發布日期：2022-10-09 點擊率：67
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<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2 μm（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20 μm的凹點，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。
有關激光表面織構
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。
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。
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）
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。
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