王 超,周后明,趙振宇,曾俊勇,3,周展望

(1.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 湘潭 411105;2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中德機(jī)器人學(xué)院,廣東 深圳 518029;3.深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院,廣東 深圳 518060)

氧化鋁陶瓷憑借其高溫下具備的高硬、脆、耐腐蝕等特性,廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天、汽車、國(guó)防工業(yè)[1-2],然而,由于氧化鋁陶瓷零件大多采用傳統(tǒng)燒結(jié)工藝和3D打印制備,導(dǎo)致零件表面較粗糙,嚴(yán)重阻礙了氧化鋁陶瓷在工業(yè)中的應(yīng)用和性能的提高,因此,降低氧化鋁表面粗糙度,提高表面質(zhì)量是當(dāng)今學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

激光加工在穩(wěn)定性、選擇性、環(huán)保性、非直接接觸等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工、化學(xué)加工和電解加工方法[3-4]。大量學(xué)者的研究表明,激光加工能夠降低材料的表面粗糙度[5-8]。在激光加工過(guò)程中,由于激光與材料作用時(shí)間快且激光強(qiáng)度大,實(shí)驗(yàn)中很難觀測(cè)到加工過(guò)程中材料表面形貌的演變,許多學(xué)者選擇通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)金屬加工機(jī)理、熔池動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究[9-11]。然而,陶瓷激光加工領(lǐng)域的數(shù)值模擬,目前還主要是集中在溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分析。Li等[12]研究了陶瓷材料激光熔化建模中熱源的影響,研究表明,體積熱源比表面熱源能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熔池的深度、寬度和截面積。Zhao等[13]利用COMSOL對(duì)激光燒蝕氧化鋁陶瓷進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了熱應(yīng)力的產(chǎn)生及裂紋擴(kuò)展路徑。華顯剛等[14]利用ANSYS模擬激光加工氧化鋁陶瓷,并對(duì)加工過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,激光輻射區(qū)域表面在極短時(shí)間達(dá)到熔點(diǎn)甚至沸點(diǎn),熱影響區(qū)域約為2.5 μm。

綜上研究可以發(fā)現(xiàn),目前針對(duì)陶瓷材料激光加工的數(shù)值模擬尚缺乏對(duì)表面形貌演變過(guò)程的深入研究,建立適合陶瓷材料激光加工表面形貌演變過(guò)程的模型,將有利于更加直觀地顯示出實(shí)驗(yàn)中無(wú)法觀測(cè)的形貌演變過(guò)程,為實(shí)驗(yàn)加工提供理論指導(dǎo)。本文基于固定激光熱源,通過(guò)有限元法建立了一個(gè)耦合傳熱和層流的二維軸對(duì)稱模型,研究了單脈沖激光、多脈沖激光作用于氧化陶瓷表面形貌的演變過(guò)程及激光工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 模型假設(shè)

在實(shí)際激光加工過(guò)程中,由于激光是通過(guò)一個(gè)接一個(gè)的激光點(diǎn)作用在材料表面進(jìn)行加熱,因此,可以通過(guò)模擬激光點(diǎn)作用在材料表面來(lái)描述激光作用于材料表面形貌的演變過(guò)程。為了研究激光作用氧化鋁陶瓷表面形貌演變過(guò)程及激光參數(shù)對(duì)粗糙度的影響,本文建立了二維瞬態(tài)軸對(duì)稱數(shù)值模型,并對(duì)模型做出以下假設(shè)。

1)加工過(guò)程中熔池內(nèi)部流動(dòng)被稱為不可壓縮的牛頓層流。

2)材料分布滿足各向同性、連續(xù)性,且材料屬性參數(shù)只與溫度有關(guān)。

3)忽略等離子體對(duì)流體的影響。

4)忽略加工過(guò)程中入射角變化對(duì)加工的影響。

5)忽略加工過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

1.2 材料屬性

模型采用的材料為99%Al2O3,在激光加工過(guò)程中,由于材料發(fā)生相變,而相變期間吸收或者釋放的熱量直接影響表面溫度、反沖壓力、熔池大小和流體速度的大小,因此,模型中應(yīng)包含溫度相關(guān)特性,如密度和熱導(dǎo)率。圖1為密度和熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線,表1總結(jié)了氧化鋁陶瓷的其他材料特性和激光加工參數(shù)。

表1 氧化鋁陶瓷材料特性及激光加工參數(shù)[16-20]

