高效智能制造的利器：激光抛光技术

发布时间 | 2024-07-30 10:52 分类 | 粉体应用技术点击量 | 609

石英氧化铝

导读：目前，激光抛光技术正在各个领域展现出其独特的优势，不同的激光抛光机制则有着不同的优势。随着技术的不断进步和应用范围的不断扩大，激光抛光必将在未来的制造业中扮演更加重要的角色，期待激...

在现代制造业中，表面处理技术的重要性日益凸显。无论是汽车、航空航天、电子产品还是医疗器械，高精度、高光洁度的表面处理都是保证产品质量和性能的关键。而在众多表面处理技术中，激光抛光技术以其高效、精准、可控性强等优点，逐渐成为工业界的新宠。那么，什么是激光抛光技术？它是如何工作的？又有哪些应用领域呢？

对熔融石英进行激光抛光的示例

什么是激光抛光？

激光抛光是一种新兴的表面抛光技术，具有无污染、加工对象范围广、抛光质量稳定和易实现自动化等优点，备受国内外研究人员的高度关注。其原理是激光使得材料表层熔化或者蒸发，在毛细力或热毛细力的作用下驱动熔融金属流动，实现凸峰填充凹谷，从而获得光滑的表面。

相比传统的抛光技术，激光抛光在工业应用方面具有先天的优势，可以抛光金属、玻璃和陶瓷等多种类型的材料，并和增材制造、激光焊接和激光清洗等技术高度融合，以实现产品的高效智能制造。

激光抛光机制

根据激光抛光表面热效应大小，激光抛光可分为热抛光和冷抛光。热抛光的基本机制是表面材料的熔化和随后材料的再分布，根据熔化深度，还能分为浅表层熔化机制和表面过度熔化机制。冷抛光过程中的热效应较小，粗糙表面通过烧蚀气化机制或光化学机制被去除，从而获得光滑的表面。

各种机制具体如下：

①浅表层熔化机制

当激光与金属材料的相互作用以热效应为主时，在较低的激光能量密度下，金属表面的激光抛光机制是浅表层熔化机制。表面的凸峰熔化后，熔体在毛细力作用下流向附近的凹谷，从而获得光滑的表面，其熔化深度仅几微米到几十微米，因此也叫“激光微抛光”。这种机制下的激光抛光表面非常光滑，抛光表面粗糙度可达到几十纳米，但是表面粗糙度降低率（10%~60%）较小。

激光微抛光机制的示意图

②过度熔化机制

当激光与金属材料的相互作用以热效应为主时，在较高的激光能量密度下，金属表面的激光抛光机制往往是表面过度熔化机制。与浅表层熔化机制不同的是，过度熔化机制下的表面熔化深度大于表面最大峰谷垂直距离，其熔化深度可达上百微米，且熔体持续时间较长，熔池内发生马兰戈尼对流，材料表面在较大范围内实现再分布，从而获得光滑的抛光表面。

过度熔化机制

③烧蚀气化机制

当激光与材料之间的相互作用为烧蚀气化时，表层材料瞬间被气化去除，从而实现激光抛光，所采用的激光有纳秒、皮秒和飞秒激光。

烧蚀气化机制

在烧蚀气化机制下，基材也会有一定的热熔化效应，但是这种热熔化效应相比过度熔化机制下的非常小。一部分激光能量在去除材料时被消耗，因此基材的激光热效应较低，此时抛光过程是烧蚀气化机制和熔化机制共同作用的结果。

④光化学机制

光化学机制同样具有去除表层材料的作用，但没有热效应。常采用的激光为短波长超短脉冲激光和准分子激光，如紫外皮/飞秒激光器。其加工机理是材料表面吸收的光子能量可直接将材料中的化学键打断，促使材料发生离解，从而实现激光抛光。

光化学机制

当发生光化学作用时，由于化学键被打断的速率大于其结合的速率，加工区域材料迅速膨胀，局部气压快速增大，并以库仑爆炸形式脱离基体材料，将过剩的能量带走。整个加工过程产生很少热量，因此被称为“冷”加工。

激光抛光工艺

1、连续激光抛光

连续激光有较强的热效应，因此适用于热物理性能较好的材料，最常见的就是金属材料，其重熔深度可达上百微米。近年来，这项技术逐渐被应用到增材制造领域，尤其是薄壁复杂的增材制造零件。

连续激光抛光

2、脉冲激光抛光

相比连续激光抛光，脉冲激光抛光的热效应较小，因此脉冲激光抛光加工对象多样化，如蓝宝石、玻璃、金属材料、陶瓷和硅。有研究者曾采用皮秒激光实现氧化铝陶瓷的高效、大面积、无损、高精度抛光，发现皮秒激光抛光氧化铝陶瓷的机制不是直接去除表面材料，而是皮秒激光激发纳米颗粒熔化并重结晶，在陶瓷表面形成一层致密的微晶结构，导致表面粗糙度降低。

纳秒脉冲激光抛光增材制造工件

此外，激光产业的高速发展极大地推动了脉冲激光的应用，脉冲激光抛光的光源由原来的长脉冲激光扩展到超短脉冲激光，其抛光对象也从原来的高价值对象扩展到金属材料表面，如今，脉冲激光抛光也开始被应用到增材制造领域了。

3、双束激光异步复合抛光

根据研究，在连续激光抛光所主导的过度熔化机制下，可以获得较大的表面粗糙度降低率，但是抛光表面粗糙度仍然较大；在浅表层熔化机制下，虽然表面粗糙度降低率较小，但是可以获得较小的表面粗糙度。为了同时获得较大的表面粗糙度降低率和较小的表面粗糙度，近年来，连续激光和脉冲激光组合的双束激光异步复合抛光工艺成为了激光抛光领域研究热点之一。测试证明，两步组合的复合激光抛光工艺获得的表面粗糙度确实比一步激光抛光工艺获得的表面粗糙度小。