吳 昊，鄒 平，康 迪，王文杰

（ 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧沈陽 110819 ）

激光加工是一種先進(jìn)的加工技術(shù)， 不僅清潔、高效、準(zhǔn)確、重復(fù)性好，而且不與材料接觸、不受加工材料的限制，在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景。 然而在傳統(tǒng)的激光加工過程中，加工后的零件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū)、發(fā)生熔化后的材料重新凝固在零件表面等情況，影響加工后的工件表面質(zhì)量[1]。 為解決這些問題，近年來振動(dòng)輔助激光加工作為改進(jìn)的加工方法大量研究。

目前，振動(dòng)輔助激光加工有兩種方式：工件振動(dòng)輔助激光加工和透鏡振動(dòng)輔助激光加工。 工件振動(dòng)輔助激光加工可有效地降低被加工工件的表面粗糙度，改變工件表面的微結(jié)構(gòu)、硬度并提高孔的深徑比[2-4]；透鏡振動(dòng)輔助激光加工也能降低被加工工件的表面粗糙度，提高孔的深徑比[5]。 對(duì)于工件振動(dòng)輔助激光加工的研究有很多，而對(duì)于透鏡振動(dòng)輔助激光加工的研究卻很少。

基于此， 本文從激光焦點(diǎn)處能量分布角度，對(duì)透鏡振動(dòng)輔助激光加工過程進(jìn)行研究。 從理論上分析了影響激光焦點(diǎn)處能量分布的敏感方向及透鏡振動(dòng)輔助激光加工、 傳統(tǒng)激光加工的激光加工區(qū)域， 介紹了透鏡振動(dòng)輔助激光加工系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)過程，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析。

1 透鏡振動(dòng)輔助激光加工

透鏡振動(dòng)輔助激光加工與傳統(tǒng)激光加工的原理相似，是將激光光束通過透鏡聚焦到加工材料表面， 當(dāng)激光的能量密度超過材料所能承受的臨界值，材料被去除，從而達(dá)到加工的目的。 因此，激光作為能量源在加工中是一個(gè)重要的因素，而在激光加工過程中振動(dòng)透鏡可直接影響激光聚焦焦點(diǎn)處的能量分布，所以透鏡振動(dòng)輔助激光加工可達(dá)到改善被加工工件表面質(zhì)量的目的。 為了研究透鏡振動(dòng)輔助激光加工，首先要確定透鏡振動(dòng)方向，而后對(duì)透鏡振動(dòng)輔助激光加工原理進(jìn)行分析。

1.1 透鏡振動(dòng)方向?qū)す饽芰糠植嫉挠绊?/h3>

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的透鏡振動(dòng)輔助激光加工系統(tǒng)，選用ACA254-030-532 型透鏡， 激光光源的波長(zhǎng)為532 nm，透鏡處的入射激光直徑為6 mm。 根據(jù)上述參數(shù)， 利用CODEV 軟件模擬激光通過透鏡得到最佳聚焦焦點(diǎn)的光路圖（圖1），其焦點(diǎn)處在工件表面的能量分布見圖2，其中A 點(diǎn)代表激光能量的60%集中在工件表面直徑為1.16 μm 的區(qū)域內(nèi)。

圖2 中曲線的斜率可定義為激光的能量密度I，表達(dá)式為：

式中：P 是激光的功率；d 是激光聚集區(qū)域的直徑?？梢姡?dāng)激光功率一定時(shí)，激光的能量密度越大，其聚集區(qū)域的直徑越小， 這表示曲線的斜率越大，激光的能量密度越大。 因此，在以下的分析中，以激光能量的60%作為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)透鏡振動(dòng)時(shí)，將以聚焦區(qū)域的直徑作為反映激光能量密度高低的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

在設(shè)計(jì)透鏡振動(dòng)輔助激光加工系統(tǒng)時(shí)，首先要確定影響激光能量分布的敏感方向，透鏡的振動(dòng)需沿此方向。 固定工件時(shí)，透鏡可沿3 個(gè)方向振動(dòng)，分別為圖1b 中垂直于激光傳播方向的沿X、Y 方向和沿激光傳播的Z 方向。 透鏡沿X、Y 方向振動(dòng)時(shí)，激光的能量分布變化一樣，因此只需研究透鏡沿X 和Z 方向振動(dòng)時(shí)， 采用CODEV 軟件仿真在工件表面的激光能量分布。 為了確定影響激光能量分布的敏感方向，當(dāng)透鏡沿某一方向振動(dòng)時(shí)，將會(huì)比較聚焦區(qū)域的直徑。

