謝頌京， 王 梁， 姚建華

(1.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車技術(shù)學(xué)院， 浙江 杭州 310018；2.浙江工業(yè)大學(xué)激光先進(jìn)制造研究院， 浙江 杭州 310014；3.高端激光制造裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心， 浙江 杭州 310014)

0 前 言

由于激光具有單色性、相干性、方向性和高能量密度等特性[1，2]，經(jīng)過聚焦后產(chǎn)生較高的能量密度，使得激光拋光技術(shù)在過去的幾年中得到了越來越多的應(yīng)用。 激光拋光作為材料表面處理的重要技術(shù)手段，不僅可以拋光幾乎所有的金屬材料[3，4]，還可以拋光非金屬材料[5－7]。 拋光的目的是為了提高工件表面的尺寸精度和幾何形狀精度[8]，主要作用是降低材料的表面粗糙度，以獲得光亮、平整的工件表面，使工件更加美觀，同時(shí)還可提高材料的表面硬度、耐磨性、抗拉性能、耐腐蝕性和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[9－13]。 拋光技術(shù)在航空航天、醫(yī)療領(lǐng)域、儀器儀表、光學(xué)元件、先進(jìn)制造等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在工程應(yīng)用中采用激光拋光需要找到符合預(yù)期產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)，但由于大量的工藝參數(shù)和各種物理現(xiàn)象之間的耦合，通過實(shí)驗(yàn)確定工藝參數(shù)需要大量的成本和時(shí)間，而數(shù)值模擬是可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和時(shí)間的一種有效的方法[14－16]，有利于降低成本。 此外數(shù)值模擬可以增強(qiáng)對(duì)激光材料加工中物質(zhì)輸送現(xiàn)象的理解，并且易于實(shí)現(xiàn)對(duì)激光工藝參數(shù)的控制和多種因素的比較。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬還可以表現(xiàn)出足夠的預(yù)測(cè)能力，這些是無法通過實(shí)驗(yàn)獲得的。

激光拋光技術(shù)憑借其具有對(duì)于不同材料表面的拋光質(zhì)量更高、速度更快等一系列的優(yōu)點(diǎn)備受研究者的關(guān)注，數(shù)值模擬又可以節(jié)約大量費(fèi)用和時(shí)間，將二者相結(jié)合，對(duì)于開發(fā)激光拋光應(yīng)用領(lǐng)域、優(yōu)化拋光工藝和改進(jìn)材料表面性能具有重要的意義。 本文主要整理了近些年來金屬材料、非金屬材料(如半導(dǎo)體、陶瓷等)表面的激光拋光數(shù)值模擬的研究進(jìn)展，雖然目前還沒有模型能夠全面和準(zhǔn)確地模擬激光拋光過程中發(fā)生的所有現(xiàn)象，但在一定條件下，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到合理的匹配，從而可為激光拋光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 激光拋光技術(shù)的作用機(jī)理

1.1 激光熱拋光機(jī)理

激光熱拋光主要是光熱作用，即激光照射材料表面，材料表面吸收熱量后導(dǎo)致材料溫度上升，通過熔化表面層材料而形成光滑的表面，起到“削峰填谷”的作用，如果材料表面溫度超過氣化溫度則直接被去除，如圖1a～1d 所示。

圖1 激光拋光示意圖 [17－19]Fig.1 Schematic diagram of the irradiation process in laser polishing[17－19]

激光熱拋光主要有3 種狀態(tài):熔化[表面淺熔(SSM，Surface Shallow Melting)和表面過熔(SOM，Surface Over Melting)][20－23]、燒蝕和過渡[24]。 激光束停留時(shí)間短，表面淺熔化，在材料的重力、熔池熔體的浮升力、表面張力以及其他形式力的作用下，材料的熔融部分從上到下填充谷部，形成一個(gè)光滑的表面，如圖1a所示。 對(duì)于表面過熔，由于過量的激光能量施加于工件表面，高溫超過了材料的熔化溫度，但沒有達(dá)到氣化溫度，所以材料表面的材料只是被熔化和重新進(jìn)行分配，從而形成新的不均勻表面，如圖1b 所示。 在燒蝕狀態(tài)下，激光拋光的能量密度足以使溫度立即達(dá)到材料的氣化溫度，并直接去除一層薄薄的材料，如圖1c所示。 過渡狀態(tài)則是介于熔化狀態(tài)和燒蝕狀態(tài)之間，包括材料的再分配和去除。

