張 奇，沈 磊，何 博*

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 高溫合金精密成型研究中心，上海 201620；2.上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620)

引 言

紅寶石激光器在20世紀(jì)60年代的成功研制[1],促進(jìn)了激光器技術(shù)的快速發(fā)展。到20世紀(jì)80年代以后，隨著超短脈沖激光技術(shù)的飛速發(fā)展，人們成功研制出了脈沖時間寬度在幾百飛秒范圍內(nèi)的飛秒級脈沖激光[2]。隨著鎖模技術(shù)、啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification，CPA)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[3-4]，飛秒激光功率得到了提升，并在航空、航天、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了實際應(yīng)用。

飛秒激光減材加工作為一項新型的減材加工技術(shù)，具有熱影響區(qū)小、激光重復(fù)頻率高和脈沖能量高等優(yōu)勢[5-8]，可實現(xiàn)對多種材料高柔性、高精度、高效率的微細(xì)加工[9]，不但可以高精度無損傷地加工各種硬脆難加工材料，同時也使該類材料在復(fù)雜精密領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在飛秒激光減材加工過程中，可以實現(xiàn)極小尺寸下材料的局部精密去除，并且擁有極高的靈活性[10]，在合理的參量組合下，可實現(xiàn)具有復(fù)雜、精細(xì)結(jié)構(gòu)的零件加工。

1 飛秒激光加工機理

激光束輻照特定工件，激光能量和被加工物質(zhì)之間產(chǎn)生熱效應(yīng)作用及非熱效應(yīng)作用。其中熱效應(yīng)作用使材料表面產(chǎn)生熔化、蒸發(fā)現(xiàn)象，進(jìn)而去除材料表面物質(zhì)；而非熱效應(yīng)作用則是由于金屬表面吸收激光能量使溫度快速升高,超過金屬的熔點和蒸發(fā)溫度使物質(zhì)產(chǎn)生高度電離，導(dǎo)致金屬的燒蝕[11]。由于溫度不同，兩種機理下產(chǎn)生的加工分別被稱為熱加工和冷加工[12]。

飛秒激光去除物質(zhì)的機理主要基于冷加工，能在金屬表面加工的同時，產(chǎn)生最小的熱影響區(qū)，因而是一項微納尺度內(nèi)材料精密加工的新技術(shù)[13],其加工過程如圖1所示?？紤]到激光參量(功率、波長、脈沖持續(xù)時間等)、金屬自身屬性等因素，將飛秒激光加工金屬的機理細(xì)分為熔化、熱汽化、庫倫爆炸、雪崩電離與多光子電離等幾種作用機理[14]，在實際加工中，通常是以雪崩電離與多光子電離為主要機理[15-16]。自由電子在吸收激光能量后產(chǎn)生較大的動能，與原子碰撞后產(chǎn)生多個自由電子，此過程不斷反復(fù)，形成雪崩電離現(xiàn)象，如圖2所示。飛秒激光輻照金屬表面時，雪崩電離和多光子效應(yīng)使大量的金屬價帶電子轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷刈杂呻娮?，?dāng)其積累到一定密度時，激光能量被材料大量吸收，形成的高溫高壓等離子體以噴射的形式被剝離母材表面，達(dá)到材料去除的目的[11，16]。

圖1 飛秒激光加工示意圖

圖2 雪崩電離示意圖

為了研究超短脈沖激光加工金屬材料過程中的溫度變化，ANISIMOV等人[17]在1974年提出雙溫模型(two temperature model,TTM)[2，18]，該模型主要研究金屬材料表面的電子溫度Te和晶格溫度Tl隨時間的演變:

(1)

(2)

式中,Ce和Cl分別為電子溫度熱容、晶格熱容；κe為電子熱導(dǎo)率；g為電子-晶格耦合常數(shù)；S(z,t)為單位體積內(nèi)的激光熱源輻照的功率密度。

飛秒激光與銅作用時表面電子溫度和晶格溫度隨時間t的演化曲線如圖3所示。電子溫度在數(shù)百飛秒的時間內(nèi)迅速升高，快速到達(dá)峰值12000K，而此期間的晶格溫度基本沒有上升。這就表明激光輻照金屬表面時，材料的去除主要是大量的激光能量被自由電子接收使其溫度升高而導(dǎo)致的。當(dāng)輻射結(jié)束后，電子溫度與晶格溫度以耦合的方式達(dá)到平衡狀態(tài)[19]。

