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金屬鈑金新聞

新型光纖激光器在激光表面織構(gòu)中的應(yīng)用

星之球科技 來(lái)源:IPG光纖激光器2016-04-13 我要評(píng)論(0 )   

兩種具有獨(dú)特加工能力的新型光纖激光器的加入,使現(xiàn)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?qū)⑵骄β侍岣咧翑?shù)千瓦;第二種能夠在較低的成...

 Tony Hoult,  Santa Clara技術(shù)中心應(yīng)用經(jīng)理,IPG Photonics 
Arthur Amidon,應(yīng)用工程師,IPG Photonics
 
兩種具有獨(dú)特加工能力的新型光纖激光器的加入,使現(xiàn)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?qū)⑵骄β侍岣咧翑?shù)千瓦;第二種能夠在較低的成本/瓦的銷售價(jià)格的基礎(chǔ)上,通過(guò)在長(zhǎng)皮秒級(jí)提供更窄脈寬提高了可調(diào)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(xiàn)有的表面預(yù)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(jìn)一步減少對(duì)不利于環(huán)境保護(hù)的化學(xué)工藝的依賴,還能實(shí)現(xiàn)一些特殊的應(yīng)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(shù)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(xì)的、深度較淺的加工,即通常所說(shuō)的激光表面織構(gòu)。我們對(duì)表面織構(gòu)的定義是在一個(gè)較大的表面積上,通過(guò)小型的、深度<10 µm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(jīng)有多年應(yīng)用歷史,主要方法是在圓柱體上進(jìn)行激光雕刻,如網(wǎng)紋輥和壓花棍,像素尺寸可以小至2 µm(圖1)。激光雕刻模具也間接屬于這一范疇,只是網(wǎng)紋表面利用激光表面雕刻技術(shù)雕刻在另一種非金屬材料上,并作為模板用于重復(fù)制造。其他直接的激光織構(gòu)應(yīng)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(chǎn)的網(wǎng)紋輥,上面高度規(guī)律地分布著直徑為20 μm的凹點(diǎn),深度為10 μm(Courtesy:ALE)
 
隨著納秒脈沖光纖激光器在可靠性、靈活性及性價(jià)比方面的改善,以及更高平均功率和更高覆蓋率產(chǎn)品的出現(xiàn),激光表面改性技術(shù)的應(yīng)用日益提高,如清潔、去漆、焊接前預(yù)處理等。此外,人們對(duì)使用激進(jìn)的化學(xué)工藝的顧慮越來(lái)越多,也推動(dòng)了激光工藝的應(yīng)用,而上述兩種光纖激光器更使得這一趨勢(shì)得以加速推進(jìn)。
 
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(jīng)成為可能。激光微加工、激光打標(biāo)、激光清潔、激光拋光和我們這里所談的激光表面織構(gòu)之間的界限開(kāi)始變得彼此重疊,所以,我們的討論與上述所有話題均相關(guān)。
 
有關(guān)激光表面織構(gòu)
對(duì)于工程師來(lái)說(shuō),表面加工和表面織構(gòu)這兩個(gè)詞都是用來(lái)形容那些經(jīng)過(guò)生產(chǎn)過(guò)程后得到的表面。為了說(shuō)明表面的三個(gè)主要特性,我們用沙丘來(lái)舉例,也許會(huì)有幫助(圖2)。
圖2 表面織構(gòu)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(gòu)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(huì)受到像機(jī)械加工那樣的力。因此,控制波紋度和曲率不再是一個(gè)力學(xué)問(wèn)題,而是變成了如何控制質(zhì)量為零的激光光束的移動(dòng)。
 
大部分激光表面織構(gòu)應(yīng)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(guò)掃描振鏡,在材料表面上以高速進(jìn)行交互轉(zhuǎn)行移動(dòng)(一種左行右行交互式的書(shū)寫方式)。這種工藝能夠?qū)崿F(xiàn)表面波浪式的變化。圖3是一個(gè)關(guān)于如何通過(guò)調(diào)整激光和移動(dòng)參數(shù)來(lái)增加材料清除量,從而將波紋中的細(xì)微變化體現(xiàn)在材料表面上的例子,更大的變化也能夠?qū)崿F(xiàn)。
圖3:在激光織構(gòu)中波紋度的細(xì)微變化,較低的部分是通過(guò)激光織構(gòu)實(shí)現(xiàn)的(見(jiàn)圖10:在高倍放大鏡下觀察到的織構(gòu)區(qū)域)
 
如果確實(shí)需要在波紋的基礎(chǔ)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(tǒng),通過(guò)減材(激光微加工)或是激光增材制造(LAM)加以實(shí)現(xiàn)。然而,將表面粗糙度(Ra)控制在比較低的水平是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題,特別是在覆蓋率較高的時(shí)候,比如在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中的激光織構(gòu)。
 