圖1 密度(a)和熱導(dǎo)率(b)隨溫度的變化圖[15]

1.3 控制方程

本模型基于COMSOL進(jìn)行模擬,其中加工過(guò)程中傳熱和層流的控制方程主要由能量、質(zhì)量和動(dòng)量守恒組成[21],分別表示為:

(1)

(2)

ρrefg[1-β(T-Tm)]+

(3)

(4)

式中:Cp-s為固態(tài)氧化鋁比熱容;Lm為氧化鋁固相轉(zhuǎn)化為液相的熔化潛熱 ;fL為熔池中液相體積分?jǐn)?shù),其表達(dá)式為

(5)

式中:Ts、T1分別為氧化鋁的固相、液相線溫度。

為了模擬氧化鋁陶瓷表面形貌演變過(guò)程,采用動(dòng)網(wǎng)格描述流體內(nèi)部流動(dòng),同時(shí)在計(jì)算時(shí)采用拉普拉斯平滑,從而提高數(shù)值模型的收斂性,網(wǎng)格的控制方程[21]為

(6)

式中:umesh為動(dòng)網(wǎng)格速度;umat為由方程計(jì)算的材料速度。

1.4 邊界條件

為了保證模擬中表面初始輪廓與實(shí)際材料表面初始輪廓相符合,采用白光干涉儀測(cè)量初始表面輪廓,再通過(guò)傅里葉過(guò)濾表面高頻噪點(diǎn),避免直接導(dǎo)入模型造成計(jì)算不收斂。然后,再將處理后的表面輪廓導(dǎo)入模型,考慮到激光加工過(guò)程中材料只在淺表層熔化,建立了二維軸對(duì)稱模型,其中模型的長(zhǎng)寬為200 μm×80 μm,模擬時(shí)僅有半個(gè)激光輻射在材料表面。模型中各邊界條件如圖2所示,其中邊界2是對(duì)稱軸,邊界1、4存在表面對(duì)環(huán)境輻射,邊界熱源加載在邊界1上,邊界條件含義及控制方程如表2所示。

表2 邊界條件

圖2 計(jì)算域模型示意圖

為了簡(jiǎn)化模型,激光熱源采用平頂熱源,熱源控制方程為

(7)

式中:α為激光吸收率;Ppk為激光峰值功率,可表示為

(8)

β1為用于模擬脈沖激光的方波函數(shù),可表示為

(9)

考慮到模型中材料蒸發(fā)主要產(chǎn)生反沖壓力和材料去除兩個(gè)影響,其中反沖壓力Pr表示為

(10)

式中:Tf為發(fā)生蒸發(fā)時(shí)表面溫度;βr為逆向擴(kuò)散系數(shù);Psat為飽和蒸汽壓,可表示為[9]

(11)

式中:Patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;ΔHv為單個(gè)原子汽化的相變焓;kB為波爾茲曼常數(shù)。

模型中材料去除通過(guò)汽化熱通量損失Qevap表示為

(12)

式中:m為單個(gè)原子的質(zhì)量;Lv為蒸發(fā)潛熱。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 單脈沖激光作用下材料表面形貌演變過(guò)程

為了模擬單個(gè)脈沖激光作用于氧化鋁陶瓷表面形貌演變過(guò)程,光斑中心作用在r=0 μm處,其中脈沖寬度0.2 ms,功率為52 W,激光聚焦后的光斑直徑為0.314 mm,氧化鋁陶瓷材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。為了模擬出脈沖激光加熱的效果,在激光熱源處加載方波函數(shù),該方波函數(shù)持續(xù)加熱時(shí)間為0.2 ms,冷卻時(shí)間0.3 ms。圖3(a)給出了激光功率52 W不同時(shí)刻材料表面的溫度變化,可以看出:0～0.2 ms表面溫度逐漸上升,最大表面溫度達(dá)3 110 K,隨后進(jìn)入冷卻階段;0.5 ms時(shí)表面最大溫度降低至1 905 K。圖3(b)為0～0.5 ms材料表面流體速度的變化圖,由于本模型設(shè)置固體動(dòng)力粘度為105Pa·s,液體動(dòng)力粘度為0.03 Pa·s,因此,當(dāng)溫度低于熔化溫度,輻射區(qū)域流體速度被限制為0,隨著輻射時(shí)間的增加,流體突破動(dòng)力粘度的限制,其最大速度達(dá)0.14 m/s,在冷卻階段，隨著溫度的降低，輻射區(qū)域流體速度逐漸下降，直到材料重新凝固，流體速度被限制為0 m/s。

