淺談激光拋光技術(shù)及應(yīng)用

淺談激光拋光技術(shù)及應(yīng)用摘要激光拋光是工業(yè)制造精密度需求日益提高、伴隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型材料表面處理技術(shù)，它是用某一特定能量密度和波長的激光束輻照在特定工件表面，使其表面一薄層物質(zhì)熔化或蒸發(fā)而獲得光滑表面。激光拋光能夠完成拋光傳統(tǒng)拋光工藝很難或根本不可能實(shí)現(xiàn)的、具有非常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表面，而且提供了自動(dòng)流水線加工的可能，所以它是一種對(duì)新型材料加工有著長遠(yuǎn)發(fā)展空間的工業(yè)技術(shù)[1]。關(guān)鍵詞激光拋光；技術(shù)；發(fā)展1拋光機(jī)理當(dāng)材料表面有激光束聚焦時(shí)，很短的時(shí)間內(nèi)，在近表面區(qū)域有大量的熱積累，這就會(huì)使材料表面溫度迅速升高，當(dāng)溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)時(shí)，近表面層開始熔化，當(dāng)溫度繼續(xù)升高達(dá)到材料的沸點(diǎn)時(shí)，近表面層就開始蒸發(fā)，而材料基體的溫度基本保持在室溫。當(dāng)以上物理變化過程主要為熔化時(shí)，因?yàn)椴牧媳砻嫒刍糠指魈幥拾霃降牟煌谷廴诘牟牧舷蚯实停辞拾霃酱螅┑牡胤搅鲃?dòng)，至各處的曲率趨于一致。同時(shí)，固態(tài)和液態(tài)臨界處快速凝固，最終獲得理想光滑的表面。在這個(gè)過程中，如果材料處于熔融狀態(tài)的時(shí)間過長的話，熔化層就會(huì)向深處擴(kuò)展，材料的整體外觀和機(jī)械性能也會(huì)隨之降低。因此，激光束和特定材料的相互作用必須產(chǎn)生一個(gè)高的溫度梯度，促進(jìn)材料快速加熱和冷卻，熔化極限（meltingthreshold），熔深和材料處于熔化狀態(tài)的時(shí)間（meltingduration）取決于入射光束和材料相互作用過程中不同的參數(shù)。當(dāng)上述物理變化過程主要為蒸發(fā)時(shí)，激光拋光的實(shí)質(zhì)就是去除材料表面一薄層物質(zhì)[2]。2工藝特質(zhì)與優(yōu)勢(shì)激光拋光從使用溫度方面可以簡(jiǎn)單分為熱拋光和冷拋光，熱拋光一般用連續(xù)長波長激光，通過熔化、蒸發(fā)等過程來去除材料表面的成分，但由于熱效應(yīng)溫度梯度大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋，拋光表面質(zhì)量不是很好，通常用于粗拋光，多用于軸類、大型箱體的表面局部處理。激光拋光在光學(xué)元件上的使用較為廣泛，如藍(lán)寶石，石英光纖等，對(duì)于表面大面積拋光激光是沒有性能優(yōu)勢(shì)的，這是因?yàn)閺睦碚撋戏治?，輻照能量大面積作用在被拋工件上，就會(huì)減弱質(zhì)量形成的維度間控制。當(dāng)通過基線輻射、光點(diǎn)間尺寸平衡，拋光作用被限制在熔化區(qū)以內(nèi)，非常有效地降低了滿足有限元內(nèi)平滑條件的特征尺寸上限，因此激光脈沖參數(shù)、輻照內(nèi)點(diǎn)尺寸及駐留時(shí)間的合理選擇、掃描柵條的間距、熔化區(qū)的形態(tài)結(jié)構(gòu)、溫度梯度等都將最終決定被拋光去除量的多少。這一工藝過程允許精確控制被拋光量。這樣的工藝要求和實(shí)現(xiàn)途徑，讓工業(yè)制造在拋光領(lǐng)域大踏步地前進(jìn)，在與目前傳統(tǒng)的幾類拋光方法相比，激光拋光有以下優(yōu)點(diǎn)：①非接觸拋光對(duì)樣品表面不會(huì)施加接觸壓力，脆性材料樣品不易破裂；②激光拋光基材面型要求不高，可進(jìn)行多維度曲面拋光，尤其是局部小區(qū)域進(jìn)行拋光；③拋光精度較高，短波長短脈沖激光可達(dá)到納米級(jí)拋光精度[3]。