通過(guò)激光控制紋理
納秒脈沖光纖激光器打標(biāo)是激光織構(gòu)的一種形式。通過(guò)激光燒蝕形成的標(biāo)記具有尺寸小的特點(diǎn),所以在肉眼看來(lái)具有極高的精確性。然而,圖4是一個(gè)在放大鏡下看到的在不銹鋼材料上的典型的激光標(biāo)記。
圖4:在高倍放大鏡下看到的不銹鋼材料上的激光標(biāo)記(千瓦級(jí)納秒脈沖光纖激光器)
 
在激光輻照較高的時(shí)候出現(xiàn)了快速熔化、高度動(dòng)態(tài)反應(yīng)以及蒸汽壓誘導(dǎo)的熔融物噴濺,隨后材料再次凝固,導(dǎo)致表面的形態(tài)具有高度隨機(jī)性。針對(duì)這種復(fù)雜的表面形態(tài),用一般的粗糙度測(cè)量方法檢查打標(biāo)質(zhì)量顯得過(guò)于簡(jiǎn)單,作用有限——因?yàn)橹饕獦?biāo)準(zhǔn)通常是肉眼對(duì)可讀性的主觀判斷。
 
現(xiàn)在已經(jīng)有專門的技術(shù)用于在經(jīng)過(guò)激光打標(biāo)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(biāo)和工藝參數(shù)的改變都可以用來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)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(jīng)進(jìn)入激光微加工領(lǐng)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(gè)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(duì)精確度及裝飾有嚴(yán)苛要求的專業(yè)領(lǐng)域。高度精細(xì)的多軸激光器能夠通過(guò)減材激光燒蝕過(guò)程,將減材工藝拓展至復(fù)雜的、高精度的3D部件生產(chǎn)領(lǐng)域。然而,機(jī)械加工和激光加工之間的根本區(qū)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(zhàn)。在這里,需要指出的是許多應(yīng)用其實(shí)不需要光滑的表面。舉個(gè)例子,在圖4中,具有輕微粗糙屬性的表面會(huì)使肉眼看到的標(biāo)記更加清晰可辨。而我們?cè)诖擞懻摰男逻M(jìn)展是指生產(chǎn)特定的表面形貌,滿足特定的需求,實(shí)現(xiàn)表面功能化。
 
千瓦級(jí)納秒脈沖
第一種激光器是眾所周知的具有重要意義的分支——Q-開(kāi)關(guān)光纖激光器。連續(xù)波(CW)光纖激光器的模塊化屬性使平均功率達(dá)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(dá)數(shù)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(yè)應(yīng)用對(duì)速度的要求。
 
圖5:1 kW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(yīng)用領(lǐng)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(jù)報(bào)道稱涂層清除速度可高達(dá)60 cm2/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(tái)平均功率僅為800 W的納秒脈寬二極管泵浦固態(tài)激光器(DPSS)體積大10倍,占地面積大3倍,資本投入(購(gòu)置成本)、維護(hù)檢修和運(yùn)轉(zhuǎn)成本也更高。 
圖6:1000倍放大鏡下觀察到的未經(jīng)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(duì)大多數(shù)焊接加工來(lái)說(shuō)都是不利的,清除這些涂層能有效改善粘結(jié)性能和焊接質(zhì)量。圖6所示為在高倍放大鏡下看到的未經(jīng)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(huì)導(dǎo)致材料厚度和天然氧化層的狀況出現(xiàn)較大差異,進(jìn)而造成表面屬性的重復(fù)性較差。由于交通運(yùn)輸業(yè)對(duì)輕量化的需求,人們對(duì)鋁合金材料的關(guān)注度日益提高,為此,我們也進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),以評(píng)估這種高功率光纖激光器在一系列鋁材表面織構(gòu)應(yīng)用中的加工性能。 
圖7:1000倍放大鏡下看到的經(jīng)過(guò)低輻照激光表面清潔或正火的同一個(gè)鋁表面
 
我們對(duì)簡(jiǎn)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(xiàn)象進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明,更高的平均功率能夠形成更快的加工速度,直至達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行的要求(綜合考慮資本成本和運(yùn)轉(zhuǎn)成本)。
圖8:1000倍放大鏡下看到的經(jīng)過(guò)高輻照激光表面清潔或正火的同一個(gè)鋁表面
 
改善粘結(jié)強(qiáng)度
在汽車行業(yè)中,關(guān)于輕量化材料粘結(jié)的應(yīng)用越來(lái)越多,表明該加工領(lǐng)域存在著重要的發(fā)展機(jī)遇。事實(shí)證明,具有高平均功率水平的納秒光纖激光器能夠通過(guò)以下方式,顯著改善粘結(jié)強(qiáng)度:
 
•       提高表面能量
•       清除那些會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期粘結(jié)退化的污染的氫氧化層
•       改善表面一致性
•       顯著提高表面積,進(jìn)而改善與表面的機(jī)械聯(lián)鎖
 