1.1.1 透鏡沿X 方向振動(dòng)

由于透鏡沿X 軸的正方向和負(fù)方向移動(dòng)時(shí)，激光的能量分布變化一樣，只需研究透鏡沿X 軸正方向移動(dòng)時(shí)激光能量分布變化即可。 圖3 是當(dāng)透鏡沿X 軸正方向移動(dòng)時(shí)聚焦區(qū)域直徑的變化， 未發(fā)現(xiàn)明顯變化。圖4 是透鏡沿X 軸正方向移動(dòng)15 μm 時(shí)工件的表面激光能量分布，其與圖2 中透鏡未移動(dòng)的激光能量分布曲線相近。

1.1.2 透鏡沿Z 方向振動(dòng)

圖5 是透鏡沿Z 軸移動(dòng)時(shí)聚焦區(qū)域直徑的變化，可見，當(dāng)透鏡從原位置沿Z 軸負(fù)方向移動(dòng)時(shí)，聚焦區(qū)域直徑逐漸變大， 表明激光能量密度變?。划?dāng)透鏡從原位置沿Z 軸正方向移動(dòng)時(shí)，聚焦區(qū)域直徑先變小后變大，表明激光能量密度先變大后變小。

圖6 是透鏡沿Z 軸正方向移動(dòng)9 μm 時(shí)工件表面激光能量分布，相比圖2 中的透鏡未移動(dòng)時(shí)的曲線更平滑，也說明了激光能量密度有所變小。

基于以上分析發(fā)現(xiàn)，透鏡的振動(dòng)可改變激光的能量分布，當(dāng)透鏡沿Z 軸振動(dòng)時(shí)，激光能量分布變化大，所以Z 軸是影響激光能量分布的敏感方向。

1.2 透鏡振動(dòng)輔助激光加工的能量分布

圖7 是針對(duì)透鏡振動(dòng)輔助激光加工過程建立的坐標(biāo)系。 當(dāng)激光通過透鏡聚焦在工件表面后，其焦點(diǎn)處的能量密度可以表示為[6]：

式中：λ 是激光的波長(zhǎng)；f 是透鏡的焦距； M2是激光光束的質(zhì)量因數(shù)；D 是透鏡處入射激光的直徑。

為了研究透鏡沿Z 軸移動(dòng)時(shí)，激光焦點(diǎn)的能量密度，對(duì)式（2）進(jìn)行求導(dǎo)：

其極值點(diǎn)為：

當(dāng)上式中x=0 時(shí)， 即激光聚焦后焦點(diǎn)的中心點(diǎn)，Z2和 Z3是虛根， 只有 Z1是實(shí)根。 當(dāng) Z＜Z1時(shí)，I（Z）′＞0，I（Z）是增函數(shù)；當(dāng) Z＞Z1時(shí)，I（Z）′＜0，I（Z）是減函數(shù)。 因此，Z=Z1處是函數(shù)的極大值點(diǎn)，即表明激光能量密度的最大值在激光焦點(diǎn)的中心點(diǎn) （Z=0）。而在上述CODEV 仿真激光光路中， 考慮了透鏡材料、像差、衍射等實(shí)際情況，得到圖5 所示的曲線，當(dāng)Z=2 μm 時(shí)直徑最小，對(duì)應(yīng)激光能量密度最高，與理論分析得到的結(jié)果相近。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)中使用的皮秒激光發(fā)生器的功率為0.15 W、質(zhì)量因數(shù)為1.1 時(shí)，利用MATLAB 軟件仿真出激光焦點(diǎn)處的能量分布見圖9。可見，激光焦點(diǎn)的能量分布會(huì)受透鏡沿Z 軸移動(dòng)的影響，當(dāng)透鏡沿Z 軸正負(fù)方向移動(dòng)時(shí)， 激光焦點(diǎn)處在工件表面的能量密度降低， 這與上述利用CODEV 軟件模擬得到的結(jié)論相同。

當(dāng)透鏡沿Z 軸振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)透鏡可等同于振動(dòng)激光聚焦焦點(diǎn)，此時(shí)焦點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程和透鏡的振動(dòng)方程式一樣，表示為：

式中：φ 是透鏡振幅 A 和頻率F 的函數(shù)， 其表達(dá)式與振動(dòng)信號(hào)相關(guān)。 將式（9）帶入式（2）中，可得到透鏡振動(dòng)輔助激光加工中激光焦點(diǎn)處能量分布：

