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關(guān)于金屬材料表面的激光拋光研究進(jìn)展的論文
[摘要]金屬材料表面的激光拋光，作為一種新型的激光加工工藝，具有拋光效率高、材料去除效果好、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。在介紹了激光拋光材料類(lèi)型的基礎上，對比分析了金屬材料拋光過(guò)程中所使用激光器的類(lèi)型，論述了激光拋光金屬材料表面過(guò)程中的理論模型方法，詳細總結了激光拋光金屬表面的工藝參數和拋光效果，并對激光拋光金屬材料的現狀和發(fā)展方向進(jìn)行了評價(jià)和展望。
[關(guān)鍵詞]材料 金屬材料 激光加工 拋光 理論模型 工藝參數
1激光拋光金屬材料類(lèi)型
1.1模具鋼、工具鋼和不銹鋼材料的激光拋光
激光拋光金屬的研究，目前應用在模具鋼的報道最多。最早提出將激光拋光應用在X40Crl3模具鋼表面，并通過(guò)實(shí)驗得到平整光滑的拋光表面。選擇注塑模鑲件中所用的，硬度為62HRC的DINl.2379工具鋼來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗。做出了很多工作，他們選擇AISI-01冷作模具鋼。采用激光，對經(jīng)過(guò)電火花加工處理的C45鋼、X40CrMoV51工具鋼進(jìn)行了拋光研究。同時(shí)采用具有52HRC硬度的DIN1.2344工具鋼和激光燒結的AISI 420滲銅不銹鋼來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗。研究了s7工具鋼材料的激光拋光特性。使用AISI H13模具鋼來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗，選擇Fe，Al，Ti和304不銹鋼幾種金屬材料進(jìn)行了拋光對比實(shí)驗研究。作為模具和汽車(chē)行業(yè)中經(jīng)常用到的球墨鑄鐵材料，由于其具有游離的石墨形態(tài)、較高的熔化溫度，因此一般很難被拋光，使用GGG70L球墨鑄鐵材料來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗研究驗證。Smith等[7，36]使用304不銹鋼模具來(lái)作為拋光材料，也采用304不銹鋼來(lái)研究金屬表面在激光拋光作用下的熔化現象。使用激光，對銑削加工后的316 L不銹鋼進(jìn)行拋光實(shí)驗，用選擇性激光熔化316 L不銹鋼材料來(lái)進(jìn)行激光燒蝕拋光實(shí)驗，而直接對316 L材料進(jìn)行拋光實(shí)驗，也采用316L材料來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗研究。
1.2鈦合金材料的激光拋光
鈦合金具有極其優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，如強度高、質(zhì)量輕和耐腐蝕等�？梢员粦糜陔娮�、冶金、航天技術(shù)和醫學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金目前以Ti6A14V材料研究最多。很多學(xué)者都選擇Ti6A14V來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗。選擇用激光拋光，應用于工業(yè)純鈦拋光的同時(shí)實(shí)現表面改性。使用脈沖激光沉積方法，得到光滑的Ti64材料表面。使用VT16鈦合金來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗。
1.3其他金屬材料的激光拋光
在其他金屬材料方面，目前應用最多的是采用激光技術(shù)直接或者間接地拋光激光燒結的金屬產(chǎn)品。采用激光來(lái)拋光一種選擇性激光燒結鐵銅合金零件。采用激光，對選擇性激光燒結的銅合金表面進(jìn)行拋光，用激光來(lái)拋光燒結青銅，采用LaserForm ST-100的燒結青銅件來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗。
2金屬拋光激光器的選擇類(lèi)型
2.1氣體激光器的應用
最先采用2500 w的C02激光器，用于金屬表面的激光拋光實(shí)驗研究。后來(lái)也使用這種激光器來(lái)進(jìn)行拋光研究。對高硬度的DIN 1.2379工具鋼進(jìn)行激光拋光實(shí)驗時(shí)，選擇了一個(gè)2.5 kW的C02激光器和一個(gè)3.1 kW的高功率二極管激光器。
2.2固體激光器的應用
