摘要

       激光拋光是一種使金屬基底表面光滑的技術(shù)。拋光后的粗糙度不僅包含初始表面粗糙度的殘余，還包含由于拋光過(guò)程引入的表面結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的新粗糙度。本出版物從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值上研究了激光宏觀拋光和激光微觀拋光產(chǎn)生這些結(jié)構(gòu)的原因、影響參數(shù)以及如何減少它們對(duì)粗糙度的影響。可以看出，結(jié)構(gòu)受工藝參數(shù)和工件材料的影響。對(duì)于較低的表面粗糙度，在某些情況下必須反向調(diào)整工藝參數(shù)，這意味著不可能同時(shí)阻止所有結(jié)構(gòu)，并且在激光拋光過(guò)程中始終會(huì)出現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)。必須調(diào)整工藝參數(shù)，以使所有結(jié)構(gòu)一起使表面粗糙度盡可能低。

1介紹

       激光拋光是一種使金屬表面光滑的精加工工藝。與傳統(tǒng)拋光技術(shù)相比，該工藝不會(huì)燒蝕材料，而是重新分配材料。薄表面層通過(guò)激光輻射熔化，熔池表面通過(guò)表面張力平滑，熔融材料在平滑狀態(tài)下凝固。

激光拋光工藝原理圖。

        激光輻照金屬拋光有兩種工藝變體:連續(xù)激光輻照激光宏觀拋光和脈沖激光輻照激光微拋光。對(duì)于這兩種工藝變體，大多數(shù)情況下都使用波長(zhǎng)在1030 nm和1064 nm之間的激光輻射。

        在連續(xù)激光輻射的激光宏觀拋光過(guò)程中，當(dāng)激光束被引導(dǎo)到表面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的熔池。重熔深度可達(dá)200?μm，在大多數(shù)情況下，它介于30?μm和100?μm。然而，對(duì)于激光微拋光，使用脈沖激光輻射。熔池存在的時(shí)間通常比兩個(gè)激光脈沖之間的時(shí)間距離短得多，這意味著材料在下一個(gè)激光脈沖擊中表面之前會(huì)再溶解，從而形成離散的熔池。脈沖寬度對(duì)粗糙度有顯著影響：拋光后的表面粗糙度隨著脈沖寬度的增加而降低。通常，需要多次重熔曲面的每個(gè)點(diǎn)，因?yàn)檫@會(huì)增加平滑效果。因此，使用掃描速度和軌跡偏移，確保重熔點(diǎn)在掃描方向上重疊并垂直于掃描方向。激光微拋光的重熔深度在幾微米范圍內(nèi)。

激光拋光的目的是盡可能降低表面粗糙度。理想的激光拋光工藝將使表面完全光滑，沒(méi)有任何粗糙度（圖1，頂部）。然而，在現(xiàn)實(shí)中，激光拋光后總是存在粗糙度（圖1，中間）。

圖1激光拋光后初始表面和表面形貌的示意圖。

        為了盡可能平滑給定材料和初始表面的表面，拋光過(guò)程本身引入的表面粗糙度需要盡可能低。因此，必須了解導(dǎo)致該過(guò)程誘導(dǎo)粗糙度形成的機(jī)制。因此，本文研究了激光宏觀拋光和激光微觀拋光過(guò)程中工藝和材料誘導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)的影響。

       我們使用機(jī)械拋光樣品進(jìn)行了調(diào)查（Ra?=?0.01?μm），以消除初始表面粗糙度的影響。因此，拋光后的表面粗糙度是拋光過(guò)程引入的粗糙度，然后可以對(duì)其進(jìn)行分析。

2激光宏觀拋光

表面結(jié)構(gòu)（圖2）可分為兩類(lèi)：

       由熔體和凝固前沿動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的表面結(jié)構(gòu)（波紋、咬邊）以及由塑性變形和微觀結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的表面結(jié)構(gòu)（凸起、臺(tái)階結(jié)構(gòu)和馬氏體針狀物）。

圖2 在激光宏觀拋光過(guò)程中確定表面結(jié)構(gòu)。

       凝固過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)波紋和咬邊。這些結(jié)構(gòu)由熔池的幾何形狀以及熔融和凝固前沿的時(shí)空發(fā)展決定。這兩種結(jié)構(gòu)都受材料特性（如導(dǎo)熱系數(shù)、熱容和表面張力）、工藝參數(shù)（如激光功率和掃描速度）以及工藝氣體的表面活性元素的影響。未檢測(cè)到熱處理和晶粒尺寸的影響。

