lián)以及一些額外的困難的存在，這里存在一個(gè)強(qiáng)烈的進(jìn)行自動(dòng)化和有效的拋光手段的出現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采用激光進(jìn)行拋光，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸和自動(dòng)化的對(duì)表面進(jìn)行拋光，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)拋光工藝的替代。本文為大家提供了采用激光拋光AlSi9MnMg鋁合金的一個(gè)案例。鋁合金在采用激光進(jìn)行拋光的時(shí)候面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)殇X合金的發(fā)射率高、熱導(dǎo)率高以及熱膨脹系數(shù)高等。為了實(shí)現(xiàn)激光對(duì)鋁合金的拋光，本文采用了最高功率為4000W的板條激光來(lái)進(jìn)行拋光。加工的時(shí)候采用脈沖波的激光束進(jìn)行，脈沖頻率為1000 Hz，最小的脈沖停留時(shí)間為0.3ms以及連續(xù)波進(jìn)行拋光。激光的掃描采用1D掃描振鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用高純Ar來(lái)進(jìn)行保護(hù)。
鋁合金樣品首先采用真空壓力和重力壓鑄的辦法來(lái)制造，然而使用180 目的砂紙進(jìn)行拋光，得到的表面粗糙度從Ra=1μm提升到 Ra=4μm。然后采用短脈沖的具有ns脈沖的激光對(duì)表面進(jìn)行清理。然后樣品采用光速計(jì)進(jìn)行表面粗糙度的分析，分別測(cè)試Ra、 Rz和 Rt（依據(jù)EN ISO 4288標(biāo)準(zhǔn)），并使用白光干涉測(cè)量?jī)x和顯微鏡進(jìn)行了測(cè)量。首先，研究了部件的制造工藝對(duì)激光拋光的影響。脈沖激光拋光和連續(xù)波激光拋光的關(guān)系也進(jìn)行了研究，結(jié)果得到了比較滿意的壓鑄樣品，同重力鑄造的樣品相比較。
連續(xù)波激光和脈沖激光均可以實(shí)現(xiàn)初始表面粗糙度從Ra=2.17μm和 Ra=2.34μm向激光拋光后的低粗糙度轉(zhuǎn)變，其中脈沖激光的最小粗糙度為Ra=0.19μm，連續(xù)波激光拋光的最小粗糙度可以達(dá)到Ra=0.15μm。其激光拋光的速率，以拋光的面積來(lái)計(jì)算，連續(xù)波激光的拋光速度為 20~ 60cm2/min，而脈沖激光拋光的速度只有 5.5cm2/min，這是因?yàn)橄到y(tǒng)所使用的硬件限制所造成的。
I. 引言
為了實(shí)現(xiàn)金屬部件機(jī)加工或者成形加工后的部件可以得到高質(zhì)量的表面，機(jī)械研磨和拋光是傳統(tǒng)工藝中使用比較多的手段。自從開(kāi)始使用無(wú)接觸、可以對(duì)3D/自由曲面進(jìn)行激光拋光的手段問(wèn)世以來(lái)，人們開(kāi)始對(duì)這一技術(shù)給予了大量的研究。使用激光拋光，可以選擇性的或者全局的對(duì)部件進(jìn)行拋光，也可以進(jìn)行層層剝離進(jìn)行拋光，其材料的熔化范圍為幾個(gè)微米和造成材料的蒸發(fā)離開(kāi)。
作為一種快速凝固的過(guò)程，在激光拋光之后就會(huì)形成一個(gè)極端細(xì)小的顯微組織。對(duì)于析出硬化鋼來(lái)說(shuō)，其表面的硬化層可以增加。
基本上，激光拋光可以區(qū)別為微觀級(jí)和宏觀級(jí)激光拋光。宏觀激光拋光一般使用連續(xù)波（CW）激光來(lái)進(jìn)行拋光，其激光拋光的初始表面粗糙度一般在Ra=2μm 到 Ra=16μm之間。
微觀激光拋光比較典型的使用脈沖波激光來(lái)進(jìn)行，其拋光前的初始表面一般來(lái)說(shuō)是比較光滑的。取決于初始表面粗糙度的不同，脈沖激光拋光后最終的結(jié)果可以達(dá)到 Ra≥5nm。