激光拋光金屬材料最關(guān)鍵的因素之一是選擇合適的激光器，目前來(lái)說(shuō)，Nd：YAG激光器以其卓越的性能，被最多的應用于金屬材料的拋光研究中。早在2001年，就開(kāi)始研究Nd：YAG（1064nm）激光器來(lái)拋光金屬材料，2004年，就研究使用532 nm波長(cháng)的Nd：YAG固體激光器來(lái)拋光金屬表面。成功使用Nd：YAG激光器（1064 nm）來(lái)拋光金屬材料表面，使用一個(gè)連續（CW）Nd：YAG激光器進(jìn)行激光表面拋光，使用一個(gè)266 nm波長(cháng)的Nd：YAG激光器來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗。同時(shí)采用波長(cháng)為1064和532nm的Nd：YAG皮秒激光器來(lái)拋光金屬表面。選擇一個(gè)Yb：YAG激光器，波長(cháng)1.03/Lm的激光器來(lái)做拋光實(shí)驗。選擇了雙束激光器來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗，其中一個(gè)Yb：YAG激光器用來(lái)預熱金屬表面，另外一個(gè)Nd：YAG（1064nm）激光器用來(lái)拋光金屬表面。開(kāi)始嘗試使用超短的皮秒激光器（波長(cháng)1030nm）來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗，這種激光器使激光與金屬材料相互作用的時(shí)間非常短，激光作用在材料上幾乎不產(chǎn)生熱影響區。因此，采用這種激光器對金屬材料的拋光將是一個(gè)重大的突破。
2.3半導體和其他激光器的應用選擇
1070nm波長(cháng)的光纖激光器來(lái)進(jìn)行金屬表面的拋光實(shí)驗，通過(guò)二極管來(lái)控制激光器的開(kāi)關(guān)。使用波長(cháng)1.07μm的脈沖光纖激光器來(lái)進(jìn)行激光拋光實(shí)驗。對316L進(jìn)行拋光實(shí)驗，分別選擇532nm波長(cháng)的CW半導體激光器和35513.m波長(cháng)的大功率紫外激光器（AVIA355-3000）組合的方式，來(lái)同時(shí)進(jìn)行拋光金屬實(shí)驗。他采用CW半導體激光器來(lái)控制輸出的激光的能量密度，采用紫外激光器來(lái)進(jìn)行拋光。使用KF準分子激光器，對幾種金屬表面進(jìn)行了拋光實(shí)驗。
3展望
激光拋光應用在金屬材料上，作為一種新型的加工技術(shù)，已經(jīng)得到越來(lái)越多的研究者的關(guān)注。這種方法具有其獨特的優(yōu)越性，它是一種非接觸式拋光方法，靈活性強，既可以對材料整體拋光，又可以局部拋光。其拋光在大氣環(huán)境中進(jìn)行，對材料沒(méi)有限制。通過(guò)對這種技術(shù)的進(jìn)一步深入研究，可以為現代工業(yè)提供一種高效率、高柔性、低成本、工藝相對簡(jiǎn)單的拋光方法。激光拋光金屬這項技術(shù)雖然有其許多優(yōu)點(diǎn)，但目前對其研究工作還不是很多。其本身的限制條件也是一個(gè)重要原因。如由于激光器類(lèi)型的限制，很多激光不能應用在金屬表面的拋光中。正是近年來(lái)激光器的不斷發(fā)展，才有很多學(xué)者開(kāi)始嘗試使用新型的激光器對金屬表面進(jìn)行拋光。因此，作為激光拋光的最大的限制條件，開(kāi)發(fā)出新的激光器是目前的最大的研究需求之一。此外，三維（3D）增材制造現在是一個(gè)研究熱點(diǎn)，而一般3D增材制造得到的金屬表面都比較粗糙，使用激光對這種金屬表面進(jìn)行直接拋光是最好的方法。但是目前激光對3D增材制造的表面拋光的文獻報道還不是很多，因此，關(guān)于這方面還有大量的研究工作可以進(jìn)行。進(jìn)一步的研究還需要開(kāi)發(fā)新的激光拋光金屬表面的模型，為激光拋光工藝參數的選擇建立一個(gè)知識庫。同時(shí)，對激光拋光表面的其他特性，如表面摩擦性能、微/納米表面裂縫的形成進(jìn)行全面描述，另外，對于選擇不同的材料進(jìn)行激光拋光時(shí)，拋光工藝參數的快速選擇和優(yōu)化也是一個(gè)需要研究的方向。
4結束語(yǔ)
激光拋光作為一種有效的拋光方法，完全有可能替代人工拋光。但是，僅僅通過(guò)實(shí)驗來(lái)證明激光能拋光金屬材料本身是遠遠不夠的，深入的分析激光與材料相互作用的機理是很有必要的。目前的研究工作，主要是圍繞機理形成、建模計算、工藝實(shí)驗、分析結果等幾方面進(jìn)行，但總體研究水平尚處在初步的探索階段，進(jìn)入實(shí)際的企業(yè)生產(chǎn)應用還需要一定的時(shí)間。
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