       凸起、臺(tái)階結(jié)構(gòu)和馬氏體針狀物是塑性變形和顯微組織變化的結(jié)果。在導(dǎo)熱系數(shù)和熱容等材料性能中，微觀結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸是影響這些結(jié)構(gòu)的最重要因素。

2.1波紋

       當(dāng)熔池體積波動(dòng)時(shí)，形成波紋。這些波動(dòng)可由激光功率的波動(dòng)和材料的不均勻性引起。不均勻性會(huì)導(dǎo)致材料特性的變化，如熔化溫度、吸收、導(dǎo)熱性以及熔化和凝固前沿的容量。

       對(duì)于增加的熔池體積，由于熱膨脹和固液相變引起的密度跳躍，熔池表面會(huì)膨脹。

       詳細(xì)的模擬表明，系統(tǒng)通過(guò)阻尼振蕩對(duì)熔池體積的波動(dòng)作出反應(yīng)。由于凝固與凝固前沿垂直，因此在激光拋光表面的形貌中再現(xiàn)了阻尼振蕩。

       表面的拋光是通過(guò)引導(dǎo)激光光束在一個(gè)蜿蜒的表面上，與軌道偏移小于光束直徑。因此，紋波部分被重熔(圖3)。當(dāng)掃描第一個(gè)軌道時(shí)，紋波A出現(xiàn)。第二個(gè)軌道和第一個(gè)軌道有80%的重疊。結(jié)果80%的紋波A被重熔，只剩下沒(méi)有重熔的那部分紋波A，從而形成了紋波碎片。只有在最后的軌道上，漣漪才完全保留下來(lái)。

圖3 帶重疊的激光拋光軌道（頂部：光顯微照片，底部：示意圖），材料：1.2343，dL?=?250?μm，dy?=?40?μm。

       第一階段出現(xiàn)的波紋通常具有高振幅，無(wú)法通過(guò)以下重熔軌跡或階段完全消除。因此，會(huì)保留“桔皮”（二次波紋）。

對(duì)波紋形成的最重要影響可總結(jié)如下：

材料的不均勻性導(dǎo)致波紋；

在第二階段，由于第一階段導(dǎo)致的材料均勻化，因此波紋較少；和

波紋的振幅隨著掃描速度的增加而增加。

2.2咬邊

        如果熔池的傾角小于臨界角（取決于材料和表面張力），則熔融和凝固前沿之間過(guò)渡區(qū)域的熔體由于毛細(xì)管力開(kāi)始滑動(dòng)（圖4）。熔體的滑動(dòng)導(dǎo)致咬邊的形成。

圖4 帶滑動(dòng)面和傾角的熔池示意圖。

       熔池在高掃描速度下的傾角明顯小于低掃描速度下的傾角。因此，掃描速度對(duì)溝槽的形成有重要影響。對(duì)于材料1.2343，當(dāng)掃描速度從100 mm s^?1增加到300 mm s^?1時(shí)，溝槽的形成增加了10倍。對(duì)于材料1.2782，下切口的形成僅增加了五倍。

       當(dāng)表面在激光軌跡之間以軌跡偏移dy進(jìn)行拋光時(shí)，溝壑在軌跡偏移dy的距離內(nèi)保持平行線(圖5)。因此，波紋圖案仍然存在。

圖5 頂部：帶有明顯咬邊的激光拋光場(chǎng)最后軌跡的白光干涉顯微照片（材料：1.2782）；底部：最后軌跡的輪廓。 

對(duì)咬邊形成的最重要影響可總結(jié)如下：

由于傾角增大，導(dǎo)熱系數(shù)越高，咬邊越小；

咬邊的幅度隨著掃描速度的增加而增加。

2.3凸起

      重熔軌跡中的凸起可能是由于加熱材料膨脹和收縮時(shí)的塑性變形造成的。當(dāng)材料受熱時(shí)，它會(huì)試圖膨脹。周?chē)睦洳牧峡煞乐惯@些膨脹，從而產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。這些誘導(dǎo)壓應(yīng)力可在熔池邊緣區(qū)域部分松弛。當(dāng)膨脹的熔融材料向上推時(shí)，表面張力使其變圓。拉伸應(yīng)力發(fā)生在冷卻過(guò)程中，周?chē)墓腆w材料可防止材料的熱收縮。如果超過(guò)材料的屈服點(diǎn)，材料開(kāi)始流動(dòng)，從而導(dǎo)致塑性變形。

       圖6顯示了具有典型凸起的單軌。凸起區(qū)域1重新熔化。區(qū)域2和3未重新熔化，但由于熱影響區(qū)中的感應(yīng)應(yīng)力而變形。對(duì)于非變形鋼，整個(gè)變形區(qū)域的積分為零。