常用的激光類型有連續(xù)激光和脈沖激光。 連續(xù)激光主要用于宏觀拋光(Laser macro-polishing)，通常針對(duì)的是原始粗糙度Ra＝2 ～6 μm 的表面。 脈沖激光拋光主要用于表面微觀拋光(Laser micro-polishing)[17]，如圖1d 所示，通常用于原始粗糙度為Ra＝0.2～1.0 μm的表面。

1.2 激光冷拋光機(jī)理

冷拋光主要采用的是短脈沖或短波長(zhǎng)激光。 冷拋光的作用原理主要是光化學(xué)分解作用，即“單光子吸收”和“多光子吸收”。 當(dāng)材料表面吸收光子之后，將工件表層材料的化學(xué)鍵和晶格結(jié)構(gòu)打破，從而使材料離開基體來實(shí)現(xiàn)拋光的目的。

冷拋光過程中，由于材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)可以忽略，故熱應(yīng)力很小，激光拋光的材料表面幾乎不會(huì)出現(xiàn)微裂紋，拋光厚度通過激光工藝參數(shù)進(jìn)行控制。 上述特性使激光冷拋光在微細(xì)拋光、超硬材料、脆性材料和高分子材料拋光等方面具有無法比擬的優(yōu)越性[25]。

2 激光拋光熱源模型研究進(jìn)展

目前大多數(shù)激光拋光數(shù)值模擬采用的是高斯熱源模型[26]，隨著激光光源技術(shù)的發(fā)展，其他光束能量分布模型也逐漸得到應(yīng)用[27，28]。 激光熱能強(qiáng)度分布如圖2所示，其熱能分布計(jì)算公式[式(1)～(6)]分別對(duì)應(yīng)于高斯分布、頂帽分布、貝塞爾分布、環(huán)形均勻分布、環(huán)形高斯分布和激光脈沖能量分布。 常見熱源能量分布、特點(diǎn)和應(yīng)用總結(jié)如表1 所示。

表1 熱源能量分布、特點(diǎn)及應(yīng)用Table 1 Energy distribution， characteristics and application of heat source

圖2 激光熱源強(qiáng)度分布[27]Fig.2 2D and 3D intensity distributions[27]

式中:Qr為激光作用在材料表面的熱量分布，P為激光功率，R為光斑半徑，r為距光斑中心的距離，η為材料表面對(duì)激光吸收率，r’ 和θ為極坐標(biāo)，z為光束傳播方向的坐標(biāo)，kz和kr分別為縱向和橫向波量，I0為圓環(huán)光束內(nèi)峰值功率，rc為峰值功率的位置，ω為束腰半徑。

式中:S(x，t) 為高斯激光脈沖照射下的能量分布，x為距材料表面的深度，δ為吸收深度，J為激光能量密度，tp為激光脈沖寬度，R為材料對(duì)激光的反射率[28]。

除了激光光束直接照射金屬表面外，在激光加工中出現(xiàn)了激光誘導(dǎo)等離子體(LIP，Laser-induced Plasma)技術(shù)，如圖3 所示。 研究表明[33－37]，激光功率密度超過材料光學(xué)擊穿閾值，誘導(dǎo)的等離子體用于局部材料的去除，從而實(shí)現(xiàn)低表面粗糙度、低缺陷密度。

圖3 激光誘導(dǎo)空氣中產(chǎn)生的等離子體[37]Fig.3 Laser-induced plasma in the air[37]

3 金屬材料激光拋光數(shù)值模擬研究進(jìn)展

2004 年，Mai 等[38]采用Nd:YAG 脈沖激光對(duì)304不銹鋼拋光進(jìn)行研究，分析了激光輸出功率、離焦位置、脈沖等工藝參數(shù)對(duì)材料表面形貌、反射率、硬度和耐腐蝕性的影響。 采用一維有限差分法熱傳導(dǎo)模型模擬了快速熔化和凝固過程，這種方法解決了固/液運(yùn)動(dòng)邊界的非線性問題。 Perry 等[39，40]建立一維有限元模型，并引入一維臨界頻率fcr，結(jié)果表明，當(dāng)拋光表面的空間頻率幅值大于臨界頻率fcr時(shí)，表面的平均粗糙度明顯降低，其結(jié)果如圖4 所示。