在當(dāng)前的研究和出版的文獻(xiàn)中，人們?cè)陂_(kāi)展采用激光拋光工藝對(duì)SLM制造的增材制造的金屬部件進(jìn)行了拋光。
對(duì)鋁合金部件進(jìn)行激光拋光面臨著非常巨大的挑戰(zhàn)。尤其是，采用的激光波長(zhǎng)為近紅外范圍的時(shí)候，鋁合金對(duì)對(duì)激光的吸收率非常低，同時(shí)鋁合金的高的熱導(dǎo)率、高的熱膨脹系數(shù)是激光拋光時(shí)的巨大障礙。此外，鋁合金表面上形成的魯棒性的氧化物薄膜，具有高熔點(diǎn)和同氧的親和力比較高，使得激光表面拋光變得更為復(fù)雜。這就需要以激光拋光為基礎(chǔ)的工藝需要在高純的工藝環(huán)境下進(jìn)行。一個(gè)進(jìn)一步的需要關(guān)注的問(wèn)題是當(dāng)面對(duì)壓力壓鑄的部件時(shí)，該部件存在較高的氣孔率，對(duì)激光拋光比較困難，從而使得激光拋光獲得均勻的拋光表面變得更加困難。激光拋光鑄造鋁合金部件和激光拋光SLM制造的AlSi10Mg已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道。
考慮到大量的關(guān)于激光拋光多種材料和結(jié)構(gòu)，激光拋光可以看到，正在不斷的增長(zhǎng)和成為激光與材料相互作用中的一個(gè)非常有前途的分支。事實(shí)上，這里已經(jīng)有激光拋光鋁合金的研究，然而，還需要進(jìn)行額外的研究。本文的工作主要在于填補(bǔ)激光拋光能力的研究之間的鴻溝，依據(jù)不同的部件的制造工藝（重力壓鑄和壓力壓鑄）和不同的高能激光加工工藝的變化之間的關(guān)系。
II. 研究方案
為了研究激光拋光，采用板條激光器來(lái)進(jìn)行研究，其最大的輸出功率為 4000 W。激光可以運(yùn)行在連續(xù)波（CW）或脈沖波（pW）的模式下。在脈沖波的時(shí)候，最大的輸出頻率為1000 Hz，最小的脈沖停留時(shí)間為0.3ms。激光束的梯度折射率纖維直徑為200μm。圖1為激光拋光時(shí)的裝置圖。
▲圖1 激光拋光鋁合金的實(shí)驗(yàn)裝置圖
為了保護(hù)樣品不受氧的污染，工件放置在一個(gè)充滿純凈的Ar的工作室內(nèi)。殘余的氧的濃度在進(jìn)行激光拋光的時(shí)候?yàn)椴坏陀?40ppm O2，控制的殘余氧的濃度采用類型為PRO2 plus設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。其表面采用一個(gè)類型為seelector Icam HD-1的設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖見(jiàn)圖2.
▲圖2 采用1D掃描振鏡進(jìn)行激光拋光鋁合金的示意圖
激光拋光的區(qū)域?yàn)?0×10mm2。激光束如同鐘擺一樣在Y方向進(jìn)行掃描，移動(dòng)是在X方向進(jìn)行，平行于拋光的表面。但鐘擺（類似）的移動(dòng)速度同相反的方向點(diǎn)下降迅速的時(shí)候，能量輸入到鐘擺的軌跡處的靜態(tài)激光輸出為不均勻的。這就導(dǎo)致在拋光區(qū)域的熔化深度的增加，導(dǎo)致拋光質(zhì)量的不均勻。因此，在寬廣的范圍內(nèi)的激光功率就需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3為鐘擺的位置變化時(shí)激光功率的情況。
▲圖 3 在鐘擺的方向的分段時(shí)的激光功率
如上圖所示，激光功率可以分為15個(gè)區(qū)間段。在每一個(gè)左邊和右邊的兩個(gè)區(qū)間段內(nèi)，激光功率逐漸減少到200 W。
在相似的兩個(gè)初始粗糙度表面上使用連續(xù)激光進(jìn)行拋光，一個(gè)Ra粗糙度值為Ra=0.15μm，為壓力鑄造的樣品；另外一個(gè)粗糙度值為Ra=0.87μm，為重力鑄造的樣品。粗糙度的差值在ΔRa=0.72μm。測(cè)量的平均表面粗糙度值Rz，對(duì)壓力壓鑄樣品來(lái)說(shuō)為 Rz=1.28μm，對(duì)重力鑄造的樣品其Rz =4.58μ，其相應(yīng)的差值ΔRz=3.3μm。
