李健，楊葉，金衛(wèi)鳳，曾子涵，嚴(yán)思琴

（江蘇大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院 b.機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

激光拋光是通過激光對材料的熱作用（如蒸發(fā)、熔化等）與光化學(xué)作用，來實(shí)現(xiàn)材料微量去除并最終達(dá)到材料表面平坦化的一種先進(jìn)拋光方式[1]。作為一種非接觸式高能束拋光方法，激光拋光特別適用于難加工材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面的拋光。此外，由于激光可局限于微米厚度的表層材料，激光拋光適用于各種金屬和合金的精密和超精密拋光[2-3]。

目前，國內(nèi)外研究者已對激光拋光進(jìn)行了大量研究，主要考察激光類型[4-10]及參數(shù)[11-17]、激光拋光機(jī)理[18-22]以及工藝參數(shù)的優(yōu)化[23-29]等方面，很少涉及到表面初始狀態(tài)的影響。在傳統(tǒng)的機(jī)械加工領(lǐng)域，表面的初始狀態(tài)是表面加工質(zhì)量的重要影響因素：表面的初始形狀誤差反作用于加工系統(tǒng)，使得加工后的表面殘留部分初始形狀特征，該現(xiàn)象通常被稱為誤差復(fù)映[30]。作為表面質(zhì)量形成的一般規(guī)律，誤差復(fù)映在激光拋光工藝中也會有所體現(xiàn)，但已有研究主要針對平直表面的宏觀表面形狀，而平直表面局部區(qū)域微觀形狀的微小變化難以通過實(shí)驗(yàn)手段衡量，所以目前鮮有對表面局部區(qū)域微觀形狀加工中的誤差復(fù)映規(guī)律的研究。而在很多研究領(lǐng)域，如增材制造領(lǐng)域，待拋光的表面往往具有大量的微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)的尺寸顯著大于材料熔融厚度，拋光時(shí)可能有部分殘留而影響表面質(zhì)量，即存在表面形貌誤差復(fù)映，此時(shí)希望減小粗糙度的同時(shí)能夠保證微結(jié)構(gòu)的形狀[31]。因此，有必要對激光拋光中的表面形貌誤差復(fù)映規(guī)律進(jìn)行探索，以指導(dǎo)激光拋光在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。

本文以304奧氏體不銹鋼為拋光對象，采用了與文獻(xiàn)[32]類似的兩步納秒激光加工工藝，研究了激光拋光中的形狀復(fù)映規(guī)律。在兩步加工工藝中，第一步納秒激光加工用以構(gòu)建特定的初始表面微結(jié)構(gòu)，第二步用以實(shí)現(xiàn)已有微結(jié)構(gòu)表面的激光拋光。對加工后的表面形貌進(jìn)行測量分析，考察第一步加工產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)邊緣凸起的高度隨拋光參數(shù)的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

考慮到激光拋光一般用于難加工材料，如工具鋼、鈦合金、不銹鋼等材料的加工中，本文選用304奧氏體不銹鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，直接通過網(wǎng)絡(luò)購買，未經(jīng)進(jìn)一步處理。實(shí)驗(yàn)材料的成分參見表1。

表1 304不銹鋼化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of stainless steel 304 wt%

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)采用納秒脈沖光纖激光（BLC-100，盛泰激光），激光波長為1064 nm，脈寬約200 ns，光束強(qiáng)度分布為高斯分布。加工過程主要是利用激光對材料的熱效應(yīng)，通過熔化、蒸發(fā)去除表面材料及改變表面形貌。首先，將待加工表面放置于激光焦點(diǎn)位置，設(shè)置激光能量密度為18 W，激光脈沖頻率為20 kHz，掃描速度為500 mm/s（即點(diǎn)間距為25 μm），沿如圖1所示的設(shè)定路徑（長度為200 mm）標(biāo)刻出一定深度的凹槽。通過預(yù)試驗(yàn)，加工的溝槽寬度約75 μm，搭接率為 66.67%。加工過程中熔融材料在凹槽邊緣堆積，形成一定高度的邊緣凸起[33]。制備凹槽時(shí)，分別進(jìn)行了5、10、15、20次標(biāo)刻，以構(gòu)建不同高度的邊緣凸起。采用低能量的納秒激光對包含凹槽的局部表面區(qū)域進(jìn)行激光拋光。激光拋光過程中激光束掃描路徑如圖1所示，其中掃描線間距設(shè)置為10 μm，掃描速度設(shè)置為200 mm/s（即點(diǎn)間距為10 μm），激光功率分別設(shè)置為6、4、2、1、0.2 W。由于預(yù)加工的凹槽寬度約75 μm，選取拋光區(qū)域的寬度大于預(yù)加工凹槽寬度的20倍，為此，在每組參數(shù)下，對包含凹槽和邊緣凸起的2 mm×2 mm的區(qū)域進(jìn)行拋光處理。為改善拋光效果，每組參數(shù)下對同一個(gè)區(qū)域進(jìn)行兩次掃描拋光處理。激光加工和激光拋光的區(qū)域分布如圖2所示，每個(gè)小塊區(qū)域即為一組參數(shù)下進(jìn)行兩次拋光得到的拋光區(qū)域。