圖6 左：無(wú)咬邊的單個(gè)凸起軌跡的白光干涉測(cè)量和光顯微照片；右：?jiǎn)诬壙v斷面

       對(duì)于轉(zhuǎn)變鋼，如材料1.2343，有限熱膨脹/收縮產(chǎn)生的塑性變形可能與微觀結(jié)構(gòu)變化引起的密度變化重疊。在這種情況下，凸起的幅度取決于熱處理或初始材料中馬氏體的比例。在重熔區(qū)，由于高冷卻速率，形成馬氏體微觀結(jié)構(gòu)。熱影響區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)根據(jù)初始材料的微觀結(jié)構(gòu)和溫度進(jìn)行硬化或退火。不同的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同的密度。珠光體和馬氏體之間的密度差異最大，為4%。因此，凸起的幅度取決于初始材料的微觀結(jié)構(gòu)。

       后續(xù)軌道導(dǎo)致對(duì)先前軌道進(jìn)行熱處理。之前硬化的履帶經(jīng)過(guò)退火處理。圖7顯示了材料1.2343上激光拋光場(chǎng)的橫截面。

圖7 頂部：重熔激光軌跡的橫截面；低底：硬度剖面。

       單軌間的軌距dy = 200 μm。硬化區(qū)和退火區(qū)在腐蝕后的顏色不同，可以區(qū)分。硬化區(qū)是明亮的，而退火區(qū)看起來(lái)較暗。硬度在深度為50 μm時(shí)測(cè)量，在490至650 HV之間波動(dòng)。僅對(duì)軌跡偏移小的重熔區(qū)(dy≤50 μm, dL = 250 μm)進(jìn)行連續(xù)退火。

圖8 頂部：具有不同軌跡偏移的兩個(gè)激光拋光表面的三維輪廓；底部：沿標(biāo)記線的字段輪廓。

       圖8左側(cè)的軌道偏移等于梁直徑。因此，在曲面中表示單個(gè)凸起。圖案的高度對(duì)應(yīng)于凸起的幅度。減少軌跡偏移會(huì)導(dǎo)致陣列高度降低，因?yàn)閱蝹€(gè)軌跡會(huì)相互合并。軌道偏移量為dy時(shí)?=?50?μm，凸起不再控制粗糙度。

對(duì)凸起形成的最重要影響可總結(jié)如下：

材料性質(zhì)：相變塑性、彈性模量、膨脹系數(shù)；

凸起的幅度隨著激光功率的增加和掃描速度的降低而增大；凸起的形成取決于熱處理或馬氏體的比例。

2.4臺(tái)階結(jié)構(gòu)

        除了表層的塑性變形導(dǎo)致凸起外，這種變形還導(dǎo)致另一種稱(chēng)為臺(tái)階結(jié)構(gòu)的表面結(jié)構(gòu)。此類(lèi)臺(tái)階形成于表面附近晶粒的晶界處，高度可達(dá)5?μm（圖2，中下部）。對(duì)非相變材料1.2782和1.4571的臺(tái)階結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，因?yàn)檫@些材料的臺(tái)階結(jié)構(gòu)沒(méi)有被其他表面結(jié)構(gòu)（如馬氏體針）覆蓋。這兩種材料都有兩種不同的粒度。

       零件的塑性變形是單個(gè)晶粒變形的結(jié)果。當(dāng)達(dá)到滑動(dòng)面的臨界剪切應(yīng)力時(shí)，晶粒開(kāi)始變形。原子層在滑動(dòng)面上滑動(dòng)。局部剪應(yīng)力的尺寸由施密特定律描述，本質(zhì)上取決于滑動(dòng)面對(duì)拉應(yīng)力的方向。

       晶格或滑動(dòng)面的不同方向?qū)е聠蝹€(gè)晶粒的不同變形（圖9）。這會(huì)在曲面上產(chǎn)生臺(tái)階。

圖9 受現(xiàn)有拉伸應(yīng)力變形不同的表面附近晶粒的示意圖。

       臺(tái)階結(jié)構(gòu)引起的粗糙度隨著加工階段的數(shù)量和軌跡之間的小軌跡偏移而增加。如果材料先凝固，則每個(gè)重熔過(guò)程都會(huì)引起新的塑性變形。這意味著塑性變形和由此產(chǎn)生的步驟可以隨著每次重熔而逐漸增加。此外，臺(tái)階結(jié)構(gòu)的形成受初始材料的晶粒尺寸或在凝固過(guò)程中顯示晶粒非外延生長(zhǎng)的材料的細(xì)化晶粒尺寸的影響。

