傳統(tǒng)的部件拋光技術(shù)是一種費(fèi)時(shí)和費(fèi)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(gè)強(qiáng)烈的進(jìn)行自動(dòng)化和有效的拋光手段的出現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),采用激光進(jìn)行拋光,可以實(shí)現(xiàn)無接觸和自動(dòng)化的對(duì)表面進(jìn)行拋光,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gè)案例。鋁合金在采用激光進(jìn)行拋光的時(shí)候面臨著巨大的挑戰(zhàn),這是因?yàn)殇X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(shí)現(xiàn)激光對(duì)鋁合金的拋光,本文采用了最高功率為4000W的板條激光來進(jìn)行拋光。加工的時(shí)候采用脈沖波的激光束進(jìn)行,脈沖頻率為1000 Hz,最小的脈沖停留時(shí)間為0.3ms以及連續(xù)波進(jìn)行拋光。激光的掃描采用1D掃描振鏡來實(shí)現(xiàn),使用高純Ar來進(jìn)行保護(hù)。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(jìn)行拋光,得到的表面粗糙度從Ra?=?1?μm提升到 Ra?=?4?μm。然后采用短脈沖的具有ns脈沖的激光對(duì)表面進(jìn)行清理。然后樣品采用光速計(jì)進(jìn)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(jìn)行了測量。首先,研究了部件的制造工藝對(duì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)初始表面粗糙度從Ra?=?2.17?μm和 Ra?=?2.34?μm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?=?0.19?μm,連續(xù)波激光拋光的最小粗糙度可以達(dá)到Ra?=?0.15?μm。其激光拋光的速率,以拋光的面積來計(jì)算,連續(xù)波激光的拋光速度為 20~ 60?cm2/min,而脈沖激光拋光的速度只有 5.5?cm2/min,這是因?yàn)橄到y(tǒng)所使用的硬件限制所造成的。
I. 引言
為了實(shí)現(xiàn)金屬部件機(jī)加工或者成形加工后的部件可以得到高質(zhì)量的表面,機(jī)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(duì)3D/自由曲面進(jìn)行激光拋光的手段問世以來,人們開始對(duì)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(duì)部件進(jìn)行拋光,也可以進(jìn)行層層剝離進(jìn)行拋光,其材料的熔化范圍為幾個(gè)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(huì)形成一個(gè)極端細(xì)小的顯微組織。對(duì)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(jí)和宏觀級(jí)激光拋光。宏觀激光拋光一般使用連續(xù)波(CW)激光來進(jìn)行拋光,其激光拋光的初始表面粗糙度一般在Ra?=?2?μm 到 Ra?=?16?μm之間。
微觀激光拋光比較典型的使用脈沖波激光來進(jìn)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(dá)到 Ra?≥?5?nm。
在當(dāng)前的研究和出版的文獻(xiàn)中,人們?cè)陂_展采用激光拋光工藝對(duì)SLM制造的增材制造的金屬部件進(jìn)行了拋光。
對(duì)鋁合金部件進(jìn)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(shí)候,鋁合金對(duì)對(duì)激光的吸收率非常低,同時(shí)鋁合金的高的熱導(dǎo)率、高的熱膨脹系數(shù)是激光拋光時(shí)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(diǎn)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(jìn)行。一個(gè)進(jìn)一步的需要關(guān)注的問題是當(dāng)面對(duì)壓力壓鑄的部件時(shí),該部件存在較高的氣孔率,對(duì)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(xiàn)報(bào)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(gè)非常有前途的分支。事實(shí)上,這里已經(jīng)有激光拋光鋁合金的研究,然而,還需要進(jìn)行額外的研究。本文的工作主要在于填補(bǔ)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(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
A. 使用的激光系統(tǒng)和測量的手段
為了研究激光拋光,采用板條激光器來進(jìn)行研究,其最大的輸出功率為 4000 W。激光可以運(yùn)行在連續(xù)波(CW)或脈沖波(pW)的模式下。在脈沖波的時(shí)候,最大的輸出頻率為1000 Hz,最小的脈沖停留時(shí)間為0.3ms。激光束的梯度折射率纖維直徑為200?μm。圖1為激光拋光時(shí)的裝置圖。
圖1 激光拋光鋁合金的實(shí)驗(yàn)裝置圖
為了保護(hù)樣品不受氧的污染,工件放置在一個(gè)充滿純凈的Ar的工作室內(nèi)。殘余的氧的濃度在進(jìn)行激光拋光的時(shí)候?yàn)椴坏陀?40?ppm O2,控制的殘余氧的濃度采用類型為PRO2 plus設(shè)備進(jìn)行測量。其表面采用一個(gè)類型為seelector Icam HD-1的設(shè)備進(jìn)行測量,實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖見圖2.
