苏激光联盟导读：采用连续激光和脉冲激光对两种不同铸造方式得到的铝合金进行了抛光。

内容简介：

传统的部件抛光技术是一种费时和费力的工艺过程。而且，手工抛光的话，主要依靠操作人员的工作水平。同这些相关联以及一些额外的困难的存在，这里存在一个强烈的进行自动化和有效的抛光手段的出现。为了实现这一目标，采用激光进行抛光，可以实现无接触和自动化的对表面进行抛光，从而实现了对传统抛光工艺的替代。本文为大家提供了采用激光抛光AlSi9MnMg铝合金的一个案例。铝合金在采用激光进行抛光的时候面临着巨大的挑战，这是因为铝合金的发射率高、热导率高以及热膨胀系数高等。为了实现激光对铝合金的抛光，本文采用了最高功率为4000W的板条激光来进行抛光。加工的时候采用脉冲波的激光束进行，脉冲频率为1000 Hz，最小的脉冲停留时间为0.3ms以及连续波进行抛光。激光的扫描采用1D扫描振镜来实现，使用高纯Ar来进行保护。铝合金样品首先采用真空压力和重力压铸的办法来制造，然而使用180 目的砂纸进行抛光，得到的表面粗糙度从Ra = 1 μm提升到 Ra = 4 μm。然后采用短脉冲的具有ns脉冲的激光对表面进行清理。然后样品采用光速计进行表面粗糙度的分析，分别测试Ra、 Rz和 Rt（依据EN ISO 4288标准），并使用白光干涉测量仪和显微镜进行了测量。首先，研究了部件的制造工艺对激光抛光的影响。脉冲激光抛光和连续波激光抛光的关系也进行了研究，结果得到了比较满意的压铸样品，同重力铸造的样品相比较。连续波激光和脉冲激光均可以实现初始表面粗糙度从Ra = 2.17 μm和 Ra = 2.34 μm向激光抛光后的低粗糙度转变，其中脉冲激光的最小粗糙度为Ra = 0.19 μm，连续波激光抛光的最小粗糙度可以达到Ra = 0.15 μm。其激光抛光的速率，以抛光的面积来计算，连续波激光的抛光速度为 20~ 60 cm2/min，而脉冲激光抛光的速度只有 5.5 cm2/min，这是因为系统所使用的硬件限制所造成的。

I. 引言

为了实现金属部件机加工或者成形加工后的部件可以得到高质量的表面，机械研磨和抛光是传统工艺中使用比较多的手段。自从开始使用无接触、可以对3D/自由曲面进行激光抛光的手段问世以来，人们开始对这一技术给予了大量的研究。使用激光抛光，可以选择性的或者全局的对部件进行抛光，也可以进行层层剥离进行抛光，其材料的熔化范围为几个微米和造成材料的蒸发离开。

作为一种快速凝固的过程，在激光抛光之后就会形成一个极端细小的显微组织。对于析出硬化钢来说，其表面的硬化层可以增加。

基本上，激光抛光可以区别为微观级和宏观级激光抛光。宏观激光抛光一般使用连续波（CW）激光来进行抛光，其激光抛光的初始表面粗糙度一般在Ra = 2 μm 到 Ra = 16 μm之间。

微观激光抛光比较典型的使用脉冲波激光来进行，其抛光前的初始表面一般来说是比较光滑的。取决于初始表面粗糙度的不同，脉冲激光抛光后最终的结果可以达到 Ra ≥ 5 nm。

在当前的研究和出版的文献中，人们在开展采用激光抛光工艺对SLM制造的增材制造的金属部件进行了抛光。

对铝合金部件进行激光抛光面临着非常巨大的挑战。尤其是，采用的激光波长为近红外范围的时候，铝合金对对激光的吸收率非常低，同时铝合金的高的热导率、高的热膨胀系数是激光抛光时的巨大障碍。此外，铝合金表面上形成的鲁棒性的氧化物薄膜，具有高熔点和同氧的亲和力比较高，使得激光表面抛光变得更为复杂。这就需要以激光抛光为基础的工艺需要在高纯的工艺环境下进行。一个进一步的需要关注的问题是当面对压力压铸的部件时，该部件存在较高的气孔率，对激光抛光比较困难，从而使得激光抛光获得均匀的抛光表面变得更加困难。激光抛光铸造铝合金部件和激光抛光SLM制造的AlSi10Mg已经有文献报道。

考虑到大量的关于激光抛光多种材料和结构，激光抛光可以看到，正在不断的增长和成为激光与材料相互作用中的一个非常有前途的分支。事实上，这里已经有激光抛光铝合金的研究，然而，还需要进行额外的研究。本文的工作主要在于填补激光抛光能力的研究之间的鸿沟，依据不同的部件的制造工艺（重力压铸和压力压铸）和不同的高能激光加工工艺的变化之间的关系。

II. 研究方案

为了研究激光抛光，采用板条激光器来进行研究，其最大的输出功率为 4000 W。激光可以运行在连续波（CW）或脉冲波（pW）的模式下。在脉冲波的时候，最大的输出频率为1000 Hz，最小的脉冲停留时间为0.3ms。激光束的梯度折射率纤维直径为200 μm。图1为激光抛光时的装置图。

▲图1 激光抛光铝合金的实验装置图

为了保护样品不受氧的污染，工件放置在一个充满纯净的Ar的工作室内。残余的氧的浓度在进行激光抛光的时候为不低于 40 ppm O2，控制的残余氧的浓度采用类型为PRO2 plus设备进行测量。其表面采用一个类型为seelector Icam HD-1的设备进行测量，实验装置的示意图见图2.