▲圖4 激光拋光壓力鑄造 (vacural)的樣品和重力鑄造(cw)的樣品在激光拋光之后的表面分析
在脈沖激光拋光的時(shí)候，壓力鑄造的樣品的表面粗糙度為 Ra=0.31μm ，對(duì)于重力鑄造的樣品其粗糙度為Ra=0.74μm。他們之間的差值為ΔRa=0.43μm。研究的粗糙度表面的相關(guān)平均值為Rz=3.67μm（壓力鑄造的樣品），對(duì)于重力鑄造的樣品為Rz=1.89μm。他們之間的差值為 ΔRz=1.78μm。
▲ 圖5 激光拋光重力鑄造的樣品之后的表面分析結(jié)果
圖4-6為采用顯微鏡觀察分析得到的激光拋光后的分析結(jié)果。可以看到，激光拋光重力鑄造的樣品顯著的存在較大程度的不均勻性，同壓力鑄造的樣品相比較。
▲圖6 激光拋光壓力鑄造 (vacural)的樣品和重力鑄造(pw)的樣品進(jìn)行激光拋光后的表面分析結(jié)果
圖7 激光拋光壓力鑄造 (vacural)的樣品和重力鑄造(pw)的樣品進(jìn)行激光拋光后的橫截面分析結(jié)果
▲圖8 激光拋光重力鑄造樣品的橫截面分析結(jié)果，采用的為連續(xù)激光
▲圖9 激光拋光壓力鑄造（vacural）的樣品和重力鑄造的樣品（PW）在激光拋光后的橫截面
▲圖10 采用光干涉儀得到的3D和2D視圖，激光拋光的表面，采用的是脈沖波
▲ 圖11 采用光干涉儀得到的3D和2D視圖，激光拋光的表面，采用的是連續(xù)波
V. 主要結(jié)論
通過(guò)本文的研究工作，對(duì)鋁合金 AlSi9MnMg 進(jìn)行激光拋光的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。第一個(gè)研究結(jié)果表明鑄造工藝對(duì)拋光性能的影響。重力鑄造的樣品，同壓力鑄造的樣品相反，其拋光性能具有明顯的惡化的傾向，這是因?yàn)樵诮砻婧捅砻娲嬖跉饪缀凸拿浺约巴瑫r(shí)存在高度的不均勻的熔化深度所造成的。對(duì)外部重熔區(qū)的橫截面分析顯示對(duì)重力鑄造的樣品來(lái)說(shuō)其熔化深度的波動(dòng)達(dá)到 50μm。作為對(duì)比，壓力鑄造的樣品的熔化深度幾乎是均勻不變的數(shù)值。
對(duì)于連續(xù)波激光拋光，其熔化的平均深度為40μm，對(duì)于脈沖激光進(jìn)行拋光的時(shí)候，其熔化深度高達(dá)90μm，這是因?yàn)榇藭r(shí)具有更高的能量輸入。
采用脈沖激光拋光進(jìn)行進(jìn)一步的研究。結(jié)果表明其粗糙度的可減少值的范圍為Ra=2.17μm到 Ra=2.38μm，減少到 Ra=0.15μm 到Ra=0.20μm。
采用脈沖激光進(jìn)行拋光且脈沖能量為0.85到 1.25kW/mm2，初始的粗糙度為Ra=2.17μm的時(shí)候，其粗糙度的建撒后范圍為Ra=0.19μm 和 Ra=0.31μm。相當(dāng)于減少了91%。
在采用連續(xù)激光拋光的研究中，激光能量為7.25 到 8.16kW/mm2，初始粗糙度數(shù)值為Ra=2.38μ的時(shí)候，其表面粗糙度數(shù)值可以減少的范圍為Ra=0.16到Ra=0.38μm。這相當(dāng)于減少了93%。
在采用連續(xù)激光進(jìn)行拋光的時(shí)候，依據(jù)文獻(xiàn)的速度在 1 到12cm2/min，而在本文中有12個(gè)區(qū)域得到了20到60cm2/min。在這一工藝限制中，得到的粗糙度數(shù)值為 Ra=0.15μm到 Ra=0.20μm。
文章來(lái)源：Laser polishing of ground aluminum surfaces with high energy continuous wave laser
Journal of Laser Applications 29, 011701 (2017); https://doi.org/10.2351/1.4966923，Bahrudin Burzic, Markus Hofele, Steffen Mürdter, and Harald Riegel
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