圖4 模型預(yù)測(cè)結(jié)果[40]Fig.4 Model prediction results[40]

Ma 等[41]建立了激光拋光熱毛細(xì)狀態(tài)下的二維瞬態(tài)軸對(duì)稱模型，將傳熱和流體流動(dòng)相耦合，其熔池流動(dòng)示意圖如圖5 所示，將熱毛細(xì)力引起的表面變形以歸一化的峰谷高度(Peak-to-Valley Height，PVH)來表征，計(jì)算了熔池溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)瞬態(tài)解，同時(shí)考慮了激光拋光過程中的表面熔化和凝固過程，結(jié)果表明馬蘭戈尼對(duì)流的強(qiáng)度隨脈沖持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，但是沒有確定毛細(xì)力和熱毛細(xì)力對(duì)拋光過程的貢獻(xiàn)。

圖5 熔池流動(dòng)示意圖 [41]Fig.5 Schematics of melt pool flow[41]

Vadali 等[42]開發(fā)了一個(gè)毛細(xì)管狀態(tài)脈沖激光微拋光的表面預(yù)測(cè)模型，并成功地將臨界空間頻率的概念擴(kuò)展到二維空間頻率分析，在給定原始表面特征、材料特性和激光參數(shù)的情況下，可以預(yù)測(cè)拋光后的空間頻率(波長(zhǎng))和表面粗糙度。 通過建立瞬態(tài)二維軸對(duì)稱傳熱模型，求解了熔深和持續(xù)時(shí)間。 熔池的表面為靜止毛細(xì)波與表面張力和粘度力引起的毛細(xì)波的震蕩產(chǎn)生的，然而空間頻率法僅適用于毛細(xì)狀態(tài)，因此限制了該方法的應(yīng)用范圍。

Wang 等[43]建立了熱毛細(xì)力脈沖激光微拋光的表面預(yù)測(cè)模型，通過對(duì)空間頻率進(jìn)行傅里葉變換，由此獲得過濾后的表面高度數(shù)據(jù)，再利用引入特征斜率(IFS，Introduced Feature Slope)和歸一化平均位移(NAD，Normalized Average Displacement)創(chuàng)建具有熱毛細(xì)力流動(dòng)特征的表面形貌，最終預(yù)測(cè)拋光表面粗糙度的空間頻譜，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此模型可以為毛細(xì)力和熱毛細(xì)力平滑提供準(zhǔn)確的表面粗糙度和空間頻率預(yù)測(cè)結(jié)果。 但是，這種基于半經(jīng)驗(yàn)的表面拋光預(yù)測(cè)模型無法展現(xiàn)從粗糙表面到光滑表面的動(dòng)態(tài)演化的過程。

Sim 等[44]建立了激光熔化過程中的軸對(duì)稱熱毛細(xì)對(duì)流的數(shù)值模型，通過求解耦合的物質(zhì)輸送方程和邊界條件，得到了在熔池邊緣有固定接觸點(diǎn)的動(dòng)態(tài)自由表面。 由于穩(wěn)態(tài)下的流體從中心流出，故自由表面在中心凹陷，而熔池邊緣附近凸出，如圖6 所示。 但模型中沒有考慮到熔池的冷卻凝固的過程，因此無法確定最終表面外觀的幾何形貌。

圖6 瞬態(tài)表面變形[44]Fig.6 Transient surface deformations[44]

Zhang 等[26]建立了一個(gè)將傳熱和流體流動(dòng)耦合的二維數(shù)值模型來研究毛細(xì)力和熱毛細(xì)力在激光拋光過程中的作用，研究表明在激光熔化初期，毛細(xì)力占主導(dǎo)地位，主要消除法向的表面大曲率形貌。 當(dāng)熔池繼續(xù)擴(kuò)展時(shí)，熱毛細(xì)力占主導(dǎo)地位，主要使得熔融金屬沿熔池表面切向進(jìn)行重新分布，提高表面拋光的質(zhì)量，如圖7 所示，但該模型沒有考慮高溫氣化因素的影響。

圖7 毛細(xì)力和熱毛細(xì)力作用下激光拋光表面形貌演變過程(箭頭表示速度矢量)Fig.7 Surface evolution in capillary regime and thermocapillary regime (Arrow:velocity vector)