▲图2 采用1D扫描振镜进行激光抛光铝合金的示意图

激光抛光的区域为10 × 10 mm2。激光束如同钟摆一样在Y方向进行扫描，移动是在X方向进行，平行于抛光的表面。但钟摆（类似）的移动速度同相反的方向点下降迅速的时候，能量输入到钟摆的轨迹处的静态激光输出为不均匀的。这就导致在抛光区域的熔化深度的增加，导致抛光质量的不均匀。因此，在宽广的范围内的激光功率就需要进行调节。图3为钟摆的位置变化时激光功率的情况。

▲图 3 在钟摆的方向的分段时的激光功率

如上图所示，激光功率可以分为15个区间段。在每一个左边和右边的两个区间段内，激光功率逐渐减少到200 W。

在相似的两个初始粗糙度表面上使用连续激光进行抛光，一个Ra粗糙度值为Ra = 0.15 μm，为压力铸造的样品；另外一个粗糙度值为Ra = 0.87 μm，为重力铸造的样品。粗糙度的差值在ΔRa = 0.72 μm。测量的平均表面粗糙度值Rz，对压力压铸样品来说为 Rz = 1.28 μm，对重力铸造的样品其Rz = 4.58 μ，其相应的差值ΔRz = 3.3 μm。

▲图4 激光抛光压力铸造 (vacural)的样品和重力铸造(cw)的样品在激光抛光之后的表面分析

在脉冲激光抛光的时候，压力铸造的样品的表面粗糙度为 Ra = 0.31 μm ，对于重力铸造的样品其粗糙度为Ra = 0.74 μm。他们之间的差值为ΔRa = 0.43 μm。研究的粗糙度表面的相关平均值为Rz = 3.67 μm（压力铸造的样品），对于重力铸造的样品为Rz = 1.89 μm。他们之间的差值为 ΔRz = 1.78 μm。

▲ 图5 激光抛光重力铸造的样品之后的表面分析结果

图4-6为采用显微镜观察分析得到的激光抛光后的分析结果。可以看到，激光抛光重力铸造的样品显著的存在较大程度的不均匀性，同压力铸造的样品相比较。

▲图6 激光抛光压力铸造 (vacural)的样品和重力铸造(pw)的样品进行激光抛光后的表面分析结果

图7 激光抛光压力铸造 (vacural)的样品和重力铸造(pw)的样品进行激光抛光后的横截面分析结果

▲图8 激光抛光重力铸造样品的横截面分析结果，采用的为连续激光

▲图9 激光抛光压力铸造（vacural）的样品和重力铸造的样品（PW）在激光抛光后的横截面

▲图10 采用光干涉仪得到的3D和2D视图，激光抛光的表面，采用的是脉冲波

▲ 图11 采用光干涉仪得到的3D和2D视图，激光抛光的表面，采用的是连续波

V. 主要结论

通过本文的研究工作，对铝合金 AlSi9MnMg 进行激光抛光的可行性进行了验证。第一个研究结果表明铸造工艺对抛光性能的影响。重力铸造的样品，同压力铸造的样品相反，其抛光性能具有明显的恶化的倾向，这是因为在近表面和表面存在气孔和鼓胀以及同时存在高度的不均匀的熔化深度所造成的。对外部重熔区的横截面分析显示对重力铸造的样品来说其熔化深度的波动达到 50 μm。作为对比，压力铸造的样品的熔化深度几乎是均匀不变的数值。

对于连续波激光抛光，其熔化的平均深度为40 μm，对于脉冲激光进行抛光的时候，其熔化深度高达90 μm，这是因为此时具有更高的能量输入。

采用脉冲激光抛光进行进一步的研究。结果表明其粗糙度的可减少值的范围为Ra = 2.17 μm到 Ra = 2.38 μm，减少到 Ra = 0.15 μm 到Ra = 0.20 μm。

采用脉冲激光进行抛光且脉冲能量为0.85到 1.25 kW/mm2，初始的粗糙度为Ra = 2.17 μm的时候，其粗糙度的建撒后范围为Ra = 0.19 μm 和 Ra = 0.31 μm。相当于减少了91%。

在采用连续激光抛光的研究中，激光能量为7.25 到 8.16 kW/mm2，初始粗糙度数值为Ra = 2.38 μ的时候，其表面粗糙度数值可以减少的范围为Ra = 0.16到Ra = 0.38 μm。这相当于减少了93%。

在采用连续激光进行抛光的时候，依据文献的速度在 1 到12 cm2/min，而在本文中有12个区域得到了20到60 cm2/min。在这一工艺限制中，得到的粗糙度数值为 Ra = 0.15 μm到 Ra = 0.20 μm。