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0431-81702023
光学工程
新型光纤激光器在激光表面织构中的应用

两种具有独特加工能力的新型光纤激光器的加入,使现有纳秒光纤激光器的范围得到了拓展。第一种是模块化光纤激光器,能够将平均功率提高至数千瓦;第二种能够在较低的成本/瓦的销售价格的基础上,通过在长皮秒级提供更窄脉宽提高了可调脉宽(MOPA)光纤激光器的效用。上述两种激光器都在突破性的辐照度及功率水平下工作,明显提高了现有的表面预制备、清洁、涂层去除等激光加工能力。这两种光纤激光器不仅能进一步减少对不利于环境保护的化学工艺的依赖,还能实现一些特殊的应用,如改善高反金属材料的焊接工艺。

  激光表面处理

  激光表面处理通常是指那些功率在数千瓦范围的激光工艺,如热处理、淬火、熔覆等,但是在这里我们将要讨论的是小型的、精细的、深度较浅的加工,即通常所说的激光表面织构。我们对表面织构的定义是在一个较大的表面积上,通过小型的、深度<10μm的纹路,使其形成功能化表面。可满足这一定义的加工工艺已经有多年应用历史, 主要方法是在圆柱体上进行激光雕刻, 如网纹辊和压花棍, 像素尺寸可以小至2μm( 图1)。激光雕刻模具也间接属于这一范畴,只是网纹表面利用激光表面雕刻技术雕刻在另一种非金属材料上,并作为模板用于重复制造。其他直接的激光织构应用,如改善表面摩擦属性,也得到了广泛研究。

图1:使用单模光纤激光器生产的网纹辊,上面高度规律地分布着直径为20μm的凹点,

深度为10μm(Courtesy: ALE [2])

  随着纳秒脉冲光纤激光器在可靠性、灵活性及性价比方面的改善,以及更高平均功率和更高覆盖率产品的出现,激光表面改性技术的应用日益提高,如清洁、去漆、焊接前预处理等。此外,人们对使用激进的化学工艺的顾虑越来越多,也推动了激光工艺的应用,而上述两种光纤激光器更使得这一趋势得以加速推进。如今,在多种材料上生成更大范围的次微米及大型表面纹路或是形貌已经成为可能。激光微加工、激光打标、激光清洁、激光抛光和我们这里所谈的激光表面织构之间的界限开始变得彼此重叠,所以,我们的讨论与上述所有话题均相关。

  关于激光表面织构

  对于工程师来说,表面加工和表面织构这两个词都是用来形容那些经过生产过程后得到的表面。为了说明表面的三个主要特性,我们用沙丘来举例,也许会有帮助(图2)。

图2:表面织构的特性,包括粗糙度、波纹度及形状

  一簇一簇的沙粒表示表面织构或表面加工,其中波纹度就是沙地上的纹路、曲率或是形状就是沙丘的起伏。由于激光加工是非材料接触的,所以工件上不会受到像机械加工那样的力。因此,控制波纹度和曲率不再是一个力学问题,而是变成了如何控制质量为零的激光光束的移动。大部分激光表面织构应用均要求能够以较高的加工速度覆盖较大的面积,因此,聚焦激光光束一般都是通过扫描振镜,在材料表面上以高速进行交互转行移动(一种左行右行交互式的书写方式)。这种工艺能够实现表面波浪式的变化。图3是一个关于如何通过调整激光和移动参数来增加材料清除量,从而将波纹中的细微变化体现在材料表面上的例子,更大的变化也能够实现。

图3:在激光织构中波纹度的细微变化,较低的部分是通过激光织构实现的

(见图10:在高倍放大镜下观察到的织构区域)

  如果确实需要在波纹的基础上加上具有显著曲率的3D形状,那么可以利用多轴激光系统,通过减材(激光微加工)或是激光增材制造(LAM)加以实现。然而,将表面粗糙度(Ra)控制在比较低的水平是一个相当复杂的问题,特别是在覆盖率较高的时候,比如在大规模工业生产中的激光织构。

图4:在高倍放大镜下看到的不锈钢材料上的激光标记(千瓦级纳秒脉冲光纤激光器)