圖3 表面電子溫度和晶格溫度隨時間的演化曲線[19]

2 數(shù)值模擬在飛秒激光加工中的應(yīng)用

燒蝕過程是飛秒激光加工的主要過程，但是不同的激光強度對應(yīng)的燒蝕機理不同，燒蝕深度和燒蝕時間也不同。因此，人們進(jìn)行了大量的仿真模擬來研究飛秒激光燒蝕過程的復(fù)雜性。

通常，飛秒激光加工的熱影響區(qū)深度遠(yuǎn)小于激光光斑直徑，只需要考慮表面法線方向(z方向)的溫度變化，因此在進(jìn)行飛秒激光燒蝕過程的數(shù)值模擬時一般采用1維雙溫模型。WANG等人[20]建立1維雙溫模型模擬仿真了飛秒激光燒蝕銅的過程，并進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明，在激光能量為0.8J/cm2～408J/cm2的條件下，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。然而，在激光能量密度超出范圍時，燒蝕機制轉(zhuǎn)變?yōu)榉菬釞C制，導(dǎo)致仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)不相符合。SAGHEBFAR等人[21]建立1維雙溫模型研究了多脈沖燒蝕過程，分析了脈沖間隔時間和脈沖個數(shù)對熱響應(yīng)的影響規(guī)律，此外還分析了電子晶格耦合系數(shù)、脈沖持續(xù)時間和彈道電子輸運的不確定度對雙溫模型模擬結(jié)果的影響，結(jié)果表明，高溫條件下材料的光學(xué)性質(zhì)的變化決定了超快激光加熱金屬試樣的熱響應(yīng)，另外，研究結(jié)果還表明，隨著入射激光脈沖數(shù)量的增加，激光對材料的燒蝕閾值降低。LI等人[22]將燒蝕實驗結(jié)果和1維雙溫模型相結(jié)合研究飛秒激光燒蝕鋁板過程中的熱弛豫，結(jié)果表明，隨著飛秒激光能量密度的增加，飛秒激光燒蝕的熱弛豫過程延長，燒蝕強度得到一定程度的提高，加工材料的外觀質(zhì)量得到改善。為準(zhǔn)確預(yù)測燒蝕孔的形狀，LI等人[23]建立3維雙溫模型模擬了單脈沖飛秒激光燒蝕鋁薄膜的過程，成功預(yù)測單脈沖燒蝕半徑和深度，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同激光能量密度下單脈沖燒蝕得到的燒蝕坑模擬結(jié)果[23]

在精細(xì)結(jié)構(gòu)零件的激光加工中，表面粗糙度嚴(yán)重影響零件的表面質(zhì)量，浪費材料且增加后期表面處理成本，可以通過數(shù)值模擬對激光加工表面形貌進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而優(yōu)化工藝方案，提高精細(xì)零件的表面質(zhì)量。ZHANG等人[24]通過建立激光加工的2維瞬態(tài)模型，模擬了激光加工過程中材料表面形貌的演變過程，結(jié)果表明，隨著熱輸入的增加，材料表面發(fā)生熔化，通過流動填補表面凹陷處，獲得較好的加工效果。SHAN等人[25]通過建立準(zhǔn)靜態(tài)模型對激光加工的工藝參量進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明,在激光功率140W、離焦量2.5mm、掃描速率70mm/s、脈沖寬度140μs 時進(jìn)行拋光，表面粗糙度Ra從2.08μm降到188.35nm。WANG等人[26]提出計算過渡表面的方法，建立4種不同的表面形貌模型進(jìn)行激光輻照的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)不同的表面形貌對受激光輻照后的溫度變化影響很大，在激光加工過程中需根據(jù)材料的表面形貌選擇合適的加工參量以達(dá)到最好的加工效果。VADALI等人[27]建立了毛細(xì)管波的解析流體動力學(xué)模型和數(shù)值傳熱模型，并將其結(jié)合起來，預(yù)測了脈沖激光微加工產(chǎn)生的表面空間頻率及產(chǎn)生的粗糙度，預(yù)測的平均表面粗糙度與加工表面上測得值的誤差在12%以內(nèi)。ZHOU等人[28]建立基于有限元方法的數(shù)值模型來模擬熔融石英上CO2激光燒蝕過程中的形貌演變和溫度分布(如圖5所示)，并對激光加工的工藝參量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，表面粗糙度Ra從1.899μm降到0.47μm。XU等人[29]利用實驗數(shù)據(jù)擬合得到單個脈沖燒蝕輪廓，通過對單個脈沖燒蝕輪廓的線性疊加來實現(xiàn)飛秒激光加工石英材料過程中的表面形貌演變模擬，從而根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)測了：當(dāng)激光功率為64.2mW、掃描速率為0.5mm/min、掃描間距為3μm時,可以獲得最佳加工質(zhì)量，并進(jìn)行了實驗，驗證了其可行性。