采用超景深顯微鏡（VHX-1000，Keyence）對激光拋光后的表面形貌進(jìn)行測量，獲取經(jīng)過拋光的微凹槽及其附近微凸起的輪廓?？紤]到該儀器在測量微結(jié)構(gòu)深度上存在局限[34]，難以精確測量凹槽深度，后續(xù)的測試方案僅考慮微邊緣凸起隨拋光參數(shù)的變化。

2 拋光仿真方法

為分析激光拋光中微結(jié)構(gòu)的誤差復(fù)映規(guī)律，考慮到激光拋光過程中的熱毛細(xì)作用，采用文獻(xiàn)[35]的方法對序列激光脈沖對表面凸起的平滑效果進(jìn)行了仿真，仿真所用到的相關(guān)模型如圖3所示。表面凸起及激光掃描方式如圖3a所示，凸起寬度設(shè)置為30 μm，激光脈沖間距設(shè)置為10 μm。表面的截面輪廓如圖3b所示，仿真了凸起高度分別為8 μm和16 μm的兩種表面。根據(jù)圖3a和圖3b所描述的模型，仿真過程中將二維粗糙度的變化簡化為一維輪廓的變化。在激光拋光過程中，材料受到激光的作用后會產(chǎn)生熱毛細(xì)流動，使熔融表面偏離理想的光滑形狀，該熱毛細(xì)流動行為較為復(fù)雜，所以一般文獻(xiàn)[21,22]只對單脈沖作用后的表面形貌變化進(jìn)行模擬研究。對序列脈沖作用下表面形貌變化的模擬，只能通過對熱毛細(xì)流動過程近似處理來實(shí)現(xiàn)[35]，即將熱毛細(xì)流動導(dǎo)致的表面輪廓變化符合圖3c所示的規(guī)律：在熔融區(qū)域半徑處，輪廓高度無變化；靠近邊界的熔融區(qū)域出現(xiàn)材料堆積；而在熔融區(qū)域中心部位則產(chǎn)生凹陷。該規(guī)律可通過以下公式進(jìn)行描述：

式（1）中，Δh(x)為x處輪廓的變化，H為高度系數(shù)，x0為光斑中心位置，R為熔融區(qū)域半徑。根據(jù)已有的文獻(xiàn)[36]，激光的熱毛細(xì)流動強(qiáng)度與激光功率正相關(guān)，為此，采用公式（2）描述高度系數(shù)H。

式（2）中，P為無量綱化激光功率，系數(shù) 2為假設(shè)無量綱激光功率P=1時(shí)高度系數(shù)為2 μm，這一數(shù)值與文獻(xiàn)[36]的數(shù)據(jù)在同一量級?？紤]到激光束具有如下形式的高斯分布[31]，不同激光功率的光束強(qiáng)度分布將導(dǎo)致不同的熔融區(qū)域?qū)挾?，如圖3d所示。

式（3）中，D為激光光束直徑。不同激光功率的光束強(qiáng)度分布如圖3d所示?？梢钥闯?，較大的激光功率將產(chǎn)生較大的熔融區(qū)域，為此，將公式（1）中的熔融區(qū)域半徑R簡化表達(dá)為：

即無量綱激光功率P=1時(shí)，熔融區(qū)域的半徑為20 μm。基于以上模型順序考慮各脈沖作用后表面形貌的變化。

3 結(jié)果及分析

激光加工和激光拋光后的樣品表面照片如圖4所示，圖中加工的凹槽從左至右分別是標(biāo)刻5次、10次、15次和20次的凹槽?？梢钥闯觯S著標(biāo)刻次數(shù)的增加，凹槽越來越明顯。一方面，標(biāo)刻次數(shù)增加后，凹槽內(nèi)被去除的材料增多，凹槽深度變大；另一方面，由于凹槽內(nèi)濺出的材料體積增大，附著在凹槽邊緣的邊緣凸起寬度和高度增大，所以凹槽圖片變得明顯。在圖4中，所拋光的每個(gè)微區(qū)域大小為2 mm×2 mm，從上到下分別是采用6、4、2、1、0.2 W的激光進(jìn)行拋光的區(qū)域。隨著激光功率的減小，拋光區(qū)域的顏色逐漸變深，拋光區(qū)域的表觀質(zhì)地與未加工區(qū)域有明顯差別。此外，通過對樣品的直觀觀察可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過拋光以后的凹槽表觀線寬明顯小于未經(jīng)過拋光的凹槽，這主要由于對凹槽邊緣凸起實(shí)現(xiàn)拋光所致。