通过激光控制纹理

  纳秒脉冲光纤激光器打标是激光织构的一种形式。通过激光烧蚀形成的标记具有尺寸小的特点,所以在肉眼看来具有极高的精确性。然而,图4是一个在放大镜下看到的在不锈钢材料上的典型的激光标记。在激光辐照较高的时候出现了快速熔化、高度动态反应以及蒸汽压诱导的熔融物喷溅,随后材料再次凝固,导致表面的形态具有高度随机性。针对这种复杂的表面形态,用一般的粗糙度测量方法检查打标质量显得过于简单,作用有限——因为主要标准通常是肉眼对可读性的主观判断。

  现在已经有专门的技术用于在经过激光打标和激光微加工的材料上改善表面抛光。多条激光光路,多种扫描模式、飞行激光打标器和工艺参数的改变都可以用来帮助实现所需的粗糙度。具有超高峰值功率、超短脉宽的超快激光器已经进入激光微加工领域,这些激光器由于注入的热能较少,所以材料的熔化也较少,但是每瓦的成本很高。每个脉冲的材料去除率比较低,通常意味着粗糙度也比较低,但是这些激光器仅限于那些对精确度及装饰有严苛要求的专业领域。高度精细的多轴激光器能够通过减材激光烧蚀过程,将减材工艺拓展至复杂的、高精度的3D部件生产领域。然而,机械加工和激光加工之间的根本区别是聚焦的能量源不同,比如激光光束,这使得最后一步充满挑战。在这里,需要指出的是许多应用其实不需要光滑的表面。举个例子,在图4中,具有轻微粗糙属性的表面会使肉眼看到的标记更加清晰可辨。而我们在此讨论的新进展是指生产特定的表面形貌,满足特定的需求,实现表面功能化。

  千瓦级纳秒脉冲光纤激光器

  第一种激光器是众所周知的具有重要意义的分支——Q-开关光纤激光器。连续波(CW)光纤激光器的模块化属性使平均功率达到前所未有的水平。如今,同样的模块化还使得纳秒光纤激光器的功率可高达数千瓦(图5)。更高的平均功率能形成更快的加工速度,从而使其能够满足工业应用对速度的要求。

图5:1kW脉冲纳秒激光器

  高功率红外线(IR)纳秒脉冲激光器的主要应用领域是去漆、从钢材上清除铝涂层,以及铝材在焊接前的表面处理。据报道称涂层清除速度可高达60cm2/min。光纤激光器不仅能够供卓越的平均功率以及脉冲能量,而且占地面积较小,相比之下,一台平均功率仅为800W的纳秒脉宽二极管泵浦固态激光器(DPSS)体积大10倍,占地面积大3倍,资本投入(购置成本)、维护检修和运转成本也更高。

图6:1000倍放大镜下观察到的未经处理的铝材表面

  众所周知,铝材表面有比较厚的天然氧化层,这对大多数焊接加工来说都是不利的,清除这些涂层能有效改善粘结性能和焊接质量。图6所示为在高倍放大镜下看到的未经研磨抛光处理的1100铝合金表面。不难理解,表面的不均匀性会导致材料厚度和天然氧化层的状况出现较大差异,进而造成表面属性的重复性较差。由于交通运输业对轻量化的需求,人们对铝合金材料的关注度日益提高,为此,我们也进行了相关实验,以评估这种高功率光纤激光器在一系列铝材表面织构应用中的加工性能。

  我们对简单的表面清洁或正火(图7)到熔化,再到从表面清除一定量材料的现象进行了观察。结果表明,更高的平均功率能够形成更快的加工速度,直至达到经济可行的要求(综合考虑资本成本和运转成本)。

图7:1000倍放大镜下看到的经过低辐照激光表面清洁或正火的同一个铝表面

 

 改善粘结强度

  在汽车行业中,关于轻量化材料粘结的应用越来越多,表明该加工领域存在着重要的发展机遇。事实证明,具有高平均功率水平的纳秒光纤激光器能够通过以下方式,显著改善粘结强度:

  1、提高表面能量

  2、清除那些会导致长期粘结退化的污染的氢氧化层

  3、改善表面一致性

  4、显著提高表面积,进而改善与表面的机械联锁

  亚纳秒脉冲超快光纤激光器

  图9所示为在现有低纳秒MOPA光纤激光器的基础上衍生出的产品,其主要原理是一台半导体种子激光器,借助增益开关模式,产生亚纳秒脉冲。通过这种原理研发出的激光器结构小巧,性价比高。