圖5 整個加工過程中的形貌演變和溫度曲線[28]

激光誘導(dǎo)周期性結(jié)構(gòu)(laser-induced periodic surface structures,LIPSS)是飛秒激光加工金屬表面時常見的一種微結(jié)構(gòu)[30]。近幾年，隨著人們對LIPSS的研究，出現(xiàn)了一些基于LIPSS的應(yīng)用，例如表面標(biāo)記[31]、生物相容性[32]等。但是人們對于LIPSS的形成機理認(rèn)識不足，因此，人們通過模擬仿真研究其形成機理。DJOUDER等人[33]將時域有限差分(finite-difference time-domain，F(xiàn)DTD)方法和質(zhì)點網(wǎng)格(particle in cell，PIC)法結(jié)合,進(jìn)行了飛秒激光加工光滑銅表面形成LIPSS過程的模擬研究，結(jié)果表明，加工表面形成了兩種空間周期的LIPSS結(jié)構(gòu)，分別為低空間頻率LIPSS和高空間頻率LIPSS微結(jié)構(gòu)。KODAMA等人[34]利用FDTD法研究短脈沖激光輻照之前的表面粗糙度對LIPSS形成的影響，結(jié)果表明，隨著表面粗糙度的增加，材料表面形成具有大電場強度的區(qū)域也在增加，由于多次的電離和庫倫爆炸，導(dǎo)致這些區(qū)域的材料大量燒蝕，形成具有高縱橫比(深度/節(jié)距長度)的LIPSS。RUDENKO等人[35]結(jié)合雙溫模型、麥克斯韋方程組和流體力學(xué)模型建立了多物理模型，研究了在亞、近和大于閾值的多脈沖飛秒激光輻照下不銹鋼表面的演變過程，結(jié)果表明,當(dāng)采用亞閾值通量時，表面產(chǎn)生納米級粗糙度，幾十納米深的亞表面形成納米腔；當(dāng)采用近閾值通量時，亞表面處形成微孔洞，而增加脈沖有助于形成周期性表面結(jié)構(gòu)，增強表面能量吸收并提高去除速率；而大于閾值的通量則主要通過熱燒蝕機制增加燒蝕深度。ABOUSALEH等人[36]利用大規(guī)模的分子動力學(xué)-雙溫模型(molecular dyna-mics-TTM,MD-TTM)研究了在散裂狀態(tài)下單脈沖激光輻照鉻靶材表面形成LIPSS的過程，仿真結(jié)果表明，納米級表面的形態(tài)特征是由散裂過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)液體結(jié)構(gòu)的演變與靶材表面區(qū)域的快速凝固共同決定的。

與普通激光加工相比，飛秒激光加工機制更為復(fù)雜，目前飛秒激光加工模擬常用的仿真模型包括雙溫模型、流體力學(xué)模型等。但是，雙溫模型、流體力學(xué)模型等現(xiàn)有的模擬方法都存在相應(yīng)的局限，例如，通過使用多個假設(shè)條件和擬合參量來建立雙溫模型和流體力學(xué)模型，可以認(rèn)為目前尚未有一種廣為學(xué)術(shù)界接受的飛秒激光加工過程模型，將幾種模型結(jié)合建立高質(zhì)量仿真模型將是飛秒激光仿真的發(fā)展趨勢。另外，飛秒激光與金屬相互作用過程的研究關(guān)系到量子領(lǐng)域，利用量子力學(xué)研究其過程也是飛秒激光模擬未來的發(fā)展方向。此外，人們對飛秒激光加工過程的模擬主要是針對單脈沖加工的研究，而在實際加工過程中，不止單個脈沖對材料進(jìn)行作用，并且不同的脈沖個數(shù)決定了激光能量的吸收率，因此，進(jìn)行多脈沖飛秒激光加工過程的模擬可以更好地完善模擬工作，更準(zhǔn)確地模擬實際加工過程。

