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0431-81702023
光學工程
新型光纖激光器在激光表面織構中的應用

兩種具有獨特加工能力的新型光纖激光器的加入,使現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,能夠將平均功率提高至數千瓦;第二種能夠在較低的成本/瓦的銷售價格的基礎上,通過在長皮秒級提供更窄脈寬提高了可調脈寬(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,明顯提高了現有的表面預制備、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一步減少對不利于環境保護的化學工藝的依賴,還能實現一些特殊的應用,如改善高反金屬材料的焊接工藝。

  激光表面處理

  激光表面處理通常是指那些功率在數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、精細的、深度較淺的加工,即通常所說的激光表面織構。我們對表面織構的定義是在一個較大的表面積上,通過小型的、深度<10μm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有多年應用歷史, 主要方法是在圓柱體上進行激光雕刻, 如網紋輥和壓花棍, 像素尺寸可以小至2μm( 圖1)。激光雕刻模具也間接屬于這一范疇,只是網紋表面利用激光表面雕刻技術雕刻在另一種非金屬材料上,并作為模板用于重復制造。其他直接的激光織構應用,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的網紋輥,上面高度規律地分布著直徑為20μm的凹點,

深度為10μm(Courtesy: ALE [2])

  隨著納秒脈沖光纖激光器在可靠性、靈活性及性價比方面的改善,以及更高平均功率和更高覆蓋率產品的出現,激光表面改性技術的應用日益提高,如清潔、去漆、焊接前預處理等。此外,人們對使用激進的化學工藝的顧慮越來越多,也推動了激光工藝的應用,而上述兩種光纖激光器更使得這一趨勢得以加速推進。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成為可能。激光微加工、激光打標、激光清潔、激光拋光和我們這里所談的激光表面織構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。

  關于激光表面織構

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

圖2:表面織構的特性,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,所以工件上不會受到像機械加工那樣的力。因此,控制波紋度和曲率不再是一個力學問題,而是變成了如何控制質量為零的激光光束的移動。大部分激光表面織構應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行交互轉行移動(一種左行右行交互式的書寫方式)。這種工藝能夠實現表面波浪式的變化。圖3是一個關于如何通過調整激光和移動參數來增加材料清除量,從而將波紋中的細微變化體現在材料表面上的例子,更大的變化也能夠實現。

圖3:在激光織構中波紋度的細微變化,較低的部分是通過激光織構實現的

(見圖10:在高倍放大鏡下觀察到的織構區域)

  如果確實需要在波紋的基礎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,通過減材(激光微加工)或是激光增材制造(LAM)加以實現。然而,將表面粗糙度(Ra)控制在比較低的水平是一個相當復雜的問題,特別是在覆蓋率較高的時候,比如在大規模工業生產中的激光織構。

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

通過激光控制紋理

  納秒脈沖光纖激光器打標是激光織構的一種形式。通過激光燒蝕形成的標記具有尺寸小的特點,所以在肉眼看來具有極高的精確性。然而,圖4是一個在放大鏡下看到的在不銹鋼材料上的典型的激光標記。在激光輻照較高的時候出現了快速熔化、高度動態反應以及蒸汽壓誘導的熔融物噴濺,隨后材料再次凝固,導致表面的形態具有高度隨機性。針對這種復雜的表面形態,用一般的粗糙度測量方法檢查打標質量顯得過于簡單,作用有限——因為主要標準通常是肉眼對可讀性的主觀判斷。

  現在已經有專門的技術用于在經過激光打標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、飛行激光打標器和工藝參數的改變都可以用來幫助實現所需的粗糙度。具有超高峰值功率、超短脈寬的超快激光器已經進入激光微加工領域,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苛要求的專業領域。高度精細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雜的、高精度的3D部件生產領域。然而,機械加工和激光加工之間的根本區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。在這里,需要指出的是許多應用其實不需要光滑的表面。舉個例子,在圖4中,具有輕微粗糙屬性的表面會使肉眼看到的標記更加清晰可辨。而我們在此討論的新進展是指生產特定的表面形貌,滿足特定的需求,實現表面功能化。

  千瓦級納秒脈沖光纖激光器

  第一種激光器是眾所周知的具有重要意義的分支——Q-開關光纖激光器。連續波(CW)光纖激光器的模塊化屬性使平均功率達到前所未有的水平。如今,同樣的模塊化還使得納秒光纖激光器的功率可高達數千瓦(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應用對速度的要求。

圖5:1kW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用領域是去漆、從鋼材上清除鋁涂層,以及鋁材在焊接前的表面處理。據報道稱涂層清除速度可高達60cm2/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,一臺平均功率僅為800W的納秒脈寬二極管泵浦固態激光器(DPSS)體積大10倍,占地面積大3倍,資本投入(購置成本)、維護檢修和運轉成本也更高。