亞納秒脈沖超快光纖激光器
下圖所示為在現(xiàn)有低納秒MOPA光纖激光器的基礎(chǔ)上衍生出的產(chǎn)品,其主要原理是一臺(tái)半導(dǎo)體種子激光器,借助增益開(kāi)關(guān)模式,產(chǎn)生亞納秒脈沖。通過(guò)這種原理研發(fā)出的激光器結(jié)構(gòu)小巧,性價(jià)比高(圖9)。
 
圖9:150 ps脈沖的MOPA光纖激光器
 
現(xiàn)有產(chǎn)品配置為150 ps脈寬,平均功率30 W,也可將此作為平臺(tái)將功率調(diào)高至100 W。該光纖激光器可提供高達(dá)400 kW峰值功率以及M2<1.3的高亮度,并借助現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng),在工件上產(chǎn)生極高的輻照。雖然經(jīng)濟(jì)的低皮秒激光器能實(shí)現(xiàn)類似的、甚至是更高的輻照,但是150 ps脈沖級(jí)尚未被廣泛研究。
 
實(shí)驗(yàn)揭示了一系列金屬材料的精細(xì)波紋表面。我們特別挑選了銅和鋁,這是因?yàn)檫@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(kuò)散率通常是鋼的5倍。在這些金屬上標(biāo)刻了高吸收性的、平滑的、不易破損的黑色標(biāo)記,覆蓋率<10 mm2/s。特別有趣的一點(diǎn)是在厚度僅為50 μm金屬箔材上同樣也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)畸變的激光打標(biāo)。
圖10:150 ps激光器加工后的ETP銅表面(低通量)
 
圖10所示的表面波峰-波峰高度(Rt)為大約0.6 µm,這一數(shù)值比軋制波紋略大,證明表面確實(shí)曾發(fā)生過(guò)非常細(xì)微的再分布過(guò)程?,F(xiàn)代接觸角測(cè)量技術(shù)能夠通過(guò)連接、濕潤(rùn)度和表面能量,對(duì)清潔過(guò)程提供精確量化,已得到廣泛應(yīng)用。還有一種公認(rèn)的關(guān)聯(lián)是接觸角會(huì)隨著與金屬材料表面天然氧化層重建相關(guān)的時(shí)間降低。就鋁材和銅材來(lái)說(shuō),用150 ps激光器加工24小時(shí)后,測(cè)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(shí)間內(nèi),接觸角還要低得多。測(cè)得的接觸角的降低以及與之相關(guān)的表面能量的增加證明,表面的親水性有了顯著提高。
 
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150 ps激光器對(duì)高反材料進(jìn)行表面織構(gòu)時(shí),最重要的屬性莫過(guò)于吸收率——它們是黑色表面,而且形成的標(biāo)記永恒、持久、可清潔,且宏觀尺度平滑,這樣在使用時(shí)就不會(huì)存留污物。這意味著所有波長(zhǎng)都會(huì)被強(qiáng)烈吸收。與未經(jīng)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(rèn)為是激光點(diǎn)焊重復(fù)性差的原因所在。我們的預(yù)處理加工可為焊接提供下列優(yōu)勢(shì):
 
•       提高高反金屬點(diǎn)焊的重復(fù)性
•       可針對(duì)較薄的高反金屬箔材進(jìn)行低熱輸入的可重復(fù)性焊接
•       在焊接異種金屬時(shí),改善對(duì)焊接深度的控制
•       處理面積小至直徑1 mm,可顯著強(qiáng)化表面吸收,有助于隨后的激光焊接
•       同一套光學(xué)系統(tǒng)既可以用于150 ps激光器,也可以用于近紅外焊接激光器,如YLR 150/1500準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器。這樣就可以在激光焊接之前即刻進(jìn)行表面預(yù)處理。
 
我們的目標(biāo)是在未來(lái)能夠證明在焊接高反金屬材料時(shí),該工藝比高平均功率的532 nm激光器或是提供近紅外及532 nm波長(zhǎng)的激光器更具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。
 
總結(jié)
我們?cè)诒疚闹兴U述的不僅僅是通過(guò)激光器控制表面形態(tài),降低Ra,還包括附加的功能特性。所展示的激光織構(gòu)為正火或表面預(yù)制,這些過(guò)程有助于提高下一道工序、激光加工或其他應(yīng)用的一致性,從而改善下一道工序的可控性,如粘結(jié)或焊接。此外,取代濕性化學(xué)表面制備工藝還具有重要的環(huán)保意義。
  
光纖激光器所具有的模塊化和可調(diào)性進(jìn)一步拓展了現(xiàn)有激光器的范圍。我們已經(jīng)看到,新的激光器正在打開(kāi)新的應(yīng)用市場(chǎng),帶來(lái)新的商業(yè)機(jī)會(huì)。文本所探討的兩種激光器互為補(bǔ)充:高覆蓋率但是相對(duì)粗糙的金屬表面可以用千瓦級(jí)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(gòu)置成本及運(yùn)轉(zhuǎn)成本,從而使這些加工工藝能夠在工業(yè)領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。

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新型光纖激光器納秒光纖
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