3 飛秒激光加工精度的影響因素

隨著飛秒激光技術(shù)在精密加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，探索其加工誤差的形成機理，并進(jìn)一步提升其加工精度，成為飛秒激光的研究重點。

3.1 激光能量密度對加工精度的影響

當(dāng)激光束輻照金屬材料表面時，激光能量被金屬表面接收。當(dāng)激光能量密度較大時，金屬表面接收能量也越多，表面溫度快速升高，材料以蒸發(fā)或消融的方式去除。當(dāng)激光能量密度達(dá)到材料表面發(fā)生燒蝕的臨界值(燒蝕閾值)時，隨激光能量密度的繼續(xù)增長，去除的材料增加，使表面粗糙度減小。YANG等人[37]采用功率為70W的1064nm納秒激光器對鈦合金進(jìn)行加工研究，分析了不同能量密度對表面粗糙度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，隨著能量密度的增加，加工表面粗糙度減少，當(dāng)能量密度在3.46J/cm2的條件下鈦合金表面粗糙度Ra減少43%。但是，當(dāng)能量密度過高時，材料去除量增大，表面粗糙度又會增加。YANG等人[38]利用515nm的飛秒激光(能量密度分別為32.8J/cm2，74.4J/cm2，109.4J/cm2)對Ti6Al4V表面進(jìn)行了加工研究，結(jié)果表明,隨著能量密度的增加，Ti6Al4V表面粗糙度增大，當(dāng)能量密度在32.8J/cm2的條件下加工表面粗糙度從1.656μm減少到1.381μm。PERRY等人[39]利用YAG激光器(能量密度為1.02J/cm2～1.80J/cm2)對微銑削的Ti6Al4V樣品表面進(jìn)行了加工研究，結(jié)果表明，能量密度在1.178J/cm2～1.342J/cm2的范圍時加工獲得的表面粗糙度最低，由加工前的0.206μm降低到0.070μm。LIANG等人[40]對鈦合金進(jìn)行加工研究也發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨激光能量密度增加呈拋物線的趨勢。因此，材料的表面粗糙度隨激光的能量密度的變化并不是呈線性變化，而是存在一個優(yōu)化的激光能量密度區(qū)間。

3.2 激光離焦量對加工精度的影響

飛秒激光加工過程中激光束焦點到材料表面的距離稱為激光離焦量。當(dāng)激光離焦量越小時，光斑中心的功率密度越高，材料表面單位面積接收的能量越多，導(dǎo)致材料去除過多，降低了加工精度。但是激光離焦量過大時，導(dǎo)致光斑中心的功率密度降低，材料表面單位面積接收的能量少，材料的去除量不足，甚至起不到加工的作用。因此，存在一個最佳的激光離焦量使得加工后的表面粗糙度最小[41]。SHAN等人[25]利用光纖激光器(激光功率為140W、掃描速率為50mm/s)對模具鋼表面進(jìn)行加工研究(離焦量1.0mm～4.0mm)，結(jié)果表明，離焦量為1.8mm～2.8mm時獲得最佳的加工效果。ZHU[12]也研究了不同離焦量對加工表面質(zhì)量的影響，同樣發(fā)現(xiàn)存在一個最佳區(qū)間使獲得的拋光效果相對最好。圖6所示為激光波長1064nm，重復(fù)頻率66kHz、激光功率0.15W、掃描間距3μm、掃描速率1.5m/s的實驗條件下離焦量-表面粗糙度關(guān)系[41]。

圖6 離焦量對加工表面質(zhì)量的影響[41]

3.3 激光光束入射角對加工精度的影響

在飛秒激光加工過程中，激光束與金屬表面的法線之間的角度被稱為激光光束入射角。當(dāng)激光束垂直工件表面入射即入射角為0°時，激光脈沖功能等效于對材料打孔，這會使材料表面波峰和波谷的波動增大進(jìn)而增加表面粗糙度。當(dāng)激光束傾斜入射時，表面波峰接收大部分激光能量，減小了對波谷的燒蝕，因此激光入射角大時可獲得較平滑的加工形貌[42]。

