傳(chuan) 統的部件拋光技術是一種費時和費力的工藝過程。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(guan) 聯以及一些額外的困難的存在，這裏存在一個(ge) 強烈的進行自動化和有效的拋光手段的出現。為(wei) 了實現這一目標，采用激光進行拋光，可以實現無接觸和自動化的對表麵進行拋光，從(cong) 而實現了對傳(chuan) 統拋光工藝的替代。本文為(wei) 大家提供了采用激光拋光AlSi9MnMg鋁合金的一個(ge) 案例。鋁合金在采用激光進行拋光的時候麵臨(lin) 著巨大的挑戰，這是因為(wei) 鋁合金的發射率高、熱導率高以及熱膨脹係數高等。為(wei) 了實現激光對鋁合金的拋光，本文采用了最高功率為(wei) 4000W的板條激光來進行拋光。加工的時候采用脈衝(chong) 波的激光束進行，脈衝(chong) 頻率為(wei) 1000 Hz，最小的脈衝(chong) 停留時間為(wei) 0.3ms以及連續波進行拋光。激光的掃描采用1D掃描振鏡來實現，使用高純Ar來進行保護。鋁合金樣品首先采用真空壓力和重力壓鑄的辦法來製造，然而使用180 目的砂紙進行拋光，得到的表麵粗糙度從(cong) Ra = 1 μm提升到 Ra = 4 μm。然後采用短脈衝(chong) 的具有ns脈衝(chong) 的激光對表麵進行清理。然後樣品采用光速計進行表麵粗糙度的分析，分別測試Ra、 Rz和 Rt（依據EN ISO 4288標準），並使用白光幹涉測量儀(yi) 和顯微鏡進行了測量。首先，研究了部件的製造工藝對激光拋光的影響。脈衝(chong) 激光拋光和連續波激光拋光的關(guan) 係也進行了研究，結果得到了比較滿意的壓鑄樣品，同重力鑄造的樣品相比較。連續波激光和脈衝(chong) 激光均可以實現初始表麵粗糙度從(cong) Ra = 2.17 μm和 Ra = 2.34 μm向激光拋光後的低粗糙度轉變，其中脈衝(chong) 激光的最小粗糙度為(wei) Ra = 0.19 μm，連續波激光拋光的最小粗糙度可以達到Ra = 0.15 μm。其激光拋光的速率，以拋光的麵積來計算，連續波激光的拋光速度為(wei) 20~ 60 cm2/min，而脈衝(chong) 激光拋光的速度隻有 5.5 cm2/min，這是因為(wei) 係統所使用的硬件限製所造成的。

I. 引言

為(wei) 了實現金屬部件機加工或者成形加工後的部件可以得到高質量的表麵，機械研磨和拋光是傳(chuan) 統工藝中使用比較多的手段。自從(cong) 開始使用無接觸、可以對3D/自由曲麵進行激光拋光的手段問世以來，人們(men) 開始對這一技術給予了大量的研究。使用激光拋光，可以選擇性的或者全局的對部件進行拋光，也可以進行層層剝離進行拋光，其材料的熔化範圍為(wei) 幾個(ge) 微米和造成材料的蒸發離開。

作為(wei) 一種快速凝固的過程，在激光拋光之後就會(hui) 形成一個(ge) 極端細小的顯微組織。對於(yu) 析出硬化鋼來說，其表麵的硬化層可以增加。

基本上，激光拋光可以區別為(wei) 微觀級和宏觀級激光拋光。宏觀激光拋光一般使用連續波（CW）激光來進行拋光，其激光拋光的初始表麵粗糙度一般在Ra = 2 μm 到 Ra = 16 μm之間。

微觀激光拋光比較典型的使用脈衝(chong) 波激光來進行，其拋光前的初始表麵一般來說是比較光滑的。取決(jue) 於(yu) 初始表麵粗糙度的不同，脈衝(chong) 激光拋光後最終的結果可以達到 Ra ≥ 5 nm。