超景深顯微鏡下加工樣品測量的表面形貌如圖5所示，其中圖5a和圖5c為僅經(jīng)過納秒激光刻蝕出的凹槽區(qū)域附近的表面形貌及其輪廓情況（選取的位置為圖5a中兩小圓點(diǎn)標(biāo)出的直線位置），圖5b和圖5d為經(jīng)過激光拋光以后的凹槽附近表面形貌及其輪廓（選取的位置為圖5b中兩小圓點(diǎn)標(biāo)出的直線位置）。比較圖5a和圖5b可以看出，經(jīng)過拋光以后，原表面具有方向性的劃痕被清除掉，殘留的凹槽寬度明顯小于未拋光的凹槽寬度。測量凹槽邊緣凸起的高度發(fā)現(xiàn)（在超景深顯微圖片上選取測量位置，高度值取凹槽兩側(cè)凸起相對于表面其他位置的高度的平均值），經(jīng)過拋光，凹槽邊緣凸起的平均高度（左邊凸起與右邊凸起的平均值）從拋光前的7.8055 μm變?yōu)?.8795 μm，如圖5b和圖5d所示。

在超景深顯微鏡所測量的激光拋光表面形貌的基礎(chǔ)上，分析了拋光參數(shù)對拋光效果的影響。為了考慮拋光效果，對凹槽兩邊邊緣凸起的平均值進(jìn)行了測量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6a所示。從圖中可以看出，隨著標(biāo)刻次數(shù)的增大，邊緣凸起的高度逐漸增大，這是由標(biāo)刻過程中凹槽內(nèi)濺出的材料堆積所致。但是，當(dāng)標(biāo)刻次數(shù)增大到15次以后，凸起高度的變化并不明顯。

激光拋光過程中，表面存在的微結(jié)構(gòu)對最終的表面形貌會產(chǎn)生影響，即存在所謂的形狀誤差復(fù)映。對于標(biāo)刻10次、15次和20次的溝槽，凹槽邊緣凸起的高度變化具有一定的規(guī)律性：在激光功率大于2 W時(shí)，邊緣凸起高度隨功率的變化基本服從線性變化規(guī)律；在激光能量密度小于2 W時(shí)，邊緣凸起高度隨功率的變化很小，這是由小功率激光只能引起薄熔融層決定的[37]。由此可見，由于表面微觀結(jié)構(gòu)的存在，激光拋光后會有一定高度的邊緣凸起殘留下來，即存在所謂的形狀誤差復(fù)映。初始的微結(jié)構(gòu)高度越大，拋光后的微結(jié)構(gòu)高度也越大。增大拋光的激光功率能夠有效地減小形狀誤差復(fù)映，實(shí)現(xiàn)表面的均勻化拋光。對于標(biāo)刻次數(shù)只有5次的凹槽邊緣，激光功率對邊緣凸起高度變化的影響很小。這主要由該拋光工藝的性能飽和決定，由于僅經(jīng)過5次標(biāo)刻獲取的邊緣凸起高度僅有7 μm左右，經(jīng)過功率為4 W和6 W的激光拋光以后的邊緣凸起高度都為2 μm左右，即實(shí)現(xiàn)拋光的飽和，繼續(xù)增大拋光能量難以降低邊緣凸起的高度。實(shí)際上，采用該納秒激光進(jìn)行拋光后，在遠(yuǎn)離邊緣凸起的其他區(qū)域也會產(chǎn)生約2 μm左右的起伏，如圖6b所示，這驗(yàn)證了前述的拋光能量密度飽和的猜測。通過模擬也發(fā)現(xiàn)，激光拋光后表面輪廓隨激光功率的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相似，如圖6c。從圖6d的模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在激光功率較小時(shí)，激光束對表面凸起的平滑作用不明顯，所以凸起高度變化較小；而在激光功率較大時(shí)，雖然凸起高度有較大變化，但激光導(dǎo)致的較強(qiáng)的熱毛細(xì)流動使得表面具有鋸齒結(jié)構(gòu)，表面粗糙度難以降低，這與圖6b中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。

4 結(jié)論

1）激光拋光能夠有效降低凹槽邊緣凸起高度，選擇合適的拋光參數(shù)可將凹槽邊緣凸起高度降低到2 μm以下。

2）激光拋光中，表面已有結(jié)構(gòu)具有一定形狀誤差復(fù)映規(guī)律。對于初始凹槽邊緣凸起高度大于10 μm的情況，激光拋光后在激光功率大于2 W的情況下，拋光后的凹槽邊緣凸起高度隨激光功率密度的增大而線性減小。在激光功率小于2 W的情況下，凹槽邊緣凸起高度隨激光功率變化不明顯。

3）對于初始凹槽邊緣凸起高度小于10 μm的情況，激光拋光在較高功率下存在拋光飽和的現(xiàn)象——凸起高度隨激光功率變化不明顯。