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| 脉冲光纤激光器用于表面纹理的加工 |
| Jack Gabzdyl, Erica Brorson Hansen |
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激光表面纹理加工是一种可行的表面加工技术，能够大幅改进工程元件的耐磨性、湿化特征（图1）、摩擦系数、负载能力和部件润滑等。激光是形成具有纹理的表面的一种快速和准确的方法，激光参数和状态对于表面特征的尺寸和形状控制良好。 （图片） 光纤激光技术是一种相对新的激光资源，能够为用户提供紧凑型低成本解决方案，无需维护，成本较低。
自20世纪90年代中期以来，制造船舶柴油发动机的全球领先者MAN Diesel & Turbo (MDT)已经使用特殊的圆盘增加两个相对部件之间的摩擦。这些特殊的圆盘安装在两个工程部件之间：将含有硬质碳化物的热喷射涂层喷涂到圆盘的表面，在栓接时与相对部件互锁。
带有高摩擦涂层的所有MDT设计将摩擦涂层喷涂到圆盘/垫片的两个并行表面。圆盘/垫片的形状基于装配设计。
MDT应用此类部件的一个典型示例是在将旋转圆盘安装到曲轴时使用摩擦圆盘（图2）。摩擦圆盘能够在栓接时防止任何形式的可能性滑动。（图片） 在目前的制造惯例中，涂层包含大气等离子喷涂的混合粉末（Cr3C2和Ni-Cr）。在产生热喷射涂层时，下列许多参数会影响最终涂层：喷射期间的气体压力和流量，燃烧火焰的速度，粉末，粉末的处理，喷射之前的表面处理，将喷射设备移动到表面的设备，以及喷射设备的维护状态。要求密切控制工艺，以确保达到需要的涂层要求。另外，粉末质量会由于粉末混合物内的成分含量变化、尺寸分布、粉末密度甚至粉末生产系统本身的变化而发生变化，所有这些因素都会影响涂层的重复性。
因此，制造一致性对于热喷射涂层是一个问题，会降低摩擦系数以及影响产品产量和质量。与分承包商设施喷射设备的移动设备相关的其它生产问题会导致分布以及喷射层厚度不均匀。测出的摩擦系数可变，甚至相同的喷射批次分布范围也较宽广，但是试验的最高摩擦系数是0.62。
由于存在影响加热喷射涂层重复性的因素，MDT一直在积极寻找可替代的制造技术。
一种评估是使用白色氧化铝喷砂糙化表面。试验结果可以接受，产生的摩擦系数等于或高于加热喷射涂层。但是，出现的喷砂处理表面质量变化不可接受，主要与使用的砂粒相关。当再循环砂粒时，砂粒退化，降低了平均砂粒尺寸并磨圆砂粒边缘，这就导致处理表面的最终粗糙度降低，因而改变摩擦系数。
为了提高重复性，MDT转向使用光束扫描技术开展激光表面处理。对激光扫描仪加工来说，关键参数是光束聚焦尺寸、速度以及管理各种聚焦点分离或重叠的线距。为了达到持续一致，光束扫描速度和线重叠必须匹配达到的实际光束聚焦尺寸。由于采用全软件控制，基于扫描仪的系统表面图案加工极度灵活，能够以大约5 μm的重复性准确定位光束，因此，即使填充层之间的交叉角度也能方便编程。
外部聚焦光纤确定光束聚焦尺寸和加工位置。使用100毫米聚焦长度的F-theta镜头，能够产生大约60 × 60毫米的加工面积，但是163毫米镜头能够产生高达120 × 120毫米的加工面积。分步重复加工便于适用较大的面积。
激光选择是另一种重要的考虑因素，因为光束质量会有重大影响。例如，SPI公司的脉冲光纤激光器具有三种不同的光束质量（M2）数值。光束质量不仅影响最终的光束聚焦尺寸，而且还影响能量分布，又会影响最终的表面纹理。
单模式脉冲（M2 <1.3）与更高模式脉冲（M2 ~3.2）之间的纹理差异可能较大。由于单模式光束具有较高的中央峰值密度，因此，脉冲中心点产生的高蒸汽压力弹出的最终金属喷溅可以产生较深的凹坑。相反，采用微微更高模式的光束和更低光束放大，能够达到更大的光束聚焦尺寸，凹坑更圆（图3）。（图片） 较低中央密度会导致熔化清除更少；最终没有观察到熔化喷溅。但是，更大的光束聚焦尺寸会导致更大的聚焦重叠，因此产生更有序的图案，需要根据给定脉冲参数达到的聚焦尺寸调整扫描速度以及线宽（图4）。（图片） 使用各种激光器后的最初分析表明，采用M2=3.2激光器产生的结果能够达到最有前景的结果。高脉冲能量和峰值功率组合圆度更好的光束剖面图能够为这种特定应用形成较佳纹理（图5）。单次加工不能提供足够深度，因此使用多次加工为每个点提供两个甚至三个脉冲。针对激光表面处理样品的评估表明，对于较大面积以及部件与部件的结构重复性好，是其他工艺的努力方向。（图片） 参数可控并方便更改，以便优化表面特征。可以达到高达0.79的摩擦系数，与目前的等离子加工结果相比大幅提高。结果表明了实现影响摩擦系数的关键工艺参数：光束质量、光束聚焦尺寸、脉冲频率、脉冲能量、应用型式以及加工次数。
使用激光加工纹理作为制造功能性摩擦片的一种方式，是目前等离子喷射的一种可行性替代选择。持续发展和评估程序继续将这种工艺引入生产。试验已经从简单的样品转移到实际工程元件（图6）。初步财务分析表明，采用热喷射开展激光加工具有竞争力，潜在资本设备成本较低，不需要消耗品。（图片） 激光技术以可重复的方式为生产带有特定特性的表面提供了潜力。激光加工的主要优势在于不需要消耗品，消除了重大变化源头。MDT正在继续评估这种工艺，有望在未来生产中采用。
SPI脉冲光纤激光器采用主控振荡器功率放大器（MOPA）架构，基于专有光纤激光放大器链放大的直接模制种子激光器。与传统Q切换Nd：YAG型激光光源相比，这种设计可以更为有效地控制脉冲参数，为表面加工提供更广的范围。这些激光光源的操作范围从连续波到1 MHz，能够选择10-240 ns的脉冲长度，优化用于特定频率的峰值功率。激光器生成的表面纹理主要由脉冲特征和工艺参数控制。脉冲特征一般由脉冲能量（mJ）、峰值功率（kW）、脉冲持续时间（ns）以及重复率（kHz）指定。
4/18/2013
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