金屬材料表面的激光拋光研究進(jìn)展

呂玉榮　孔俠歆

[摘要]金屬材料表面的激光拋光，作為一種新型的激光加工工藝，具有拋光效率高、材料去除效果好、材料利用率高等優(yōu)點。在介紹了激光拋光材料類型的基礎(chǔ)上，對比分析了金屬材料拋光過程中所使用激光器的類型，論述了激光拋光金屬材料表面過程中的理論模型方法，詳細(xì)總結(jié)了激光拋光金屬表面的工藝參數(shù)和拋光效果，并對激光拋光金屬材料的現(xiàn)狀和發(fā)展方向進(jìn)行了評價和展望。

[關(guān)鍵詞]材料 金屬材料 激光加工 拋光 理論模型 工藝參數(shù)

1激光拋光金屬材料類型

1.1模具鋼、工具鋼和不銹鋼材料的激光拋光

激光拋光金屬的研究，目前應(yīng)用在模具鋼的報道最多。最早提出將激光拋光應(yīng)用在X40Crl3模具鋼表面，并通過實驗得到平整光滑的拋光表面。選擇注塑模鑲件中所用的，硬度為62HRC的DINl.2379工具鋼來進(jìn)行激光拋光實驗。做出了很多工作，他們選擇AISI-01冷作模具鋼。采用激光，對經(jīng)過電火花加工處理的C45鋼、X40CrMoV51工具鋼進(jìn)行了拋光研究。同時采用具有52HRC硬度的DIN1.2344工具鋼和激光燒結(jié)的AISI 420滲銅不銹鋼來進(jìn)行激光拋光實驗。研究了s7工具鋼材料的激光拋光特性。使用AISI H13模具鋼來進(jìn)行激光拋光實驗，選擇Fe，Al，Ti和304不銹鋼幾種金屬材料進(jìn)行了拋光對比實驗研究。作為模具和汽車行業(yè)中經(jīng)常用到的球墨鑄鐵材料，由于其具有游離的石墨形態(tài)、較高的熔化溫度，因此一般很難被拋光，使用GGG70L球墨鑄鐵材料來進(jìn)行激光拋光實驗研究驗證。Smith等[7，36]使用304不銹鋼模具來作為拋光材料，也采用304不銹鋼來研究金屬表面在激光拋光作用下的熔化現(xiàn)象。使用激光，對銑削加工后的316 L不銹鋼進(jìn)行拋光實驗，用選擇性激光熔化316 L不銹鋼材料來進(jìn)行激光燒蝕拋光實驗，而直接對316 L材料進(jìn)行拋光實驗，也采用316L材料來進(jìn)行激光拋光實驗研究。

1.2鈦合金材料的激光拋光

鈦合金具有極其優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，如強(qiáng)度高、質(zhì)量輕和耐腐蝕等。可以被應(yīng)用于電子、冶金、航天技術(shù)和醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。鈦合金目前以Ti6A14V材料研究最多。很多學(xué)者都選擇Ti6A14V來進(jìn)行激光拋光實驗。選擇用激光拋光，應(yīng)用于工業(yè)純鈦拋光的同時實現(xiàn)表面改性。使用脈沖激光沉積方法，得到光滑的Ti64材料表面。使用VT16鈦合金來進(jìn)行激光拋光實驗。

1.3其他金屬材料的激光拋光

在其他金屬材料方面，目前應(yīng)用最多的是采用激光技術(shù)直接或者間接地拋光激光燒結(jié)的金屬產(chǎn)品。采用激光來拋光一種選擇性激光燒結(jié)鐵銅合金零件。采用激光，對選擇性激光燒結(jié)的銅合金表面進(jìn)行拋光，用激光來拋光燒結(jié)青銅，采用LaserForm ST-100的燒結(jié)青銅件來進(jìn)行激光拋光實驗。

2金屬拋光激光器的選擇類型

2.1氣體激光器的應(yīng)用

最先采用2500 w的C02激光器，用于金屬表面的激光拋光實驗研究。后來也使用這種激光器來進(jìn)行拋光研究。對高硬度的DIN 1.2379工具鋼進(jìn)行激光拋光實驗時，選擇了一個2.5 kW的C02激光器和一個3.1 kW的高功率二極管激光器。

