Arthur Amidon，應(yīng)用工程師，IPG Photonics

 

兩種具有獨(dú)特加工能力的新型光纖激光器的加入，使現(xiàn)有納秒光纖激光器的范圍得到了拓展：第一種是模塊化光纖激光器，能夠?qū)⑵骄β侍岣咧翑?shù)千瓦；第二種能夠在較低的成本/瓦的銷售價(jià)格的基礎(chǔ)上，通過在長皮秒級提供更窄脈寬提高了可調(diào)脈寬（MOPA）光纖激光器的效用。

 

上述兩種激光器都在突破性的輻照度及功率水平下工作，明顯提高了現(xiàn)有的表面預(yù)制備、清潔、涂層去除等激光加工能力。這兩種光纖激光器不僅能進(jìn)一步減少對不利于環(huán)境保護(hù)的化學(xué)工藝的依賴，還能實(shí)現(xiàn)一些特殊的應(yīng)用，如改善高反金屬材料的焊接工藝。

 

激光表面處理通常是指那些功率在數(shù)千瓦范圍的激光工藝，如熱處理、淬火、熔覆等，但是在這里我們將要討論的是小型的、精細(xì)的、深度較淺的加工，即通常所說的激光表面織構(gòu)。我們對表面織構(gòu)的定義是在一個(gè)較大的表面積上，通過小型的、深度<10 µm的紋路，使其形成功能化表面。

 

可滿足這一定義的加工工藝已經(jīng)有多年應(yīng)用歷史，主要方法是在圓柱體上進(jìn)行激光雕刻，如網(wǎng)紋輥和壓花棍，像素尺寸可以小至2 µm（圖1）。激光雕刻模具也間接屬于這一范疇，只是網(wǎng)紋表面利用激光表面雕刻技術(shù)雕刻在另一種非金屬材料上，并作為模板用于重復(fù)制造。其他直接的激光織構(gòu)應(yīng)用，如改善表面摩擦屬性，也得到了廣泛研究。

圖1：使用單模光纖激光器生產(chǎn)的網(wǎng)紋輥，上面高度規(guī)律地分布著直徑為20 μm的凹點(diǎn)，深度為10 μm（Courtesy:ALE）

 

隨著納秒脈沖光纖激光器在可靠性、靈活性及性價(jià)比方面的改善，以及更高平均功率和更高覆蓋率產(chǎn)品的出現(xiàn)，激光表面改性技術(shù)的應(yīng)用日益提高，如清潔、去漆、焊接前預(yù)處理等。此外，人們對使用激進(jìn)的化學(xué)工藝的顧慮越來越多，也推動(dòng)了激光工藝的應(yīng)用，而上述兩種光纖激光器更使得這一趨勢得以加速推進(jìn)。

 

如今，在多種材料上生成更大范圍的次微米及大型表面紋路或是形貌已經(jīng)成為可能。激光微加工、激光打標(biāo)、激光清潔、激光拋光和我們這里所談的激光表面織構(gòu)之間的界限開始變得彼此重疊，所以，我們的討論與上述所有話題均相關(guān)。

 

對于工程師來說，表面加工和表面織構(gòu)這兩個(gè)詞都是用來形容那些經(jīng)過生產(chǎn)過程后得到的表面。為了說明表面的三個(gè)主要特性，我們用沙丘來舉例，也許會(huì)有幫助（圖2）。

圖2 表面織構(gòu)的特性，包括粗糙度、波紋度及形狀

 

一簇一簇的沙粒表示表面織構(gòu)或表面加工，其中波紋度就是沙地上的紋路、曲率或是形狀就是沙丘的起伏。由于激光加工是非材料接觸的，所以工件上不會(huì)受到像機(jī)械加工那樣的力。因此，控制波紋度和曲率不再是一個(gè)力學(xué)問題，而是變成了如何控制質(zhì)量為零的激光光束的移動(dòng)。

 

