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激光表面修饰新方法

导读: 本文介绍了一种能够在多种基材(如金属、聚合物和陶瓷)上进行表面特征可控生产的新型激光工艺。在应用中,快速扫描的激光能将材料熔化。

  本文介绍了一种能够在多种基材(如金属、聚合物和陶瓷)上进行表面特征可控生产的新型激光工艺。在应用中,快速扫描的激光能将材料熔化。因表面温度梯度而产生的表面张力使得熔化的材料随之做局部移动。值得注意的是,整个过程中没有添加电线或粉末等任何材料,完全是自动自发的。材料如何移动,以及最终形成的特征形状由精确控制的光束路径及其扫描过材料表面的速度所决定。此种工艺能够制造出一致或迥异的特征。尤为特别的是,所能获得的不同规格的表面特征为众多应用(包括骨科植入物、用于金属连接的复合材料、热交换器)提供了极佳的性能优势,并在超厚涂层的应用中也有所帮助。

  这一工艺的关键特点在于光束在同一点进行多次回迹,并对顺序构建的各个表面特征进行多次“碰擦”。这些特点使其区别于传统的表面纹理加工工艺。电子束和激光束都可以用这一方法来生产表面特征,这一方法已获“Surfi-Sculpt”注册商标。本文讨论了这种激光变形技术,即利用光学功率来熔化和移动材料,从而制造出所需的表面特征。下面介绍近期两个激光材料加工的进展来展示这一工艺。高亮度激光器具备的优势在于其光束可以聚焦出高功率密度的小斑点,同时利用长焦距的光束聚焦透镜。聚焦透镜和焦斑之间需要较远的距离,是因为通过正交安装的光束扫描振镜可以实现Surfi-Sculpt工艺中要求的快速操纵激光束。近期,在后一领域产生了新一代激光扫描系统,能够使用千瓦级激光束功率进行操作。在此,碟片激光器光纤激光器使用两种不同的激光光束扫描系统,但都使用200-1000瓦之间相对适中的激光功率。图1显示了可以利用此种技术生产出的特征类型。

  图2简要地表明了如何利用这一工艺开发出线性特征,也展示了聚焦于材料表面的激光光束的连续运动。注意光束运动的方向。被光束熔化的材料在凝固之前首先沿着光束路径回流,在与光束的最初接触点形成微小突出物,在光束“碰擦”后形成微小的物(在普通空气环境中)。使用了碟片激光器来产生这一特征,激光功率为1千瓦,光束扫描速度为26毫米/秒。每个特征物的高度为2.5毫米。作为比较,图5展示了用类似的扫描式样在钛金属板上制成的特征(使用氩保护气体)。这些特征是使用功率为750瓦的激光器而生成,从特征的底部延伸出16条小柱。这些半圆形拱顶高2.5毫米。

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