热辅助纳秒脉冲激光抛光试验研究*

姜长城,袁建东,2,成海东,林新贵,易根苗,梁 良,2*

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 510641;2.华南理工大学 国家金属材料近净成形工程技术研究中心,广州 510641;3.广州番禺职业技术学院 智能制造学院,广州 511483)

0 引 言

近年来,以激光为手段的材料去除、材料改性(如表面烧蚀抛光)技术被广泛应用于光学存储及印刷显示等行业中[1]。与飞秒激光相比,纳秒激光烧蚀抛光具有引起的熔层与固体基体间温度梯度较小、分布较远(即热影响区大)、熔体持续时间较长、再结晶前沿速度较慢等优点[2],使得用纳秒宽脉冲激光抛光制备高质量表面这一技术的运用具有重要意义。

MA C P等[3]研究了在增材制造获得的钛合金上进行激光表面抛光的方法,并提高了表面硬度与耐磨性。YUNG K C等[4]研究了在增材制造的CoCr组件上进行激光表面抛光的方法,其通过选择适当的扫描速率及激光散焦距离,获得了较高的表面质量(Sa<1 μm),并同时改善了其接触角。但在大规模应用中,纳秒激光的低烧蚀率(10-6mm3/pulse～10-4mm3/pulse)引起的低效率依然是其主要瓶颈[5,6]。目前常采用的方法是用更高的目标激光强度,以实现激光与目标材料的强耦合。但高能量密度的激光可在受辐射点上方形成严重的羽流,从而产生羽流屏蔽效应和反冲压力效应,导致工件表面产生机械损伤,加剧了抛光质量的不可控性。

为解决以上问题,学者们提出了一种热辅助纳秒脉冲激光加工新方法,即通过从外部引入热量以提高工件温度和热焓,从而在尽量减小羽流产生的同时,增强激光-材料的耦合。这种方法实现了基于玻璃的微流控芯片的快速原型制作;同时,学者们建议通过提高初始样品温度来提高其处理效率[7]。针对这一新方法,WANG H等[8]研究了温度和表面条件对激光表面加热过程中表面吸收率的影响,发现当温度超过一定值时,其吸收率会有所降低。HASSANIMATIN M等[9]研究了初始样品温度对铜样品的等离子体温度和烧蚀深度的影响,结果表明:初始样品温度的升高导致等离子体光谱发射的增加高达90%,这归因于等离子体温度和光吸收。……