傳統(tǒng)的部件拋光技術(shù)是一種費時和費力的工藝過程。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，這里存在一個強烈的進行自動化和有效的拋光手段的出現(xiàn)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，采用激光進行拋光，可以實現(xiàn)無接觸和自動化的對表面進行拋光，從而實現(xiàn)了對傳統(tǒng)拋光工藝的替代。本文為大家提供了采用激光拋光AlSi9MnMg鋁合金的一個案例。鋁合金在采用激光進行拋光的時候面臨著巨大的挑戰(zhàn)，這是因為鋁合金的發(fā)射率高、熱導(dǎo)率高以及熱膨脹系數(shù)高等。為了實現(xiàn)激光對鋁合金的拋光，本文采用了最高功率為4000W的板條激光來進行拋光。加工的時候采用脈沖波的激光束進行，脈沖頻率為1000 Hz，最小的脈沖停留時間為0.3ms以及連續(xù)波進行拋光。激光的掃描采用1D掃描振鏡來實現(xiàn)，使用高純Ar來進行保護。

鋁合金樣品首先采用真空壓力和重力壓鑄的辦法來制造，然而使用180 目的砂紙進行拋光，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脈沖的激光對表面進行清理。然后樣品采用光速計進行表面粗糙度的分析，分別測試Ra、 Rz和 Rt（依據(jù)EN ISO 4288標(biāo)準(zhǔn)），并使用白光干涉測量儀和顯微鏡進行了測量。首先，研究了部件的制造工藝對激光拋光的影響。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到Ra=0.15μm。其激光拋光的速率，以拋光的面積來計算，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，這是因為系統(tǒng)所使用的硬件限制所造成的。

I. 引言

為了實現(xiàn)金屬部件機加工或者成形加工后的部件可以得到高質(zhì)量的表面，機械研磨和拋光是傳統(tǒng)工藝中使用比較多的手段。自從開始使用無接觸、可以對3D/自由曲面進行激光拋光的手段問世以來，人們開始對這一技術(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部件進行拋光，也可以進行層層剝離進行拋光，其材料的熔化范圍為幾個微米和造成材料的蒸發(fā)離開。

作為一種快速凝固的過程，在激光拋光之后就會形成一個極端細小的顯微組織。對于析出硬化鋼來說，其表面的硬化層可以增加。

基本上，激光拋光可以區(qū)別為微觀級和宏觀級激光拋光。宏觀激光拋光一般使用連續(xù)波（CW）激光來進行拋光，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進行，其拋光前的初始表面一般來說是比較光滑的。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)果可以達到 Ra≥5nm。

在當(dāng)前的研究和出版的文獻中，人們在開展采用激光拋光工藝對SLM制造的增材制造的金屬部件進行了拋光。

對鋁合金部件進行激光拋光面臨著非常巨大的挑戰(zhàn)。尤其是，采用的激光波長為近紅外范圍的時候，鋁合金對對激光的吸收率非常低，同時鋁合金的高的熱導(dǎo)率、高的熱膨脹系數(shù)是激光拋光時的巨大障礙。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)境下進行。一個進一步的需要關(guān)注的問題是當(dāng)面對壓力壓鑄的部件時，該部件存在較高的氣孔率，對激光拋光比較困難，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)有文獻報道。

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，正在不斷的增長和成為激光與材料相互作用中的一個非常有前途的分支。事實上，這里已經(jīng)有激光拋光鋁合金的研究，然而，還需要進行額外的研究。本文的工作主要在于填補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，采用板條激光器來進行研究，其最大的輸出功率為 4000 W。激光可以運行在連續(xù)波（CW）或脈沖波（pW）的模式下。在脈沖波的時候，最大的輸出頻率為1000 Hz，最小的脈沖停留時間為0.3ms。激光束的梯度折射率纖維直徑為200μm。圖1為激光拋光時的裝置圖。

▲圖1 激光拋光鋁合金的實驗裝置圖

為了保護樣品不受氧的污染，工件放置在一個充滿純凈的Ar的工作室內(nèi)。殘余的氧的濃度在進行激光拋光的時候為不低于 40ppm O2，控制的殘余氧的濃度采用類型為PRO2 plus設(shè)備進行測量。其表面采用一個類型為seelector Icam HD-1的設(shè)備進行測量，實驗裝置的示意圖見圖2.

▲圖2 采用1D掃描振鏡進行激光拋光鋁合金的示意圖

激光拋光的區(qū)域為10×10mm2。激光束如同鐘擺一樣在Y方向進行掃描，移動是在X方向進行，平行于拋光的表面。但鐘擺（類似）的移動速度同相反的方向點下降迅速的時候，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行調(diào)節(jié)。圖3為鐘擺的位置變化時激光功率的情況。

▲圖 3 在鐘擺的方向的分段時的激光功率

如上圖所示，激光功率可以分為15個區(qū)間段。在每一個左邊和右邊的兩個區(qū)間段內(nèi)，激光功率逐漸減少到200 W。

在相似的兩個初始粗糙度表面上使用連續(xù)激光進行拋光，一個Ra粗糙度值為Ra=0.15μm，為壓力鑄造的樣品；另外一個粗糙度值為Ra=0.87μm，為重力鑄造的樣品。粗糙度的差值在ΔRa=0.72μm。測量的平均表面粗糙度值Rz，對壓力壓鑄樣品來說為 Rz=1.28μm，對重力鑄造的樣品其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候，壓力鑄造的樣品的表面粗糙度為 Ra=0.31μm ，對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

通過本文的研究工作，對鋁合金 AlSi9MnMg 進行激光拋光的可行性進行了驗證。第一個研究結(jié)果表明鑄造工藝對拋光性能的影響。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，這是因為在近表面和表面存在氣孔和鼓脹以及同時存在高度的不均勻的熔化深度所造成的。對外部重熔區(qū)的橫截面分析顯示對重力鑄造的樣品來說其熔化深度的波動達到 50μm。作為對比，壓力鑄造的樣品的熔化深度幾乎是均勻不變的數(shù)值。

對于連續(xù)波激光拋光，其熔化的平均深度為40μm，對于脈沖激光進行拋光的時候，其熔化深度高達90μm，這是因為此時具有更高的能量輸入。

采用脈沖激光拋光進行進一步的研究。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)激光進行拋光的時候，依據(jù)文獻的速度在 1 到12cm2/min，而在本文中有12個區(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