張偉康等[45]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，建立了激光拋光的瞬態(tài)二維模型，使用連續(xù)光纖激光的高斯光源對(duì)H13 模具鋼表面進(jìn)行拋光過程的模擬，研究結(jié)果表明，隨著激光拋光功率的增加、拋光掃描速度降低，在材料表面產(chǎn)生較大的熱量積累，延長(zhǎng)了熔池熔融時(shí)間， 使得熔池表面粗糙度在表面張力的作用下得到平滑；同時(shí)較大的表面熱量輸入不僅不會(huì)減小表面粗糙度，反而會(huì)引起較大的表面震蕩，從而提高了表面粗糙程度。 相反地，較小的激光功率或過大的速度會(huì)導(dǎo)致表面熱量輸入不足，使熔池自由表面沒有足夠的時(shí)間流動(dòng)，也會(huì)減弱表面平滑效果，如圖8 所示。

圖8 H13 模具鋼拋光前后的表面輪廓和頻譜[45]Fig.8 Unpolished and polished surface profiles and frequency spectra of H13 tool steel[45]

Zhou 等[46]為了研究激光拋光對(duì)S316D 模具鋼表面形貌的影響，采用正交實(shí)驗(yàn)考察了表面粗糙度隨能量密度的變化過程，將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，建立了激光拋光的二維瞬態(tài)模型，模擬了激光拋光過程中材料自由表面形貌的演變過程，但在模型中沒有考慮表面活性元素對(duì)熔池中馬蘭戈尼流動(dòng)的影響。 Shao等[47]基于傳熱分析建立了金屬表面激光拋光的簡(jiǎn)化模型，用于初步預(yù)測(cè)合適的工藝參數(shù)以便對(duì)具有已知幾何形狀的金屬進(jìn)行拋光。 經(jīng)過對(duì)金屬材料鐵、鋁、鈦和304 不銹鋼的拋光效果比較，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致符合。 該模型僅對(duì)脈沖激光進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但對(duì)連續(xù)激光拋光未進(jìn)行驗(yàn)證。

Li 等[48]用連續(xù)(CW，Continuous Wave)光纖激光器在頂帽分布熱源下對(duì)Ti6Al4V 進(jìn)行拋光，建立了二維軸對(duì)稱數(shù)值瞬態(tài)模型，模擬了Ti6Al4V 表面經(jīng)激光加熱形成的熔池與凝固過程，揭示了拋光過程中所涉及的熱傳遞、熱輻射、熱對(duì)流、熔化、凝固等物理過程的演化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)特別是毛細(xì)力和熱毛細(xì)力狀態(tài)在平滑熔池的自由形態(tài)表面中起著關(guān)鍵作用。

此外，當(dāng)材料中存在S、Se、P、O 等表面活性元素時(shí)，就會(huì)使得材料的表面張力溫度系數(shù)由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，從而改變了熔體的流動(dòng)方向，由于有活性元素的存在，則激光拋光在降低金屬表面粗糙度的同時(shí)，可能會(huì)在拋光表面引入新的凸起結(jié)構(gòu)，影響激光拋光的效果。 Yadav 等[49]在模型中考慮了表面活性元素對(duì)馬蘭戈尼流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)和熔池的形狀取決于表面活性元素濃度的影響。 Xu 等[24，50，51]考慮活性元素的數(shù)值模擬模型，改進(jìn)了表面張力和熱毛細(xì)力的計(jì)算(圖9)。 利用所建立的數(shù)值模型，從表面張力、流體流動(dòng)、體積膨脹和表面輪廓演化等方面探討了表面結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，解釋了表面結(jié)構(gòu)由“W”形轉(zhuǎn)變?yōu)椤癆”形的原因(圖10)，并研究了毛細(xì)力、熱毛細(xì)力和體積膨脹對(duì)表面結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。

圖9 活性元素與表面張力溫度系數(shù)的關(guān)系 [24]Fig.9 Relationship between the active elements and the surface tension temperature coefficient[24]

圖10 表面結(jié)構(gòu)演化示意圖[51]Fig.10 Schematic diagram of surface structure evolution[51]