FIG. 3. Schematic setup and process of laser polishing of aluminum with 1D-scanner optics. 圖2 采用1D掃描振鏡進(jìn)行激光為阿UN高拋噶UN高鋁合金的示意圖
T激光拋光的區(qū)域?yàn)?0?×?10?mm2。激光束如同鐘擺一樣在Y方向進(jìn)行掃描,移動(dòng)是在X方向進(jìn)行,平行于拋光的表面。但鐘擺(類似)的移動(dòng)速度同相反的方向點(diǎn)下降迅速的時(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié)。圖3為鐘擺的位置變化時(shí)激光功率的情況。
圖 3 在鐘擺的方向的分段時(shí)的激光功率
如上圖所示,激光功率可以分為15個(gè)區(qū)間段。在每一個(gè)左邊和右邊的兩個(gè)區(qū)間段內(nèi),激光功率逐漸減少到200 W。
在相似的兩個(gè)初始粗糙度表面上使用連續(xù)激光進(jìn)行拋光,一個(gè)Ra粗糙度值為Ra?=?0.15?μm,為壓力鑄造的樣品;另外一個(gè)粗糙度值為Ra?=?0.87?μm,為重力鑄造的樣品。粗糙度的差值在ΔRa?=?0.72?μm。測量的平均表面粗糙度值Rz,對(duì)壓力壓鑄樣品來說為 Rz?=?1.28?μm,對(duì)重力鑄造的樣品其Rz =?4.58?μ,其相應(yīng)的差值ΔRz?=?3.3?μm。
FIG. 5. Surface analysis of laser polished pressure die casting (vacural) and gravity die casting samples (cw).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(shí)候,壓力鑄造的樣品的表面粗糙度為 Ra?=?0.31?μm ,對(duì)于重力鑄造的樣品其粗糙度為Ra?=?0.74?μm。他們之間的差值為ΔRa?=?0.43?μm。研究的粗糙度表面的相關(guān)平均值為Rz?=?3.67?μm(壓力鑄造的樣品),對(duì)于重力鑄造的樣品為Rz?=?1.89?μm。他們之間的差值為 ΔRz?=?1.78?μm。
FIG. 6. Surface analysis of the laser polished gravity die casting sample (cw). 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為采用陪你過顯微鏡觀察分析得到的激光拋光后的分析結(jié)果??梢钥吹剑す鈷伖庵亓﹁T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。
IG. 7. Surface analysis of laser polished pressure die casting (vacural) and gravity die casting samples (pw). 圖6 激光拋光壓力鑄造 (vacural)的樣品和重力鑄造(pw)的樣品進(jìn)行激光拋光后的表面分析結(jié)果
Cross-section analysis of laser polished pressure die casting (vacural) and gravity die casting samples (cw). 圖7 激光拋光壓力鑄造 (vacural)的樣品和重力鑄造(pw)的樣品進(jìn)行激光拋光后的橫截面分析結(jié)果
FIG. 9. Cross-section analysis of the laser polished gravity die casting sample (cw).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
FIG. 10. Cross-section analysis of laser polished pressure die casting (vacural) and gravity die casting samples (pw). 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
FIG. 18. White light interferometry picture (3D- and 2D-view) of the laser polished surface with pulsed wave beam from border area.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
FIG. 19. White light interferometry picture (3D- and 2D-view) of the laser polished surface with continuous wave beam from border area. 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,鋁合金 AlSi9MnMg 進(jìn)行激光拋光的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。第一個(gè)研究結(jié)果表明鑄造工藝對(duì)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?yàn)樵诮砻婧捅砻娲嬖跉饪缀凸拿浺约巴瑫r(shí)存在高度的不均勻的熔化深度所造成的。對(duì)外部重熔區(qū)的橫截面分析顯示對(duì)重力鑄造的樣品來說其熔化深度的波動(dòng)達(dá)到 50?μm。作為對(duì)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(duì)于連續(xù)波激光拋光,其熔化的平均深度為40?μm,對(duì)于脈沖激光進(jìn)行拋光的時(shí)候,其熔化深度高達(dá)90?μm,這是因?yàn)榇藭r(shí)具有更高的能量輸入。
采用脈沖激光拋光進(jìn)行進(jìn)一步的研究。結(jié)果表明其粗糙度的可減少值的范圍為Ra?=?2.17?μm到 Ra?=?2.38?μm,減少到 Ra?=?0.15?μm 到Ra?=?0.20?μm。
采用脈沖激光進(jìn)行拋光且脈沖能量為0.85 to 1.25?kW/mm2,初始的粗糙度為Ra?=?2.17?μm的時(shí)候,其粗糙度的建撒后范圍為Ra?=?0.19?μm 和 Ra?=?0.31?μm。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 8.16?kW/mm2,初始粗糙度數(shù)值為Ra?=?2.38?μ的時(shí)候,其表面粗糙度數(shù)值可以減少的范圍為Ra?=?0.16到Ra?=?0.38?μm。這相當(dāng)于減少了93%。
在采用連續(xù)激光進(jìn)行拋光的時(shí)候,依據(jù)文獻(xiàn)的速度在 1 到12?cm2/min,而在本文中有12個(gè)區(qū)域得到了20到 to 60?cm2/min。在這一工藝限制中,得到的粗糙度數(shù)值為 Ra?=?0.15?μm到 Ra?=?0.20?μm。
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
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