图8:1000倍放大镜下看到的经过高辐照激光表面清洁或正火的同一个铝表面

  现有产品配置为150ps脉宽,平均功率30W,也可将此作为平台将功率调高至100W。该光纤激光器可提供高达400 kW峰值功率以及M2<1.3的高亮度,并借助现有光学系统,在工件上产生极高的辐照。虽然经济的低皮秒激光器能实现类似的、甚至是更高的辐照,但是150ps脉冲级尚未被广泛研究。

图9:150 ps脉冲的MOPA光纤激光器

  实验揭示了一系列金属材料的精细波纹表面。我们特别挑选了铜和铝,这是因为这两种材料在室温下的反射率几近于100%,很难用激光加工,而且它们的热扩散率通常是钢的5倍。在这些金属上标刻了高吸收性的、平滑的、不易破损的黑色标记,覆盖率<10mm2/s。特别有趣的一点是在厚度仅为50μm金属箔材上同样也可以实现无畸变的激光打标

  图10所示的表面波峰-波峰高度(Rt)为大约0.6μm,这一数值比轧制波纹略大,证明表面确实曾发生过非常细微的再分布过程。现代接触角测量技术能够通过连接、湿润度和表面能量,对清洁过程提供精确量化,已得到广泛应用。还有一种公认的关联是接触角会随着与金属材料表面天然氧化层重建相关的时间降低。就铝材和铜材来说,用150ps激光器加工24小时后,测得接触角降低的量仍大于30%,这意味着在激光加工后的短时间内,接触角还要低得多。测得的接触角的降低以及与之相关的表面能量的增加证明,表面的亲水性有了显著提高。

图10:150ps激光器加工后的ETP铜表面(低通量)

  需要指出的是,图8和图10所示的表面特征在形状上大体类似,但是在比例上完全不同——图8的比例为1000倍,而图10则为20,000倍。

  高反材料的焊接

  用150ps激光器对高反材料进行表面织构时,最重要的属性莫过于吸收率——它们是黑色表面,而且形成的标记永恒、持久、可清洁,且宏观尺度平滑,这样在使用时就不会存留污物。这意味着所有波长都会被强烈吸收。与未经处理的表面相比(如图6所示),高反材料不仅高度反射,而且不均匀,氧化层的厚度存在差异。这种不均匀性被认为是激光点焊重复性差的原因所在。我们的预处理加工可为焊接提供下列优势:

  1、提高高反金属点焊的重复性

  2、可针对较薄的高反金属箔材进行低热输入的可重复性焊接

  3、在焊接异种金属时,改善对焊接深度的控制

  4、处理面积小至直径1mm,可显著强化表面吸收,有助于随后的激光焊接

  5、同一套光学系统既可以用于150ps激光器,也可以用于近红外焊接激光器,如YLR 150/1500准连续光纤激光器。这样就可以在激光焊接之前即刻进行表面预处理。

  我们的目标是未来能够证明在焊接高反金属材料时,该工艺比高平均功率的532nm激光器或是提供近红外及532nm波长的激光器更具性价比优势。

图11:150ps激光器加工后的ETP铜表面(高通量)

 

小结

  我们在本文中所阐述的不仅仅是通过激光器控制表面形态,降低Ra,还包括附加的功能特性。所展示的激光织构为正火或表面预制,这些过程有助于提高下一道工序、激光加工或其他应用的一致性,从而改善下一道工序的可控性,如粘结或焊接。此外,取代湿性化学表面制备工艺还具有重要的环保意义。

  光纤激光器所具有的模块化和可调性进一步拓展了现有激光器的范围。我们已经看到,新的激光器正在打开新的应用市场,带来新的商业机会。文本所探讨的两种激光器互为补充:高覆盖率但是相对粗糙的金属表面可以用千瓦级纳秒光纤激光器,而低功率、窄脉宽的激光器则适用于加工那些具有非常平滑的,高吸收率表面的高反材料。

  这两种激光器能有效降低购置成本及运转成本,从而使这些加工工艺能够在工业领域得到更为广泛的应用。

 


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