3工業(yè)應(yīng)用德國亞琛夫瑯霍費(fèi)激光所早在1.2343，1.2344，1.2346等鋼材上進(jìn)行了激光的表面拋光，他們?nèi)〉昧藶槲覀兛梢灾苯討?yīng)用的試驗(yàn)結(jié)果，即讓金屬表面具有接近鏡面的粗糙度，Ra為0.15-0.20。這一加工成果的取得，讓整個(gè)制造業(yè)為之沸騰。大型工業(yè)機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承樞紐、渦輪驅(qū)動(dòng)的曲表面和局部內(nèi)曲面，在傳統(tǒng)機(jī)械與模具完全無法達(dá)到精密要求的情況下，激光拋光成為發(fā)展的動(dòng)力，前進(jìn)的中堅(jiān)。激光拋光的優(yōu)勢(shì)也大大減少了工業(yè)損耗，降低了成本[4]。石英光纖在大功率激光行業(yè)應(yīng)用廣泛，其端面的精密拋光，給超大功率激光在較細(xì)的光纖中傳輸創(chuàng)造了條件，激光冷拋光一般用短脈沖短波長激光，冷拋光主要是通過消融作用，即光化學(xué)分解作用去除材料，他們認(rèn)為光纖端面的拋光要在PC型連接器端半徑25mm的弧形結(jié)構(gòu)，纖芯最高點(diǎn)可以保證玻璃到玻璃的連接，降低端面的能量插損及對(duì)準(zhǔn)機(jī)械損耗?；究梢赃_(dá)到100nm的平均粗糙度。隨著波長的減小，石英表面的熱裂紋減少，213nm時(shí)基本上沒有熱裂紋產(chǎn)生，出現(xiàn)少許消融，也同樣發(fā)現(xiàn)更短波長激光能獲得更細(xì)小的消融區(qū)。短波長激光與物質(zhì)的作用機(jī)理主要是靠光化學(xué)作用分解去除材料，屬于冷拋光，熱應(yīng)力小，所以能獲得更好的拋光表面質(zhì)量。端面光潔度或者粗糙度決定了光纖對(duì)于激光能量的傳輸能力及傳輸效率。大功率光纖端面激光拋光，在工業(yè)表面處理，大功率激光泵浦以及醫(yī)療內(nèi)容器械的硬件材料處理都有重要作用。俄羅斯專家們也能用KrF準(zhǔn)分子激光拋光100u級(jí)的金剛石膜，能達(dá)到近乎30nm的粗糙度表面，并改進(jìn)了表面的摩擦性能。金剛石是大自然中最硬的半導(dǎo)體物質(zhì)，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法根本沒有辦法實(shí)現(xiàn)拋光的完成。比如，在電子、半導(dǎo)體封裝行業(yè)使用的金剛石膜的拋光，激光拋光無疑讓這個(gè)行業(yè)的技術(shù)水平發(fā)展突飛猛進(jìn)。在貴重金屬、遺產(chǎn)文物修復(fù)上，激光拋光讓這些人類瑰寶重新煥發(fā)青春[5]。4結(jié)束語激光拋光是一種快速高效的新型拋光技術(shù)。遺憾的是，設(shè)備的高成本和對(duì)精密控制的要求在一定程度上限制了它在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用。但隨著激光器生產(chǎn)技術(shù)不斷地改進(jìn)和價(jià)格的降低以及人們對(duì)激光表面處理技術(shù)研究的日益深入，激光拋光將會(huì)在未來的工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮日益重要的作用。參考文獻(xiàn)[1]Laguarta，F(xiàn)erranLupon.LaserApplicationforOpticalGlassPol-ishing[J].OpticalSocofAmerica，1997，56（24）：352-357.[2]RamosJA，BourellDL.ModelingofSurfaceRoughnessEn-hancementofIndirect-SLSMetalPartsbyLaserSurfacePolishing[J].ProceedingsoftheTMSFallMeeting，2002，（1）：191-202.[3]陳林，楊永強(qiáng).激光拋光機(jī)理及應(yīng)用[J].表面