隨著激光入射角的增大，飛秒激光加工效率會降低，這是由于當(dāng)激光束傾斜入射時，激光光斑由垂直入射的圓光斑變?yōu)楸鈭A光斑，光斑面積增加導(dǎo)致了單脈沖的能量密度降低。PIMENOV等人[43]通過在加工過程中改變?nèi)肷浣莵砜刂飘a(chǎn)生的粗糙度，研究發(fā)現(xiàn)入射角的增加伴隨著入射激光通量和消融速率的降低。OSTHOLT等人[44]研究了不同激光入射角的加工效果，結(jié)果表明,以一定角度入射形成的橢圓相互作用面積比圓相互作用面積小，激光能量密度降低，因此，在加工過程中需要調(diào)整激光功率以適應(yīng)不同的激光入射角，從而獲得最佳粗糙度；同時橢圓相互作用區(qū)域與掃描路徑不對稱，使得實際燒蝕材料區(qū)域與掃描路徑發(fā)生偏移，從而影響加工精度。圖7所示為修正掃描路徑下不同激光入射角加工的表面形貌[44]。

圖7 不同激光入射角加工表面形貌[44]

3.4 激光光束掃描速率對加工精度的影響

在激光能量密度和激光重疊頻率不變的情況下，金屬表面的激光輻照時間由激光掃描速率決定，從而影響了金屬表面在單位面積和時間內(nèi)接收的光能，影響加工精度[42]。

激光掃描速率小，金屬表面輻照時間長，使得吸收的激光能量增加，去除的金屬增多，粗糙度增加；當(dāng)掃描速率過大時，金屬表面輻照時間過少，相鄰光斑的重疊率減小，導(dǎo)致表面一些區(qū)域沒有吸收能量，材料去除量不足，沒有實現(xiàn)材料的加工。SHAN等人[25]采用不同的掃描速率(20mm/s～120mm/s)加工后，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨掃描速率的變化呈先減小后增大的趨勢，在掃描速率為70mm/s～80mm/s時獲得最佳的加工效果。圖8所示為激光波長1064nm、重復(fù)頻率200kHz、激光功率0.15W、掃描間距0.02mm、離焦量為0.5mm的實驗條件下掃描速率-表面粗糙度關(guān)系[12]。JULIANA等人[45]以不同的掃描速率(100mm/s，200mm/s，300mm/s，400mm/s)進(jìn)行加工時也得到同樣的結(jié)論，在掃描速率為300mm/s時獲得最小的表面粗糙度。因此，存在一個最佳的激光掃描速率使加工后的表面粗糙度最小。

圖8 掃描速率對加工表面質(zhì)量的影響[12]

3.5 激光掃描方法對加工精度的影響

激光掃描方法的不同決定了激光光斑重疊率的大小，從而決定材料表面吸收能量的多少，最終決定激光加工的精度。

當(dāng)激光光束以單向逐行的方式進(jìn)行掃描時，會使材料表面形成高低起伏的現(xiàn)象，使得沿掃描路徑方向的粗糙度低，而垂直于掃描路徑的粗糙度大。CHEN等人[46]在采用了4種不同的掃描方式進(jìn)行加工后，認(rèn)為在第2次掃描時,將掃描路徑偏移一定的距離可以覆蓋前一次的掃描路徑，從而消除不同掃描行之間的起伏。GLOOR等人[47]也采取幾種不同的掃描方法進(jìn)行加工，結(jié)果表明，可以通過減小掃描間距或者增大輻照光斑面積來減小材料表面的起伏，但是會降低加工效率。此外，一個方向掃描一次后將以一定角度旋轉(zhuǎn)制件后再掃描可以獲得更好的加工效果?？傊?，增加掃描次數(shù)和掃描路徑的復(fù)雜程度，會使材料表面吸收的能量更均勻，所得到的制件加工表面粗糙度更低，加工質(zhì)量更好[46-47]。

4 結(jié)束語

隨著基于激光的加工技術(shù)如增材制造的發(fā)展，將飛秒激光與增材制造技術(shù)結(jié)合，制備3-D打印無法制備的復(fù)雜、精細(xì)結(jié)構(gòu)金屬件，可能是增材制造的下一個研究熱點。但是從整體來看，飛秒激光作為一項新技術(shù)，還沒有達(dá)到可以大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的階段，飛秒激光加工技術(shù)從實驗室走向工業(yè)應(yīng)用還需要很長的時間。綜上所述，飛秒激光加工的效率與精度影響因素眾多，要真正在金屬加工領(lǐng)域精準(zhǔn)大規(guī)模應(yīng)用這一精細(xì)技術(shù)，尚需對飛秒激光及其與不同特性金屬材料間的交互作用進(jìn)行更為深入系統(tǒng)的研究。