Temmler 等[52]建立了考慮材料燒蝕現(xiàn)象的激光拋光模型，該模型的模擬結(jié)果表明，表面結(jié)構(gòu)形成原因是熔池體積的變化和局部氣化引起的反沖壓力。 對(duì)制備的Inconel718 樣品進(jìn)行單道拋光實(shí)驗(yàn)，數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。

在燒蝕和過渡過程方面，Xu 等[53]、徐輯林等[54]提出了一個(gè)連續(xù)激光拋光熔融和過渡狀態(tài)的數(shù)值模型，即結(jié)合傳熱、流體流動(dòng)和材料氣化，從表面力(毛細(xì)力、熱毛細(xì)力和反沖壓力)、流體速度和材料去除等方面揭示了表面形貌的演化機(jī)理。

在激光拋光過程中，激光束通常垂直于工件表面，然而，在某些情況下，需要將光束傾斜，以避免被反射的光束損壞光學(xué)元件，Evdokimov 等[55]開發(fā)了傾斜激光熱處理的模型，如圖11 所示[α為光束入射角，h為焦平面的距離，θ為散度半角，w0為束腰半徑，w(z)為光的強(qiáng)度下降到其軸上值的1/e2時(shí)的半徑，rL和rT分別為橢圓的長(zhǎng)半軸和短半軸]。 光束傾斜角導(dǎo)致材料表面激光光斑尺寸的變化，傾角越大，輻射面積越大，激光強(qiáng)度降低。 通過建立熱源模型，計(jì)算工件表面強(qiáng)度分布作為光束參數(shù)和工藝參數(shù)(激光功率、入射角和焦平面距離)的函數(shù)，通過模擬4 種不同的激光硬化形態(tài)，驗(yàn)證了熱源模型的適用性。 Zhang 等[56]采用雙光束耦合納秒激光對(duì)S136 模具鋼進(jìn)行了拋光研究，分析了掃描速度、光斑重疊率對(duì)表面質(zhì)量的影響，結(jié)果表明采用雙光束耦合納秒激光拋光技術(shù)可以提高材料的表面質(zhì)量。

圖11 激光束與表面的相互作用[55]Fig.11 Interaction of a laser beam and a surface[55]

Xie 等[57]建立了傳熱、流場(chǎng)流動(dòng)、表面張力和自由表面運(yùn)動(dòng)組成的激光熔化二維模型。 對(duì)激光熔化過程進(jìn)行了多物理場(chǎng)模擬，模擬結(jié)果表明穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)可以抑制熔池的流速，熔池凝固的表面波紋高度會(huì)隨著磁通密度的增加而降低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。 雖然熔池的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，但是感應(yīng)電流比較小，要提高感應(yīng)電流的數(shù)值勢(shì)必要增大穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的磁通量，這在實(shí)踐應(yīng)用中將會(huì)受到限制。 為了降低表面波紋高度，可用電磁復(fù)合場(chǎng)輔助激光拋光。

目前，增材制造的金屬零件的某些力學(xué)性能比傳統(tǒng)零件更加優(yōu)異，增材制造的最后一個(gè)步驟涉及部件的后處理，特別是拋光加工。 激光拋光模擬作為一種手段，在增材制造中也得到了應(yīng)用。

在提高表面光潔度方面，Marimuthu 等[58]對(duì)SLM(Selective Laser Melted)零件的激光拋光進(jìn)行了研究，并建立了數(shù)值模型用來理解熔池動(dòng)力學(xué)，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了更寬的激光拋光軌道寬度和良好的表面光潔度，并討論了SLM 在激光拋光過程中表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制策略。 Solheid 等[59]基于實(shí)驗(yàn)對(duì)增材制造的Ti6Al4V 零部件拋光進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化的研究，該方法確定了給定輸入?yún)?shù)(激光功率、焦偏移、軸向進(jìn)給率、重復(fù)次數(shù)和掃描速度)的可接受值范圍，從而產(chǎn)生令人滿意的表面粗糙度和熱影響區(qū)深度。 對(duì)于表面光潔度的提高，人工智能和大數(shù)據(jù)算法的引入將會(huì)提高數(shù)據(jù)優(yōu)化的效率。

