浅谈激光抛光技术及应用

浅谈激光抛光技术及应用
摘要激光抛光是工业制造精密度需求日益提高、伴随着激光技术的不断发展而出现的一种新型材料表面处理技术，它是用某一特定能量密度和波长的激光束辐照在特定工件表面，使其表面一薄层物质熔化或蒸发而获得光滑表面。

激光抛光能够完成抛光传统抛光工艺很难或根本不可能实现的、具有非常复杂结构的表面，而且提供了自动流水线加工的可能，所以它是一种对新型材料加工有着长远发展空间的工业技术[1]。

关键词激光抛光；技术；发展
1 抛光机理
当材料表面有激光束聚焦时，很短的时间内，在近表面区域有大量的热积累，这就会使材料表面温度迅速升高，当温度达到材料的熔点时，近表面层开始熔化，当温度继续升高达到材料的沸点时，近表面层就开始蒸发，而材料基体的温度基本保持在室温。

当以上物理变化过程主要为熔化时，因为材料表面熔化部分各处曲率半径的不同，使熔融的材料向曲率低（即曲率半径大）的地方流动，至各处的曲率趋于一致。

同时，固态和液态临界处快速凝固，最终获得理想光滑的表面。

在这个过程中，如果材料处于熔融状态的时间过长的话，熔化层就会向深处扩展，材料的整体外观和机械性能也会随之降低。

因此，激光束和特定材料的相互作用必须产生一个高的温度梯度，促进材料快速加热和冷却，熔化极限（melting threshold），熔深和材料处于熔化状态的时间（melting duration）取决于入射光束和材料相互作用过程中不同的参数。

当上述物理变化过程主要为蒸发时，激光抛光的实质就是去除材料表面一薄层物质[2]。

2 工艺特质与优势
激光抛光从使用温度方面可以简单分为热抛光和冷抛光，热抛光一般用连续长波长激光，通过熔化、蒸发等过程来去除材料表面的成分，但由于热效应温度梯度大，产生的热应力大，容易产生裂纹，抛光表面质量不是很好，通常用于粗抛光，多用于轴类、大型箱体的表面局部处理。

激光抛光在光学元件上的使用较为广泛，如蓝宝石，石英光纤等，对于表面大面积抛光激光是没有性能优势的，这是因为从理论上分析，辐照能量大面积作用在被抛工件上，就会减弱质量形成的维度间控制。

当通过基线辐射、光点间尺寸平衡，抛光作用被限制在熔化区以内，非常有效地降低了满足有限元内平滑条件的特征尺寸上限，因此激光脉冲参数、辐照内点尺寸及驻留时间的合理选择、扫描栅条的间距、熔化区的形态结构、温度梯度等都将最终决定被抛光去除量的多少。

这一工艺过程允许精确控制被抛光量。

这样的工艺要求和实现途径，让工业制造在抛光领域大踏步地前进，在与目前传统的几类抛光方法相比，激光抛光有以下优点：①非接触抛光对样品表面不会施加接触压力，脆性材料样品不易破裂；②激光抛光基材面型要求不高，可进行多维度曲面抛光，尤其是局部小区域进行抛光；③抛光精度较高，短波长短脉冲激光可达到纳米级抛光精度[3]。

3 工业应用
德国亚琛夫琅霍费激光所早在1.234 3，1.234 4，1.234 6等钢材上进行了激光的表面抛光，他们取得了为我们可以直接应用的试验结果，即让金属表面具有接近镜面的粗糙度，Ra为0.15-0.20。

这一加工成果的取得，让整个制造业为之沸腾。

大型工业机床的传动机构、轴承枢纽、涡轮驱动的曲表面和局部内曲面，在传统机械与模具完全无法达到精密要求的情况下，激光抛光成为发展的动力，前进的中坚。

激光抛光的优势也大大减少了工业损耗，降低了成本[4]。

石英光纤在大功率激光行业应用广泛，其端面的精密抛光，给超大功率激光在较细的光纤中传输创造了条件，激光冷抛光一般用短脉冲短波长激光，冷抛光主要是通过消融作用，即光化学分解作用去除材料，他们认为光纤端面的抛光要在PC型连接器端半径25mm的弧形结构，纤芯最高点可以保证玻璃到玻璃的连接，降低端面的能量插损及对准机械损耗。

基本可以达到100nm的平均粗糙度。

随着波长的减小，石英表面的热裂纹减少，213nm时基本上没有热裂纹产生，出现少许消融，也同样发现更短波长激光能获得更细小的消融区。

短波长激光与物质的作用机理主要是靠光化学作用分解去除材料，属于冷抛光，热应力小，所以能获得更好的抛光表面质量。

端面光洁度或者粗糙度决定了光纤对于激光能量的传输能力及传输效率。

大功率光纤端面激光抛光，在工业表面处理，大功率激光泵浦以及医疗内容器械的硬件材料处理都有重要作用。

俄罗斯专家们也能用KrF准分子激光抛光100u级的金刚石膜，能达到近乎30nm的粗糙度表面，并改进了表面的摩擦性能。

金刚石是大自然中最硬的半导体物质，传统的机械加工方法根本没有办法实现拋光的完成。

比如，在电子、半导体封装行业使用的金刚石膜的抛光，激光抛光无疑让这个行业的技术水平发展突飞猛进。

在贵重金属、遗产文物修复上，激光抛光让这些人类瑰宝重新焕发青春[5]。

4 结束语
激光抛光是一种快速高效的新型抛光技术。

遗憾的是，设备的高成本和对精密控制的要求在一定程度上限制了它在更大范围内的应用。

但随着激光器生产技术不断地改进和价格的降低以及人们对激光表面处理技术研究的日益深入，激光抛光将会在未来的工业发展中发挥日益重要的作用。

参考文献
[1] Laguarta，Ferran ser Application for Optical Glass Pol-ishing[J] .Optical Soc of America，1997，56（24）：352-357.
[2] Ramos J A，Bourell D L.Modeling of Surface Roughness En-hancement of Indirect-SLSMetal Parts by Laser Surface Polishing[J].Proceedings of the TMS Fall Meeting，2002，（1）：191-202.
[3] 陈林，杨永强.激光抛光机理及应用[J].表面技术，2003，32（5）：49-52.
[4] 陈涛，王彩红，吴坚，等.激光抛光技术的研究现状[J].新技术新工艺，2009，（9）：70-73.
[5] 郭晓艳，刘晓飞.激光抛光硬脆材料研究进展[J].机电工程技术，2009，38（7）：13-15.。