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，而且提供了自動流水線加工的可能，所以它是一種對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?，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，熔化層就會向深處擴(kuò)展，材料的整體外觀和機(jī)械性能也會隨之降低。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)勢激光拋光從使用溫度方面可以簡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，對于表面大面積拋光激光是沒有性能優(yōu)勢的，這是因?yàn)閺睦碚撋戏治觯椪漳芰看竺娣e作用在被拋工件上，就會減弱質(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非接觸拋光對樣品表面不會施加接觸壓力，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)床的傳動機(jī)構(gòu)、軸承樞紐、渦輪驅(qū)動的曲表面和局部內(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)展的動力，前進(jìn)的中堅(jiān)。激光拋光的優(yōu)勢也大大減少了工業(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激光表面處理技術(shù)研究的日益深入，激光拋光將會在未來的工業(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