在對(duì)增材制造表面改性方面，Wang 等[60]研究了磁場(chǎng)輔助的金屬零件激光拋光，與傳統(tǒng)激光拋光相比，其表面粗糙度降低98%以上，結(jié)合激光-磁場(chǎng)-金屬相互作用的多物理場(chǎng)模型，闡明了表面增強(qiáng)的機(jī)制。 該研究將磁場(chǎng)引入增材制造零件激光拋光，為全面研究材料表面形態(tài)、駝峰/谷機(jī)制、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能提供了思路。

綜上，激光拋光金屬時(shí)，影響最后拋光效果的工藝參數(shù)有很多，涉及激光拋光機(jī)制、表面材料成分的組成、激光特性、工藝參數(shù)和加工環(huán)境。 其中影響較大的有激光功率、激光掃描速度、激光光束直徑、激光焦距、材料的初始表面粗糙度等工藝參數(shù)，這些參數(shù)具有一個(gè)最佳數(shù)值，低于或高于這個(gè)值都會(huì)對(duì)拋光效果造成負(fù)面影響，因此需要調(diào)控合適的工藝參數(shù)以達(dá)到最好的拋光效果。 而建立對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型能夠提前預(yù)測(cè)最佳的工藝參數(shù)，這是激光拋光研究中優(yōu)化工藝參數(shù)的一個(gè)行之有效的方法。

4 非金屬材料表面的激光拋光數(shù)值模擬研究進(jìn)展

對(duì)非金屬的激光拋光主要用于硬脆材料的加工，如光學(xué)玻璃、硅晶體、陶瓷、藍(lán)寶石、金剛石等。 由于硬脆材料具有耐磨性、硬度高、耐高溫等特點(diǎn)，往往用于制作儀器系統(tǒng)的重要部件。 傳統(tǒng)的拋光方式(如機(jī)械拋光、化學(xué)拋光等)在加工硬脆材料時(shí)會(huì)不可避免地在材料表面產(chǎn)生深淺不一的劃痕，極容易使材料出現(xiàn)次表面裂紋或邊緣破碎的情況[61]。 硬脆材料的激光拋光一般采用脈沖激光或準(zhǔn)分子激光，這些激光的特點(diǎn)是脈沖寬度很窄，材料吸收率大，產(chǎn)生的熱影響區(qū)很小，拋光區(qū)域深層或周圍材料的物理性質(zhì)變化可以忽略不計(jì)，材料去除易于控制。 激光參數(shù)對(duì)拋光的影響如圖12 所示，長(zhǎng)脈沖的光熱拋光和超短脈沖光冷拋光的特點(diǎn)如圖13 所示[62]。

圖12 激光拋光機(jī)理及激光拋光效果的影響Fig.12 Laser polishing mechanism and the influence of laser polishing effect

圖13 長(zhǎng)脈沖激光與超快脈沖激光處理材料對(duì)比[62]Fig.13 Comparison of long-pulse lasers and ultrafast pulsed laser etching material[62]

2019 年，Zhao 等[63]通過數(shù)值模擬揭示了熔融石英表面的拋光機(jī)理，如圖14 所示。 該數(shù)值模型計(jì)算出的拋光深度和表面形貌與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，但對(duì)于激光拋光存在的缺陷沒有做出解釋。

圖14 CO2激光處理熔融石英光學(xué)器件的多物理過程[63]Fig.14 Multiphysics process of CO2 laser processing of fused silica optics[63]

呂可鑫等[64]建立了超快激光拋光超硬光學(xué)材料的拋光計(jì)算模型，利用該模型計(jì)算超快激光在不同入射角與前進(jìn)步長(zhǎng)下對(duì)材料表面的拋光結(jié)果，如圖15 所示，可為選擇合適的激光拋光工藝參數(shù)方法提供理論指導(dǎo)。

賀婷等[65]對(duì)石英進(jìn)行了局部高精度激光燒蝕試驗(yàn)，并基于有限元法建立了CO2脈沖激光掃描的三維熱傳導(dǎo)數(shù)值模型，分析了激光重復(fù)頻率和光斑重疊率對(duì)石英玻璃表面溫度分布的影響，但未對(duì)因溫度場(chǎng)的變化引起的裂紋進(jìn)行討論。