2.2固體激光器的應(yīng)用

激光拋光金屬材料最關(guān)鍵的因素之一是選擇合適的激光器，目前來說，Nd：YAG激光器以其卓越的性能，被最多的應(yīng)用于金屬材料的拋光研究中。早在2001年，就開始研究Nd：YAG（1064nm）激光器來拋光金屬材料，2004年，就研究使用532 nm波長的Nd：YAG固體激光器來拋光金屬表面。成功使用Nd：YAG激光器（1064 nm）來拋光金屬材料表面，使用一個連續(xù)（CW）Nd：YAG激光器進(jìn)行激光表面拋光，使用一個266 nm波長的Nd：YAG激光器來進(jìn)行激光拋光實驗。同時采用波長為1064和532nm的Nd：YAG皮秒激光器來拋光金屬表面。選擇一個Yb：YAG激光器，波長1.03/Lm的激光器來做拋光實驗。選擇了雙束激光器來進(jìn)行激光拋光實驗，其中一個Yb：YAG激光器用來預(yù)熱金屬表面，另外一個Nd：YAG（1064nm）激光器用來拋光金屬表面。開始嘗試使用超短的皮秒激光器（波長1030nm）來進(jìn)行激光拋光實驗，這種激光器使激光與金屬材料相互作用的時間非常短，激光作用在材料上幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū)。因此，采用這種激光器對金屬材料的拋光將是一個重大的突破。

2.3半導(dǎo)體和其他激光器的應(yīng)用選擇

1070nm波長的光纖激光器來進(jìn)行金屬表面的拋光實驗，通過二極管來控制激光器的開關(guān)。使用波長1.07μm的脈沖光纖激光器來進(jìn)行激光拋光實驗。對316L進(jìn)行拋光實驗，分別選擇532nm波長的CW半導(dǎo)體激光器和35513.m波長的大功率紫外激光器（AVIA355-3000）組合的方式，來同時進(jìn)行拋光金屬實驗。他采用CW半導(dǎo)體激光器來控制輸出的激光的能量密度，采用紫外激光器來進(jìn)行拋光。使用KF準(zhǔn)分子激光器，對幾種金屬表面進(jìn)行了拋光實驗。

3展望

激光拋光應(yīng)用在金屬材料上，作為一種新型的加工技術(shù)，已經(jīng)得到越來越多的研究者的關(guān)注。這種方法具有其獨特的優(yōu)越性，它是一種非接觸式拋光方法，靈活性強(qiáng)，既可以對材料整體拋光，又可以局部拋光。其拋光在大氣環(huán)境中進(jìn)行，對材料沒有限制。通過對這種技術(shù)的進(jìn)一步深入研究，可以為現(xiàn)代工業(yè)提供一種高效率、高柔性、低成本、工藝相對簡單的拋光方法。激光拋光金屬這項技術(shù)雖然有其許多優(yōu)點，但目前對其研究工作還不是很多。其本身的限制條件也是一個重要原因。如由于激光器類型的限制，很多激光不能應(yīng)用在金屬表面的拋光中。正是近年來激光器的不斷發(fā)展，才有很多學(xué)者開始嘗試使用新型的激光器對金屬表面進(jìn)行拋光。因此，作為激光拋光的最大的限制條件，開發(fā)出新的激光器是目前的最大的研究需求之一。此外，三維（3D）增材制造現(xiàn)在是一個研究熱點，而一般3D增材制造得到的金屬表面都比較粗糙，使用激光對這種金屬表面進(jìn)行直接拋光是最好的方法。但是目前激光對3D增材制造的表面拋光的文獻(xiàn)報道還不是很多，因此，關(guān)于這方面還有大量的研究工作可以進(jìn)行。進(jìn)一步的研究還需要開發(fā)新的激光拋光金屬表面的模型，為激光拋光工藝參數(shù)的選擇建立一個知識庫。同時，對激光拋光表面的其他特性，如表面摩擦性能、微/納米表面裂縫的形成進(jìn)行全面描述，另外，對于選擇不同的材料進(jìn)行激光拋光時，拋光工藝參數(shù)的快速選擇和優(yōu)化也是一個需要研究的方向。

4結(jié)束語

激光拋光作為一種有效的拋光方法，完全有可能替代人工拋光。但是，僅僅通過實驗來證明激光能拋光金屬材料本身是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，深入的分析激光與材料相互作用的機(jī)理是很有必要的。目前的研究工作，主要是圍繞機(jī)理形成、建模計算、工藝實驗、分析結(jié)果等幾方面進(jìn)行，但總體研究水平尚處在初步的探索階段，進(jìn)入實際的企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用還需要一定的時間。