大部分激光表面織構(gòu)應(yīng)用均要求能夠以較高的加工速度覆蓋較大的面積，因此，聚焦激光光束一般都是通過掃描振鏡，在材料表面上以高速進(jìn)行交互轉(zhuǎn)行移動(dòng)（一種左行右行交互式的書寫方式）。這種工藝能夠?qū)崿F(xiàn)表面波浪式的變化。圖3是一個(gè)關(guān)于如何通過調(diào)整激光和移動(dòng)參數(shù)來增加材料清除量，從而將波紋中的細(xì)微變化體現(xiàn)在材料表面上的例子，更大的變化也能夠?qū)崿F(xiàn)。

圖3：在激光織構(gòu)中波紋度的細(xì)微變化，較低的部分是通過激光織構(gòu)實(shí)現(xiàn)的（見圖10：在高倍放大鏡下觀察到的織構(gòu)區(qū)域）

 

如果確實(shí)需要在波紋的基礎(chǔ)上加上具有顯著曲率的3D形狀，那么可以利用多軸激光系統(tǒng)，通過減材（激光微加工）或是激光增材制造（LAM）加以實(shí)現(xiàn)。然而，將表面粗糙度（Ra）控制在比較低的水平是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，特別是在覆蓋率較高的時(shí)候，比如在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中的激光織構(gòu)。

 

納秒脈沖光纖激光器打標(biāo)是激光織構(gòu)的一種形式。通過激光燒蝕形成的標(biāo)記具有尺寸小的特點(diǎn)，所以在肉眼看來具有極高的精確性。然而，圖4是一個(gè)在放大鏡下看到的在不銹鋼材料上的典型的激光標(biāo)記。

圖4：在高倍放大鏡下看到的不銹鋼材料上的激光標(biāo)記（千瓦級納秒脈沖光纖激光器）

 

在激光輻照較高的時(shí)候出現(xiàn)了快速熔化、高度動(dòng)態(tài)反應(yīng)以及蒸汽壓誘導(dǎo)的熔融物噴濺，隨后材料再次凝固，導(dǎo)致表面的形態(tài)具有高度隨機(jī)性。針對這種復(fù)雜的表面形態(tài)，用一般的粗糙度測量方法檢查打標(biāo)質(zhì)量顯得過于簡單，作用有限——因?yàn)橹饕獦?biāo)準(zhǔn)通常是肉眼對可讀性的主觀判斷。

 

現(xiàn)在已經(jīng)有專門的技術(shù)用于在經(jīng)過激光打標(biāo)和激光微加工的材料上改善表面拋光。多條激光光路，多種掃描模式、飛行激光打標(biāo)和工藝參數(shù)的改變都可以用來幫助實(shí)現(xiàn)所需的粗糙度。具有超高峰值功率、超短脈寬的超快激光器已經(jīng)進(jìn)入激光微加工領(lǐng)域，這些激光器由于注入的熱能較少，所以材料的熔化也較少，但是每瓦的成本很高。每個(gè)脈沖的材料去除率比較低，通常意味著粗糙度也比較低，但是這些激光器僅限于那些對精確度及裝飾有嚴(yán)苛要求的專業(yè)領(lǐng)域。高度精細(xì)的多軸激光器能夠通過減材激光燒蝕過程，將減材工藝拓展至復(fù)雜的、高精度的3D部件生產(chǎn)領(lǐng)域。然而，機(jī)械加工和激光加工之間的根本區(qū)別是聚焦的能量源不同，比如激光光束，這使得最后一步充滿挑戰(zhàn)。在這里，需要指出的是許多應(yīng)用其實(shí)不需要光滑的表面。舉個(gè)例子，在圖4中，具有輕微粗糙屬性的表面會(huì)使肉眼看到的標(biāo)記更加清晰可辨。而我們在此討論的新進(jìn)展是指生產(chǎn)特定的表面形貌，滿足特定的需求，實(shí)現(xiàn)表面功能化。

 

第一種激光器是眾所周知的具有重要意義的分支——Q-開關(guān)光纖激光器。連續(xù)波（CW）光纖激光器的模塊化屬性使平均功率達(dá)到前所未有的水平。如今，同樣的模塊化還使得納秒光纖激光器的功率可高達(dá)數(shù)千瓦（圖5）。更高的平均功率能形成更快的加工速度，從而使其能夠滿足工業(yè)應(yīng)用對速度的要求。