在當前的研究和出版的文獻中，人們(men) 在開展采用激光拋光工藝對SLM製造的增材製造的金屬部件進行了拋光。

對鋁合金部件進行激光拋光麵臨(lin) 著非常巨大的挑戰。尤其是，采用的激光波長為(wei) 近紅外範圍的時候，鋁合金對對激光的吸收率非常低，同時鋁合金的高的熱導率、高的熱膨脹係數是激光拋光時的巨大障礙。此外，鋁合金表麵上形成的魯棒性的氧化物薄膜，具有高熔點和同氧的親(qin) 和力比較高，使得激光表麵拋光變得更為(wei) 複雜。這就需要以激光拋光為(wei) 基礎的工藝需要在高純的工藝環境下進行。一個(ge) 進一步的需要關(guan) 注的問題是當麵對壓力壓鑄的部件時，該部件存在較高的氣孔率，對激光拋光比較困難，從(cong) 而使得激光拋光獲得均勻的拋光表麵變得更加困難。激光拋光鑄造鋁合金部件和激光拋光SLM製造的AlSi10Mg已經有文獻報道。

考慮到大量的關(guan) 於(yu) 激光拋光多種材料和結構，激光拋光可以看到，正在不斷的增長和成為(wei) 激光與(yu) 材料相互作用中的一個(ge) 非常有前途的分支。事實上，這裏已經有激光拋光鋁合金的研究，然而，還需要進行額外的研究。本文的工作主要在於(yu) 填補激光拋光能力的研究之間的鴻溝，依據不同的部件的製造工藝（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(guan) 係。

II. 研究方案

A. 使用的激光係統和測量的手段

為(wei) 了研究激光拋光，采用板條激光器來進行研究，其最大的輸出功率為(wei) 4000 W。激光可以運行在連續波（CW）或脈衝(chong) 波（pW）的模式下。在脈衝(chong) 波的時候，最大的輸出頻率為(wei) 1000 Hz，最小的脈衝(chong) 停留時間為(wei) 0.3ms。激光束的梯度折射率纖維直徑為(wei) 200 μm。圖1為(wei) 激光拋光時的裝置圖。

圖1 激光拋光鋁合金的實驗裝置圖

為(wei) 了保護樣品不受氧的汙染，工件放置在一個(ge) 充滿純淨的Ar的工作室內(nei) 。殘餘(yu) 的氧的濃度在進行激光拋光的時候為(wei) 不低於(yu) 40 ppm O2，控製的殘餘(yu) 氧的濃度采用類型為(wei) PRO2 plus設備進行測量。其表麵采用一個(ge) 類型為(wei) seelector Icam HD-1的設備進行測量，實驗裝置的示意圖見圖2.

FIG. 3. Schematic setup and process of laser polishing of aluminum with 1D-scanner optics. 圖2 采用1D掃描振鏡進行激光為(wei) 阿UN高拋噶UN高鋁合金的示意圖

T激光拋光的區域為(wei) 10 × 10 mm2。激光束如同鍾擺一樣在Y方向進行掃描，移動是在X方向進行，平行於(yu) 拋光的表麵。但鍾擺（類似）的移動速度同相反的方向點下降迅速的時候，能量輸入到鍾擺的軌跡處的靜態激光輸出為(wei) 不均勻的。這就導致在拋光區域的熔化深度的增加，導致拋光質量的不均勻。因此，在寬廣的範圍內(nei) 的激光功率就需要進行調節。圖3為(wei) 鍾擺的位置變化時激光功率的情況。

圖 3 在鍾擺的方向的分段時的激光功率

如上圖所示，激光功率可以分為(wei) 15個(ge) 區間段。在每一個(ge) 左邊和右邊的兩(liang) 個(ge) 區間段內(nei) ，激光功率逐漸減少到200 W。