圖6:1000倍放大鏡下觀察到的未經處理的鋁材表面

  眾所周知,鋁材表面有比較厚的天然氧化層,這對大多數焊接加工來說都是不利的,清除這些涂層能有效改善粘結性能和焊接質量。圖6所示為在高倍放大鏡下看到的未經研磨拋光處理的1100鋁合金表面。不難理解,表面的不均勻性會導致材料厚度和天然氧化層的狀況出現較大差異,進而造成表面屬性的重復性較差。由于交通運輸業對輕量化的需求,人們對鋁合金材料的關注度日益提高,為此,我們也進行了相關實驗,以評估這種高功率光纖激光器在一系列鋁材表面織構應用中的加工性能。

  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象進行了觀察。結果表明,更高的平均功率能夠形成更快的加工速度,直至達到經濟可行的要求(綜合考慮資本成本和運轉成本)。

圖7:1000倍放大鏡下看到的經過低輻照激光表面清潔或正火的同一個鋁表面

 

 改善粘結強度

  在汽車行業中,關于輕量化材料粘結的應用越來越多,表明該加工領域存在著重要的發展機遇。事實證明,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,顯著改善粘結強度:

  1、提高表面能量

  2、清除那些會導致長期粘結退化的污染的氫氧化層

  3、改善表面一致性

  4、顯著提高表面積,進而改善與表面的機械聯鎖

  亞納秒脈沖超快光纖激光器

  圖9所示為在現有低納秒MOPA光纖激光器的基礎上衍生出的產品,其主要原理是一臺半導體種子激光器,借助增益開關模式,產生亞納秒脈沖。通過這種原理研發出的激光器結構小巧,性價比高。

圖8:1000倍放大鏡下看到的經過高輻照激光表面清潔或正火的同一個鋁表面

  現有產品配置為150ps脈寬,平均功率30W,也可將此作為平臺將功率調高至100W。該光纖激光器可提供高達400 kW峰值功率以及M2<1.3的高亮度,并借助現有光學系統,在工件上產生極高的輻照。雖然經濟的低皮秒激光器能實現類似的、甚至是更高的輻照,但是150ps脈沖級尚未被廣泛研究。

圖9:150 ps脈沖的MOPA光纖激光器

  實驗揭示了一系列金屬材料的精細波紋表面。我們特別挑選了銅和鋁,這是因為這兩種材料在室溫下的反射率幾近于100%,很難用激光加工,而且它們的熱擴散率通常是鋼的5倍。在這些金屬上標刻了高吸收性的、平滑的、不易破損的黑色標記,覆蓋率<10mm2/s。特別有趣的一點是在厚度僅為50μm金屬箔材上同樣也可以實現無畸變的激光打標

  圖10所示的表面波峰-波峰高度(Rt)為大約0.6μm,這一數值比軋制波紋略大,證明表面確實曾發生過非常細微的再分布過程。現代接觸角測量技術能夠通過連接、濕潤度和表面能量,對清潔過程提供精確量化,已得到廣泛應用。還有一種公認的關聯是接觸角會隨著與金屬材料表面天然氧化層重建相關的時間降低。就鋁材和銅材來說,用150ps激光器加工24小時后,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間內,接觸角還要低得多。測得的接觸角的降低以及與之相關的表面能量的增加證明,表面的親水性有了顯著提高。

圖10:150ps激光器加工后的ETP銅表面(低通量)

  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。

  高反材料的焊接

  用150ps激光器對高反材料進行表面織構時,最重要的屬性莫過于吸收率——它們是黑色表面,而且形成的標記永恒、持久、可清潔,且宏觀尺度平滑,這樣在使用時就不會存留污物。這意味著所有波長都會被強烈吸收。與未經處理的表面相比(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。這種不均勻性被認為是激光點焊重復性差的原因所在。我們的預處理加工可為焊接提供下列優勢:

  1、提高高反金屬點焊的重復性

  2、可針對較薄的高反金屬箔材進行低熱輸入的可重復性焊接

  3、在焊接異種金屬時,改善對焊接深度的控制

  4、處理面積小至直徑1mm,可顯著強化表面吸收,有助于隨后的激光焊接

  5、同一套光學系統既可以用于150ps激光器,也可以用于近紅外焊接激光器,如YLR 150/1500準連續光纖激光器。這樣就可以在激光焊接之前即刻進行表面預處理。

  我們的目標是未來能夠證明在焊接高反金屬材料時,該工藝比高平均功率的532nm激光器或是提供近紅外及532nm波長的激光器更具性價比優勢。

圖11:150ps激光器加工后的ETP銅表面(高通量)

 

小結

  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,降低Ra,還包括附加的功能特性。所展示的激光織構為正火或表面預制,這些過程有助于提高下一道工序、激光加工或其他應用的一致性,從而改善下一道工序的可控性,如粘結或焊接。此外,取代濕性化學表面制備工藝還具有重要的環保意義。

  光纖激光器所具有的模塊化和可調性進一步拓展了現有激光器的范圍。我們已經看到,新的激光器正在打開新的應用市場,帶來新的商業機會。文本所探討的兩種激光器互為補充: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轉成本,從而使這些加工工藝能夠在工業領域得到更為廣泛的應用。

 


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