 

圖5：1 kW脈沖納秒激光器

 

高功率紅外線（IR）納秒脈沖激光器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是去漆、從鋼材上清除鋁涂層，以及鋁材在焊接前的表面處理。據(jù)報(bào)道稱涂層清除速度可高達(dá)60 cm2/min。光纖激光器不僅能夠供卓越的平均功率以及脈沖能量，而且占地面積較小，相比之下，一臺(tái)平均功率僅為800 W的納秒脈寬二極管泵浦固態(tài)激光器（DPSS）體積大10倍，占地面積大3倍，資本投入（購置成本）、維護(hù)檢修和運(yùn)轉(zhuǎn)成本也更高。 

圖6：1000倍放大鏡下觀察到的未經(jīng)處理的鋁材表面

 

眾所周知，鋁材表面有比較厚的天然氧化層，這對大多數(shù)焊接加工來說都是不利的，清除這些涂層能有效改善粘結(jié)性能和焊接質(zhì)量。圖6所示為在高倍放大鏡下看到的未經(jīng)研磨拋光處理的1100鋁合金表面。不難理解，表面的不均勻性會(huì)導(dǎo)致材料厚度和天然氧化層的狀況出現(xiàn)較大差異，進(jìn)而造成表面屬性的重復(fù)性較差。由于交通運(yùn)輸業(yè)對輕量化的需求，人們對鋁合金材料的關(guān)注度日益提高，為此，我們也進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，以評估這種高功率光纖激光器在一系列鋁材表面織構(gòu)應(yīng)用中的加工性能。 

圖7：1000倍放大鏡下看到的經(jīng)過低輻照激光表面清潔或正火的同一個(gè)鋁表面

 

我們對簡單的表面清潔或正火（圖7）到熔化，再到從表面清除一定量材料的現(xiàn)象進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明，更高的平均功率能夠形成更快的加工速度，直至達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行的要求（綜合考慮資本成本和運(yùn)轉(zhuǎn)成本）。

圖8：1000倍放大鏡下看到的經(jīng)過高輻照激光表面清潔或正火的同一個(gè)鋁表面

 

在汽車行業(yè)中，關(guān)于輕量化材料粘結(jié)的應(yīng)用越來越多，表明該加工領(lǐng)域存在著重要的發(fā)展機(jī)遇。事實(shí)證明，具有高平均功率水平的納秒光纖激光器能夠通過以下方式，顯著改善粘結(jié)強(qiáng)度：

 

•       提高表面能量

•       清除那些會(huì)導(dǎo)致長期粘結(jié)退化的污染的氫氧化層

•       改善表面一致性

•       顯著提高表面積，進(jìn)而改善與表面的機(jī)械聯(lián)鎖

 

下圖所示為在現(xiàn)有低納秒MOPA光纖激光器的基礎(chǔ)上衍生出的產(chǎn)品，其主要原理是一臺(tái)半導(dǎo)體種子激光器，借助增益開關(guān)模式，產(chǎn)生亞納秒脈沖。通過這種原理研發(fā)出的激光器結(jié)構(gòu)小巧，性價(jià)比高（圖9）。

 

圖9：150 ps脈沖的MOPA光纖激光器

 

現(xiàn)有產(chǎn)品配置為150 ps脈寬，平均功率30 W，也可將此作為平臺(tái)將功率調(diào)高至100 W。該光纖激光器可提供高達(dá)400 kW峰值功率以及M2<1.3的高亮度，并借助現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)，在工件上產(chǎn)生極高的輻照。雖然經(jīng)濟(jì)的低皮秒激光器能實(shí)現(xiàn)類似的、甚至是更高的輻照，但是150 ps脈沖級尚未被廣泛研究。

 

實(shí)驗(yàn)揭示了一系列金屬材料的精細(xì)波紋表面。我們特別挑選了銅和鋁，這是因?yàn)檫@兩種材料在室溫下的反射率幾近于100%，很難用激光加工，而且它們的熱擴(kuò)散率通常是鋼的5倍。在這些金屬上標(biāo)刻了高吸收性的、平滑的、不易破損的黑色標(biāo)記，覆蓋率<10 mm2/s。特別有趣的一點(diǎn)是在厚度僅為50 μm金屬箔材上同樣也可以實(shí)現(xiàn)無畸變的激光打標(biāo)。