圖3 0～0.5 ms材料表面溫度及熔池內(nèi)流體速度大小分布:(a)表面溫度分布圖;(b)熔池內(nèi)流體速度大小分布圖

使用表面輪廓曲率來(lái)衡量加工后材料表面的平滑程度,理論上來(lái)說(shuō),曲率越趨于零,平滑效果越好。圖4(a)是0～0.5 ms材料表面輪廓曲率變化圖,可以看出,輻射區(qū)域在加熱階段0～0.2 ms,由于熔池中流體在毛細(xì)力和熱毛細(xì)力等驅(qū)動(dòng)力作用下,流體由表面凸起向凹陷區(qū)域流動(dòng),材料表面在一定程度上得到平滑,因此,0～0.2 ms表面輪廓曲率逐漸降低。輻射區(qū)域在冷卻階段0.2～0.5 ms,表面溫度逐漸降低,在0.3 ms時(shí),由圖3(a)可知,表面溫度下降到熔化溫度附近,熔池尺寸逐漸縮小,材料表面輪廓曲率進(jìn)一步減小。此外,可發(fā)現(xiàn)各個(gè)時(shí)刻熔池邊緣材 料表面輪廓曲率突變,這是因?yàn)槿鄢剡吘壊牧系睦鋮s速率高于熔池其他區(qū)域,邊緣處流體材料冷卻后迅速凝固,熔池邊緣流體得不到充分的平滑。圖4(b)給出了0～0.5 ms時(shí)材料表面輪廓高度變化圖。對(duì)比加工前0 ms和加工后0.5 ms時(shí)輻射區(qū)域材料表面輪廓高度變化,可以發(fā)現(xiàn)加工后材料表面輪廓高度差由8 μm下降到3.5 μm,同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)輪廓波峰高度降低而波谷高度增加,因此,單脈沖激光對(duì)材料表面具有顯著的平滑效果。

圖4 0～0.5 ms材料表面輪廓曲率及表面輪廓高度變化:(a)表面輪廓曲率變化圖;(b)表面輪廓高度變化圖

圖5給出了0～0.5 ms材料表面熔池演變過(guò)程,圖中箭頭方向表示流體流動(dòng)方向,箭頭的大小與流速呈正比,其中黑色曲線表示材料熔化溫度等溫線,等溫線以內(nèi)表示材料為液態(tài),反之為固態(tài)。圖6為0～0.5 ms材料表面毛細(xì)力、熱毛細(xì)力、反沖壓力分布,可以看到在0.1 ms,輻射區(qū)域材料形成一個(gè)深度僅為3.5 μm的熔池(圖5(b)),熔池內(nèi)流體由表面凸起向凹陷區(qū)域流動(dòng),結(jié)合圖6(b)可知,熔池中流體的驅(qū)動(dòng)力主要為毛細(xì)力。隨著輻射時(shí)間的增加,在0.2 ms時(shí),熔池深度進(jìn)一步加深至8 μm(圖5(c)),熔池內(nèi)流體流動(dòng)更加劇烈,值得注意的是,在熔池的邊緣區(qū)域(140

圖5 0～0.5 ms材料表面形貌演變過(guò)程

圖6 0～0.5 ms材料表面毛細(xì)力、熱毛細(xì)力、反沖壓力分布

2.2 多脈沖激光作用下材料表面形貌演變過(guò)程

通過(guò)單脈沖激光作用材料表面形貌演變可以發(fā)現(xiàn),在單脈沖加工后材料表面形貌得到一定的平滑,但是輻射后材料表面凸起并未完全消失。在實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)中,材料表面接受單個(gè)或者多個(gè)脈沖輻射,材料表面才能得到完全平滑,因此,在單脈沖加工的基礎(chǔ)上,本文增加一定數(shù)量的脈沖次數(shù)來(lái)研究材料表面形貌演變過(guò)程。圖7(a)為脈沖1～6次峰值溫度曲線,可以看出,隨著脈沖次數(shù)的增加,輻射區(qū)域峰值溫度逐漸增加,0.2～1.7 ms時(shí),表面最大溫度達(dá)3 271 K,材料表面最大溫度一直處于熔化溫度和蒸發(fā)溫度之間,而2.2～2.7 ms時(shí),材料表面最大溫度突破蒸發(fā)溫度,表面最大溫度達(dá)3 288 K,由于蒸發(fā)產(chǎn)生的反沖壓力也將驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng),此時(shí)熔池中的流體將會(huì)受到毛細(xì)力、熱毛細(xì)力、反沖壓力3個(gè)驅(qū)動(dòng)力共同作用。圖7(b)為0.2～2.7 ms熔池中流體速度分布曲線。觀察發(fā)現(xiàn),0.2～1.7 ms時(shí),在熔池中心部位(0