對(duì)臺(tái)階結(jié)構(gòu)形成的最重要影響可總結(jié)如下：

       材料性質(zhì)：相變塑性、彈性模量、膨脹系數(shù)；階躍幅度隨級(jí)數(shù)的增加而增大，隨軌道偏移量和掃描速度的減小而減小；以及初始材料的晶粒尺寸和熔化區(qū)中晶粒的生長(zhǎng)

2.5馬氏體針

       由于工具鋼激光拋光工藝的高冷卻速度，熔化表面會(huì)形成馬氏體結(jié)構(gòu)（圖2，右下角）。因此，馬氏體針狀物也是工藝誘導(dǎo)的表面結(jié)構(gòu)，它影響短波區(qū)的粗糙度，稱(chēng)為微粗糙度（λ<10?μm）。

對(duì)馬氏體結(jié)構(gòu)形成的最重要影響可總結(jié)如下：

       只有轉(zhuǎn)變鋼才能形成馬氏體組織；表層脫碳可完全阻止馬氏體的形成；而CO2作為工藝氣體，大量的級(jí)數(shù)和較小的軌道偏移導(dǎo)致脫碳。

3激光微拋光

3.1實(shí)驗(yàn)方法

       采用X38CrMoV5–1鋼（1.2343，AISI H11）和Ti6Al4V進(jìn)行激光微拋光研究。重疊重熔點(diǎn)的激光拋光實(shí)驗(yàn)（彎曲模式試驗(yàn)場(chǎng)的拋光）表明，在單脈沖重熔過(guò)程中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)在下一個(gè)點(diǎn)的重熔過(guò)程中部分或完全平滑。

       采用白光干涉儀（WLI）、光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)重熔區(qū)進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)中可以識(shí)別出六種不同的表面結(jié)構(gòu)。圖10給出了這些結(jié)構(gòu)的概述。雖然其中三種結(jié)構(gòu)是由工藝本身產(chǎn)生的（“工藝誘導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)”），因此，在激光微拋光過(guò)程中總是會(huì)出現(xiàn)，但其他三種結(jié)構(gòu)是由所用材料產(chǎn)生的（“材料誘導(dǎo)表面結(jié)構(gòu)”）。這意味著它們僅在材料具有特定特性時(shí)發(fā)生，例如離析或夾雜物。

圖10 確定的表面結(jié)構(gòu)；上圖：過(guò)程誘導(dǎo)的表面結(jié)構(gòu)；下圖：材料誘導(dǎo)的表面結(jié)構(gòu)。

3.2微波紋度

       單個(gè)激光脈沖擊中表面后，粗糙度始終可見(jiàn)，高于機(jī)械拋光樣品的初始表面粗糙度。振幅在以下范圍內(nèi)≈0.3?μm，這意味著微波紋度對(duì)表面形貌的影響與咬邊差不多。激光束的強(qiáng)度分布不是完美的形狀（例如高斯分布或頂帽分布），但總是存在局部誤差（局部不均勻性）。

圖11 由單個(gè)激光光斑重熔的區(qū)域中心的表面粗糙度Ra取決于入射激光通量。

圖11顯示了單個(gè)激光光斑重熔區(qū)域中心的粗糙度，該粗糙度取決于入射通量?？梢詤^(qū)分四種不同的制度：

固體狀態(tài)：對(duì)于低激光注量，注量太低，無(wú)法熔化表面。在這種情況下，與初始粗糙度相比，粗糙度不會(huì)改變。

熔化狀態(tài)：對(duì)于較高的激光注量，表面被激光輻射熔化，并發(fā)生平滑。

熔化?+?局部蒸發(fā)區(qū)：為了進(jìn)一步增加激光注量，粗糙度會(huì)急劇增加。如果由于熔體池的溫度不均勻，局部溫度超過(guò)表面的蒸發(fā)溫度，則會(huì)發(fā)生蒸發(fā)，并且表面這些部分的蒸氣壓會(huì)強(qiáng)烈增加。

蒸發(fā)狀態(tài):對(duì)于非常高的激光通量，在整個(gè)熔池上方存在蒸發(fā)，這導(dǎo)致表面粗糙度介于熔化狀態(tài)和熔化+蒸發(fā)狀態(tài)之間。