從激光能量考慮，用“激光焦點(diǎn)處加工區(qū)域”定義激光焦點(diǎn)處能量密度大于材料所能承受的臨界值，處在激光焦點(diǎn)處加工區(qū)域的材料可被去除。 它在傳統(tǒng)激光加工和透鏡振動(dòng)輔助激光加工中分別可表示為：

式中：Ith為材料所能承受的激光能量臨界值。 可見，傳統(tǒng)激光加工和透鏡振動(dòng)輔助激光加工中“激光焦點(diǎn)處的加工區(qū)域”不同，因此會(huì)在加工后得到不同的表面形貌。

另外，在超快激光加工中，會(huì)產(chǎn)生等離子體覆蓋在加工位置處，從而反射入射激光而影響激光加工。 在振動(dòng)輔助方法中，由于振動(dòng)的加入，會(huì)對(duì)所產(chǎn)生等離子體的溫度、密度發(fā)生影響，并且等離子體的位置、形狀也會(huì)發(fā)生變化，從而使更多激光照射到加工位置處，因此，振動(dòng)輔助的方法與傳統(tǒng)方法在加工后會(huì)得到不同的加工形貌。

2 透鏡振動(dòng)輔助激光加工實(shí)驗(yàn)

圖9 是根據(jù)上述理論分析中得到的影響激光能量分布的敏感方向，設(shè)計(jì)透鏡振動(dòng)輔助激光加工系統(tǒng)原理圖。 透鏡振動(dòng)輔助激光加工系統(tǒng)包括皮秒激光光源、平面鏡、振動(dòng)透鏡裝置和工作臺(tái)，其中透鏡的振動(dòng)是由壓電陶瓷（PI，P-016.20）產(chǎn)生的，由電腦控制LABVIEW 軟件產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào) （包括正弦信號(hào)、脈沖信號(hào)、階躍信號(hào)等），控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)[7]。

本實(shí)驗(yàn)利用透鏡振動(dòng)方法對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行激光打孔，首先對(duì)激光進(jìn)行對(duì)焦，將激光焦點(diǎn)的中心點(diǎn)位置對(duì)焦到工件的表面，然后激光光束照射工件表面持續(xù)0.1 s 完成鉆孔過程。 實(shí)驗(yàn)將分別使用傳統(tǒng)激光加工和透鏡振動(dòng)輔助激光加工進(jìn)行鉆孔，其中當(dāng)使用透鏡振動(dòng)輔助激光加工方法時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為正弦信號(hào)，透鏡振動(dòng)的振幅為12 μm，振動(dòng)的頻率是200 Hz。 而后利用Alicona 儀器對(duì)兩種加工方式得到的孔進(jìn)行測(cè)量， 比較孔的深度和直徑；深度和直徑各測(cè)量3 次，取平均值作為最終結(jié)果。

表1 是傳統(tǒng)激光加工和透鏡振動(dòng)輔助激光加工得到的孔深和直徑的平均值，可見，兩種方法加工后孔的平均直徑相近，而由透鏡振動(dòng)輔助激光加工后孔的平均深度比傳統(tǒng)激光加工后孔的平均深度更大，透鏡振動(dòng)輔助激光加工所得的孔深比傳統(tǒng)激光加工提高了20%。 圖10 是利用兩種方法所得孔的形貌，兩種方法所得孔有所差異，驗(yàn)證了上述理論分析中的透鏡振動(dòng)輔助激光加工與傳統(tǒng)激光加工的激光能量分布和激光加工區(qū)域的不同。

表1 兩種方法加工的孔的參數(shù)

3 結(jié)束語

本文對(duì)透鏡振動(dòng)輔助激光加工進(jìn)行了研究，首先通過透鏡沿各個(gè)方向移動(dòng)對(duì)激光焦點(diǎn)處能量分布進(jìn)行仿真，確定了影響激光焦點(diǎn)處能量分布的敏感方向是沿激光傳播的方向；其次，通過透鏡在激光的傳播方向上的振動(dòng)對(duì)激光焦點(diǎn)處能量分布進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)透鏡振動(dòng)輔助激光加工與傳統(tǒng)激光加工激光焦點(diǎn)處的加工區(qū)域不同；最后，在根據(jù)理論設(shè)計(jì)的透鏡振動(dòng)輔助激光加工系統(tǒng)中對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行了激光打孔加工實(shí)驗(yàn)， 其結(jié)果顯示，透鏡振動(dòng)輔助激光加工和傳統(tǒng)激光加工所得孔的形狀不同，驗(yàn)證了理論分析。 通過模擬仿真、理論研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，透鏡振動(dòng)輔助激光加工相比于傳統(tǒng)激光加工方法更能有效地提高孔的深度。