圖7 0.2～2.7 ms材料表面溫度及熔池內(nèi)流體速度大小分布:(a)表面溫度分布圖;(b)熔池內(nèi)流體速度大小分布圖

圖8給出了0.2～2.7 ms材料表面熔池演變過(guò)程，圖9為對(duì)應(yīng)時(shí)刻材料表面毛細(xì)力、熱毛細(xì)力、反沖壓力分布。熔池中心部位(0

圖8 0.2～2.7 ms材料表面形貌演變過(guò)程

圖9 0.2～2.7 ms材料表面毛細(xì)力、熱毛細(xì)力、反沖壓力分布

圖10為0.2～2.7 ms時(shí)刻材料上表面輪廓曲率及輪廓高度變化圖。對(duì)比加工前后表面輪廓曲率,總體來(lái)說(shuō),脈沖激光加工后熔池中心部位材料表面輪廓曲率均大幅降低,脈沖2～3次(0.7～1.2 ms)具有最佳平滑效果,而熔池邊緣位置則是由于高冷卻速率形成新的輪廓曲率突變。對(duì)比材料上表面輪廓高度變化可以發(fā)現(xiàn)(圖10(b)),在0

圖10 0.2～2.7 ms材料表面輪廓曲率和輪廓高度變化圖:(a)表面輪廓曲率變化圖;(b)表面輪廓高度變化圖

2.3 激光工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

在脈沖激光加工過(guò)程中,影響加工效果的因素很多,其中激光功率、頻率、脈寬是加工過(guò)程中重要的工藝參數(shù)。采用控制變量法研究激光工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響,圖11(a)、(b)、(c)分別是不同頻率、脈寬、功率所得加工表面粗糙度及最大熔池深度變化圖,其中0.2、10 ms分別表示熔融態(tài)和冷卻凝固后表面粗糙度。

圖11 不同工藝參數(shù)單脈沖激光加工后表面粗糙度及熔池最大深度變化圖:(a)不同頻率;(b)不同脈寬;(c)不同功率

從圖11(a)可以看出,隨著脈沖頻率的增加,粗糙度則隨之增加,這主要是由于在其他工藝參數(shù)不變的情況下,增加脈沖頻率會(huì)導(dǎo)致單脈沖激光通量減小,熔池最大熔化深度逐漸降低,熔池內(nèi)材料熔化不充分,材料表面粗糙度逐漸增加;圖11(b)中隨著激光脈寬的增加,表面粗糙度呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢(shì),這主要是由于激光脈寬增加,輻射時(shí)間延長(zhǎng),材料表面在脈寬0.1～0.25 ms時(shí)表面粗糙度降低,超過(guò)0.25 ms后激光通量繼續(xù)下降,導(dǎo)致熔池最大深度急劇下降,輻射區(qū)域材料熔化不充分,材料表面粗糙度逐漸上升;圖11(c)中,在其他工藝參數(shù)不變時(shí),隨著激光功率的增加,材料表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì),同時(shí)熔池最大深度處于一直上升趨勢(shì),在功率42～72 W時(shí),激光功率增大導(dǎo)致激光通量增大,材料得到充分熔化,表面粗糙度降低,82～92 W時(shí),由于激光功率增大,材料表面溫度急劇增大,超過(guò)材料蒸發(fā)溫度,輻射區(qū)域部分材料以氣體形式逸出,同時(shí)逸出的氣體產(chǎn)生的反沖壓力向下作用在流體材料表面,因此,材料表面粗糙度逐漸增加。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于模型中對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行了假設(shè)簡(jiǎn)化,因此需要通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,為了保證脈沖激光加工實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,采用CO2激光器搭建了加工實(shí)驗(yàn)裝置,其能量分布是一個(gè)平頂式的激光束,如圖12所示,實(shí)驗(yàn)裝置主要包括激光器(FSTI100SWC,SYNRAD,USA)、三維動(dòng)態(tài)聚焦振鏡(RF8330-3D-1200,金海創(chuàng),江蘇,中國(guó))、三維調(diào)節(jié)架等,其中激光器的功率輸出范圍為0～150 W,振鏡工作焦距為550 mm,幅面為400 mm×400 mm。由于激光加工涉及復(fù)雜的物理過(guò)程,難以對(duì)其演變過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),因此,本文通過(guò)激光共聚焦顯微鏡獲取實(shí)驗(yàn)加工點(diǎn)的表面粗糙度Rt及熔池直徑與模擬結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。