計(jì)算圖11所示的粗糙度時(shí)，不考慮熔池邊緣。尤其是在蒸發(fā)狀態(tài)下，材料重新分配并導(dǎo)致邊界膨脹，這增加了激光微拋光表面的粗糙度，因此產(chǎn)生的表面粗糙度高于熔化狀態(tài)?+?蒸發(fā)狀態(tài)。

總的來(lái)說(shuō)，這種微波紋是由于材料的局部不均勻強(qiáng)度和吸收造成的。為了獲得較低的微粗糙度，強(qiáng)度分布和材料必須盡可能均勻。

3.3邊緣凸起

       只有在使用高通量時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)邊界膨脹。在這種情況下，在拋光過(guò)程中可以看到強(qiáng)烈的等離子體形成，這表明材料正在蒸發(fā)。在表面與一個(gè)激光脈沖相互作用后，材料重新分布在重熔區(qū)域：部分材料從熔池中心推到邊緣。凸起的高度可以是幾微米。在某些通量非常高的情況下，甚至可以看到材料飛濺出激光/材料相互作用區(qū)（圖12）。由于材料的徑向移動(dòng)，在這種情況下，有效激光束直徑增加。

圖12重熔點(diǎn)顯微圖(X38CrMoV5-1);左:重熔，通量E = 12.45 J cm^?2;右:重熔，通量E =24.05 J cm^?2。 

       總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用高激光通量時(shí)，會(huì)發(fā)生邊界膨脹，導(dǎo)致材料蒸發(fā)。這意味著可以通過(guò)在熔融狀態(tài)下拋光來(lái)防止邊界膨脹。

3.5孔

       對(duì)一些非重熔材料進(jìn)行拋光后，表面會(huì)出現(xiàn)坑狀結(jié)構(gòu)（孔）。孔洞源于硫化物和氧化夾雜物；氮夾雜物對(duì)孔洞的形成沒(méi)有影響。硫化物包裹體或其分解產(chǎn)物強(qiáng)烈吸收激光輻射，而氧化包裹體由于導(dǎo)熱率低而導(dǎo)致熱量積聚。在這兩種情況下，材料在表面的這些部分被強(qiáng)烈加熱，材料發(fā)生爆炸狀蒸發(fā)，形成火山口狀結(jié)構(gòu)（孔）。

        圖13顯示了不同鋼材和批次的激光微拋光表面的光顯微照片，以及符合DIN 50602的純度K1水平。純度K1的水平取決于夾雜物的類(lèi)型、大小和數(shù)量。

圖13 根據(jù)DIN 50602，純度等級(jí)為K1的不同鋼材料和批次的激光微拋光表面的光學(xué)顯微照片。

        還有一種選擇是在激光微拋光之前，使用連續(xù)激光輻射（激光宏觀拋光）對(duì)表面進(jìn)行重熔，以獲得少量甚至無(wú)孔的表面。

3.6微觀結(jié)構(gòu)

        在X38CrMoV5–1的激光微拋光后，微結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)，其能量密度通常太低，無(wú)法有效平滑表面。結(jié)構(gòu)的橫向尺寸約為0.5–2?μm。EDX測(cè)量表明，這些結(jié)構(gòu)中存在高濃度的碳。當(dāng)使用較高的激光注量（在拋光和有效平滑的常用注量范圍內(nèi)）時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)。

        碳的濃度表明其結(jié)構(gòu)為碳化物包裹體。此類(lèi)夾雜物的熔化溫度通常高于母材的熔化溫度。如果熔池的溫度介于母材的熔化溫度和夾雜物的熔化溫度之間，則會(huì)產(chǎn)生母材的熔池，但碳化物夾雜物仍為固態(tài)。凝固后，可以將其視為微觀結(jié)構(gòu)。如果由于較高的激光注量，熔池溫度超過(guò)夾雜物的熔化溫度，則碳化物溶解在熔池中，因此凝固后不存在微觀結(jié)構(gòu)。

        由于微結(jié)構(gòu)僅在使用較低的注量時(shí)出現(xiàn)，這在激光微拋光中并不常見(jiàn)（沒(méi)有有效的平滑），因此使用較高的注量會(huì)阻止這些結(jié)構(gòu)的形成。

4結(jié)論

        我們確定了在連續(xù)激光輻射的激光宏觀拋光和脈沖激光輻射的激光微觀拋光過(guò)程中出現(xiàn)的不同表面結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)受拋光過(guò)程本身（過(guò)程誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)）或材料（材料誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)）的影響。對(duì)于所分析的每個(gè)結(jié)構(gòu)，都可以確定這種結(jié)構(gòu)發(fā)生的機(jī)制。此外，還建議如何減少結(jié)構(gòu)對(duì)粗糙度的影響。

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