在相似的兩(liang) 個(ge) 初始粗糙度表麵上使用連續激光進行拋光，一個(ge) Ra粗糙度值為(wei) Ra = 0.15 μm，為(wei) 壓力鑄造的樣品；另外一個(ge) 粗糙度值為(wei) Ra = 0.87 μm，為(wei) 重力鑄造的樣品。粗糙度的差值在ΔRa = 0.72 μm。測量的平均表麵粗糙度值Rz，對壓力壓鑄樣品來說為(wei) Rz = 1.28 μm，對重力鑄造的樣品其Rz = 4.58 μ，其相應的差值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後的表麵分析

在脈衝(chong) 激光拋光的時候，壓力鑄造的樣品的表麵粗糙度為(wei) Ra = 0.31 μm ，對於(yu) 重力鑄造的樣品其粗糙度為(wei) Ra = 0.74 μm。他們(men) 之間的差值為(wei) ΔRa = 0.43 μm。研究的粗糙度表麵的相關(guan) 平均值為(wei) Rz = 3.67 μm（壓力鑄造的樣品），對於(yu) 重力鑄造的樣品為(wei) Rz = 1.89 μm。他們(men) 之間的差值為(wei) 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後的表麵分析結果

圖4-6為(wei) 采用陪你過顯微鏡觀察分析得到的激光拋光後的分析結果。可以看到，激光拋光重力鑄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)的樣品進行激光拋光後的表麵分析結果

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)的樣品進行激光拋光後的橫截麵分析結果

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麵分析結果，采用的為(wei) 連續激光

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）在激光拋光後的橫截麵

FIG. 18. White light interferometry picture (3D- and 2D-view) of the laser polished surface with pulsed wave beam from border area.圖10 采用光幹涉儀(yi) 得到的3D和2D視圖，激光拋光的表麵，采用的是脈衝(chong) 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 采用光幹涉儀(yi) 得到的3D和2D視圖，激光拋光的表麵，采用的是連續波

V. 主要結論

通過本文的研究工作，鋁合金 AlSi9MnMg 進行激光拋光的可行性進行了驗證。第一個(ge) 研究結果表明鑄造工藝對拋光性能的影響。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(qing) 向，這是因為(wei) 在近表麵和表麵存在氣孔和鼓脹以及同時存在高度的不均勻的熔化深度所造成的。對外部重熔區的橫截麵分析顯示對重力鑄造的樣品來說其熔化深度的波動達到 50 μm。作為(wei) 對比，壓力鑄造的樣品的熔化深度幾乎是均勻不變的數值。

對於(yu) 連續波激光拋光，其熔化的平均深度為(wei) 40 μm，對於(yu) 脈衝(chong) 激光進行拋光的時候，其熔化深度高達90 μm，這是因為(wei) 此時具有更高的能量輸入。

采用脈衝(chong) 激光拋光進行進一步的研究。結果表明其粗糙度的可減少值的範圍為(wei) Ra = 2.17 μm到 Ra = 2.38 μm，減少到 Ra = 0.15 μm 到Ra = 0.20 μm。

采用脈衝(chong) 激光進行拋光且脈衝(chong) 能量為(wei) 0.85 to 1.25 kW/mm2，初始的粗糙度為(wei) Ra = 2.17 μm的時候，其粗糙度的建撒後範圍為(wei) Ra = 0.19 μm 和 Ra = 0.31 μm。相當於(yu) 減少了91%。

在采用連續激光拋光的研究中，激光能量為(wei) 7.25 到 8.16 kW/mm2，初始粗糙度數值為(wei) Ra = 2.38 μ的時候，其表麵粗糙度數值可以減少的範圍為(wei) Ra = 0.16到Ra = 0.38 μm。這相當於(yu) 減少了93%。

在采用連續激光進行拋光的時候，依據文獻的速度在 1 到12 cm2/min，而在本文中有12個(ge) 區域得到了20到 to 60 cm2/min。在這一工藝限製中，得到的粗糙度數值為(wei) 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