Wang 等[66]研究了光強(qiáng)為平頂和高斯分布的CO2激光對(duì)熔融石英表面的平滑效果(圖16 所示)。 發(fā)現(xiàn)2 種光強(qiáng)分布的激光均可以將表面微粗糙度為500 nm(RMS)的平面拋光至小于0.5 nm，而且較低的功率密度與較慢的掃描速度相結(jié)合有利于提高表面質(zhì)量。 其建立的數(shù)值模型仿真則表明拋光過程中隨溫度的升高，熔融石英的黏度不斷降低，進(jìn)而改善了表面質(zhì)量。

圖16 表面溫度與粗糙度隨相互作用時(shí)間的變化關(guān)系(CO2激光密度0.60～1.00 kW/cm2)[66]Fig.16 Relationship between surface temperature and roughness over interaction time(The power density of CO2 laser is from 0.60～1.00 kW/cm2)[66]

Xu 等[67]基于激光熱傳導(dǎo)理論，進(jìn)行了Nd:YAG 脈沖激光拋光CVD 自支撐金剛石膜的數(shù)值分析，建立了激光拋光金剛石的有限元模型，發(fā)現(xiàn)大的入射角度、中等的激光脈沖能量、大的重復(fù)率和中等的激光脈沖寬度可以獲得較好的金剛石膜拋光質(zhì)量。

為實(shí)現(xiàn)典型硬脆材料藍(lán)寶石的高質(zhì)高效加工，王懋露等[68]結(jié)合納秒、飛秒激光的優(yōu)點(diǎn)，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)詳解的方法對(duì)雙激光作用下的能量耦合過程與蝕除機(jī)制進(jìn)行研究，建立了數(shù)學(xué)模型，有利于理解納飛秒雙束激光加工藍(lán)寶石的機(jī)理，對(duì)于實(shí)現(xiàn)硬脆材料的加工具有重要意義。

以上學(xué)者從激光拋光機(jī)制、激光工藝參數(shù)和加工環(huán)境等方面，對(duì)硬脆材料的拋光提出了自己的研究解決方法，并對(duì)多種情況進(jìn)行了建模，這些有助于理解硬脆材料的拋光機(jī)理。 然而即使使用飛秒激光進(jìn)行激光加工，也不可避免地在材料加工區(qū)域造成熱損傷、重鑄層和微裂紋，這些問題將嚴(yán)重影響微/納表面結(jié)構(gòu)在各種微系統(tǒng)中的應(yīng)用[69，70]。 為解決這些問題有學(xué)者提出采用激光誘導(dǎo)等離子體對(duì)材料表面進(jìn)行加工。

在激光誘導(dǎo)等離子體方面，Hossain 等[37]研究了飛秒激光脈沖下LIP 的動(dòng)力學(xué)和二維溫度分布，為控制和優(yōu)化激光誘導(dǎo)等離子體的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。Tang 等[71]對(duì)單晶硅表面進(jìn)行磁場(chǎng)調(diào)控激光誘導(dǎo)的等離子體實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如圖17 所示。 采用該種方法大大提高了單晶硅重鑄層和熱缺陷方面的表面質(zhì)量，通過磁場(chǎng)作用下的洛倫茲力對(duì)帶電粒子運(yùn)動(dòng)以及粒子間電磁相互作用的影響，可以對(duì)激光誘導(dǎo)等離子體進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)更好的加工能力，得到包括更大的深徑比、更小的熱影響區(qū)和更多樣的微結(jié)構(gòu)，這也是半導(dǎo)體精密加工的一種途徑。

圖17 3 種不同加工方法下的表面形貌比較[72]Fig.17 Comparison of surface morphology under three different processing methods[72]

綜上所述，非金屬材料表面的拋光質(zhì)量影響因素是多方面的，學(xué)者們從激光特性、材料的熱物性參數(shù)、激光工藝參數(shù)和環(huán)境入手，對(duì)溫度場(chǎng)、流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，明確了各因素的相互關(guān)系，揭示了激光與物質(zhì)作用的機(jī)理，這對(duì)于獲得高質(zhì)量的激光拋光表面具有重要的作用。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

激光拋光克服了傳統(tǒng)表面拋光技術(shù)中存在的問題，激光拋光幾乎適用于所有金屬，并且也可用于陶瓷、玻璃等非金屬材料的拋光。

激光拋光數(shù)值模擬在激光拋光機(jī)理研究中起著非常重要的作用，數(shù)值模擬是對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的重要補(bǔ)充，通過提供基本的理論模型來進(jìn)行數(shù)值模擬，用數(shù)值模擬的結(jié)果來指導(dǎo)理論發(fā)展，甚至在某些情況下可代替實(shí)驗(yàn)。