圖12 實(shí)驗(yàn)裝置

加工實(shí)驗(yàn)和模擬均采用激光功率為52 W、脈寬0.2 ms、頻率為2 kHz。圖13為脈沖激光輻射1.7 ms時(shí)加工點(diǎn)的SEM圖像。從圖13(a)可以發(fā)現(xiàn),激光輻射后材料表面形成了明顯的圓形熔池,材料表面得到一定的平滑,值得注意的是,表面產(chǎn)生了明顯的微裂紋,這主要是由于激光加工產(chǎn)生大的熱應(yīng)力引起的,對(duì)比圖13(b)、(c)可以觀察到,加工后材料表面粉末顆粒進(jìn)一步細(xì)化,顆粒之間的空隙縮小,這主要是由于激光作用后材料表面形成了致密的熔融層導(dǎo)致的。

圖13 激光輻射1.7 ms時(shí)材料表面加工點(diǎn)實(shí)際SEM圖像

為了檢驗(yàn)?zāi)M的準(zhǔn)確性,分別選取輻射時(shí)間為1.7、2.2、2.7 ms熔池的表面粗糙度Rt及熔池直徑D進(jìn)行對(duì)比。圖14為實(shí)驗(yàn)和模擬加工所得熔池表面粗糙度Rt和熔池寬度對(duì)比圖,圖14(a)、(c)、(e)為模擬熔池截面形貌圖,其中黑色曲線表示原始輪廓曲線,圖14(b)、(d)、(f)為實(shí)驗(yàn)所得熔池形貌圖。此外,表3給出了實(shí)驗(yàn)和模擬所得數(shù)據(jù)值的比較。結(jié)合圖14和表3可知,模擬結(jié)果所得Rt和熔池直徑D均小于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,最大誤差控制在21%以內(nèi),考慮到模型進(jìn)行了一定的假設(shè)簡(jiǎn)化,因此,本文認(rèn)為實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果相吻合,采用該模型進(jìn)行數(shù)值模擬具有較高的準(zhǔn)確性。

表3 實(shí)驗(yàn)和模擬所得數(shù)據(jù)值比較

圖14 實(shí)驗(yàn)和模擬加工所得熔池表面粗糙度Rt和熔池寬度D對(duì)比圖

4 總 結(jié)

本文建立了一個(gè)耦合傳熱和層流的二維軸對(duì)稱模型,研究了單脈沖、多脈沖激光作用氧化陶瓷表面形貌的演變過(guò)程,及不同激光工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

1) 采用激光功率為52 W、脈寬0.2 ms、頻率為2 kHz的單脈沖激光作用于氧化鋁陶瓷表面時(shí),加工后材料表面輪廓曲率降低,具有顯著的平滑效果,熔池內(nèi)部流體主要是在毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)下由波峰流向波谷,而邊緣位置則主要在熱毛細(xì)力的作用下由溫度中心向固液邊界流動(dòng)。

2)采用相同參數(shù)下的多脈沖激光作用氧化鋁陶瓷表面時(shí),在脈沖2～3次時(shí),具有最佳平滑效果,隨著脈沖次數(shù)的增加,熔池內(nèi)部流體主要驅(qū)動(dòng)力由毛細(xì)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉礇_壓力,同時(shí)反沖壓力的出現(xiàn),增加了熔池表面輪廓的凹陷程度,反沖壓力是造成材料表面平滑效果減弱的主要原因。

3)采用不同激光工藝參數(shù)的脈沖激光作用于氧化鋁陶瓷表面時(shí),保持其他參數(shù)不變,較大的頻率或者脈沖寬度都會(huì)導(dǎo)致激光通量降低,材料表面得不到充分的熔化,粗糙度降低不明顯,然而較大的激光功率則會(huì)導(dǎo)致激光通量過(guò)大,從而使表面粗糙度增加。