圖10：150 ps激光器加工后的ETP銅表面（低通量）

 

圖10所示的表面波峰-波峰高度（Rt）為大約0.6 µm，這一數(shù)值比軋制波紋略大，證明表面確實(shí)曾發(fā)生過非常細(xì)微的再分布過程?，F(xiàn)代接觸角測量技術(shù)能夠通過連接、濕潤度和表面能量，對清潔過程提供精確量化，已得到廣泛應(yīng)用。還有一種公認(rèn)的關(guān)聯(lián)是接觸角會(huì)隨著與金屬材料表面天然氧化層重建相關(guān)的時(shí)間降低。就鋁材和銅材來說，用150 ps激光器加工24小時(shí)后，測得接觸角降低的量仍大于30%，這意味著在激光加工后的短時(shí)間內(nèi)，接觸角還要低得多。測得的接觸角的降低以及與之相關(guān)的表面能量的增加證明，表面的親水性有了顯著提高。

 

需要指出的是，圖8和圖10所示的表面特征在形狀上大體類似，但是在比例上完全不同——圖8的比例為1000倍，而圖10則為20,000倍。

 

用150 ps激光器對高反材料進(jìn)行表面織構(gòu)時(shí)，最重要的屬性莫過于吸收率——它們是黑色表面，而且形成的標(biāo)記永恒、持久、可清潔，且宏觀尺度平滑，這樣在使用時(shí)就不會(huì)存留污物。這意味著所有波長都會(huì)被強(qiáng)烈吸收。與未經(jīng)處理的表面相比（如圖6所示），高反材料不僅高度反射，而且不均勻，氧化層的厚度存在差異。這種不均勻性被認(rèn)為是激光點(diǎn)焊重復(fù)性差的原因所在。我們的預(yù)處理加工可為焊接提供下列優(yōu)勢：

 

•       提高高反金屬點(diǎn)焊的重復(fù)性

•       可針對較薄的高反金屬箔材進(jìn)行低熱輸入的可重復(fù)性焊接

•       在焊接異種金屬時(shí)，改善對焊接深度的控制

•       處理面積小至直徑1 mm，可顯著強(qiáng)化表面吸收，有助于隨后的激光焊接

•       同一套光學(xué)系統(tǒng)既可以用于150 ps激光器，也可以用于近紅外焊接激光器，如YLR 150/1500準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器。這樣就可以在激光焊接之前即刻進(jìn)行表面預(yù)處理。

 

我們的目標(biāo)是在未來能夠證明在焊接高反金屬材料時(shí)，該工藝比高平均功率的532 nm激光器或是提供近紅外及532 nm波長的激光器更具性價(jià)比優(yōu)勢。

 

總結(jié)

我們在本文中所闡述的不僅僅是通過激光器控制表面形態(tài)，降低Ra，還包括附加的功能特性。所展示的激光織構(gòu)為正火或表面預(yù)制，這些過程有助于提高下一道工序、激光加工或其他應(yīng)用的一致性，從而改善下一道工序的可控性，如粘結(jié)或焊接。此外，取代濕性化學(xué)表面制備工藝還具有重要的環(huán)保意義。

  

光纖激光器所具有的模塊化和可調(diào)性進(jìn)一步拓展了現(xiàn)有激光器的范圍。我們已經(jīng)看到，新的激光器正在打開新的應(yīng)用市場，帶來新的商業(yè)機(jī)會(huì)。文本所探討的兩種激光器互為補(bǔ)充：高覆蓋率但是相對粗糙的金屬表面可以用千瓦級納秒光纖激光器，而低功率、窄脈寬的激光器則適用于加工那些具有非常平滑的，高吸收率表面的高反材料。

 

這兩種激光器能有效降低購置成本及運(yùn)轉(zhuǎn)成本，從而使這些加工工藝能夠在工業(yè)領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。