(1)激光拋光數(shù)值模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔化寬度、深度和表面粗糙度的模擬，所建立的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，并且表現(xiàn)出了良好的預(yù)測(cè)能力。

(2)激光拋光數(shù)值模擬可以加強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用的理解，有助于解釋激光拋光機(jī)理，如材料中的活性元素對(duì)拋光質(zhì)量的影響、馬蘭戈尼力對(duì)熔池溶體的作用，數(shù)值模擬技術(shù)則易于對(duì)激光拋光工藝參數(shù)調(diào)整與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，這與實(shí)驗(yàn)相比，可以節(jié)省大量的時(shí)間和費(fèi)用。

(3)激光拋光數(shù)值模擬在硬脆材料的加工方面有著優(yōu)勢(shì)，通過建立數(shù)值模型來計(jì)算選擇工藝參數(shù)(脈寬、頻率、波長(zhǎng)、光強(qiáng)分布等)，在加工金剛石、石英玻璃、陶瓷等材料方面具有廣闊的理論研究和工程應(yīng)用前景。

(4)激光拋光數(shù)值模擬不論用多么真實(shí)的假設(shè)，都是基于某個(gè)理論框架或者假設(shè)，都不是真正的現(xiàn)實(shí)，不能完全代替實(shí)驗(yàn)的作用。

(5)激光拋光數(shù)值模擬計(jì)算的是近似解，其精度與算法、模型的簡(jiǎn)化因素、邊界條件的設(shè)置相關(guān)，得到的結(jié)果只是在特定條件下的具體解，沒有普適性。

5.2 展 望

激光拋光數(shù)值模擬有很多優(yōu)點(diǎn)，雖然激光拋光模擬研究取得了一些進(jìn)展，但未來還可以從以下幾個(gè)方面開展相關(guān)研究工作:

(1)完善材料物性數(shù)據(jù)庫(kù) 現(xiàn)階段研究的激光拋光數(shù)值模型，同一種材料在不同的文獻(xiàn)里，材料物性參數(shù)不同。 采用同樣物性參數(shù)在不同的模型下甚至得出了相反的結(jié)論，后續(xù)應(yīng)完善激光與材料相互作用的理論體系，通過實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的手段構(gòu)建激光拋光數(shù)值模擬用的材料物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2)完善激光拋光數(shù)值模擬研究體系 目前激光拋光數(shù)值模擬研究主要在表面粗糙度、溫度場(chǎng)、熔深、熱影響區(qū)、熔池寬度等幾何形貌方面進(jìn)行了研究，而對(duì)激光拋光的組織、殘余應(yīng)力分布等力學(xué)性能研究較少，后續(xù)應(yīng)在“激光拋光工藝參數(shù)、幾何形貌、熔池組織、顯微組織與性能”之間建立內(nèi)在聯(lián)系，完善激光拋光數(shù)值模擬研究體系。

(3)復(fù)合場(chǎng)輔助激光拋光數(shù)值模擬研究 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，外部能場(chǎng)逐漸被引入到激光制造中，在激光制造過程中，同時(shí)添加外部物理場(chǎng)，如磁場(chǎng)、電磁復(fù)合場(chǎng)、超聲波等，可起到調(diào)節(jié)熔池的傳熱傳質(zhì)行為、影響材料的凝固過程的作用，達(dá)到改善材料性能的目的，這將是激光拋光數(shù)值模擬的下一個(gè)研究熱點(diǎn)。

(4)激光拋光誘發(fā)等離子體的數(shù)值模擬 在對(duì)材料進(jìn)行拋光過程中，激光能量密度增大會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體，而目前激光誘導(dǎo)等離子體的研究尚處于初期階段，很多機(jī)理也沒有深入研究。 激光誘導(dǎo)等離子體拋光數(shù)值模擬也是未來發(fā)展的一個(gè)方向。

(5)拓展激光拋光工藝應(yīng)用范圍 通過激光拋光數(shù)值模擬，改變激光特性、激光工藝參數(shù)和環(huán)境氣氛等來解決激光拋光存在的問題與不足，如表面重熔層、微裂紋、表面氧化氮化污染等。