2020, Vol. 41
近20年来，激光抛光技术作为一种非接触的表面抛光技术发展迅速.激光抛光主要有两种实现途径：激光重熔与激光烧蚀.前者是利用激光与材料的相互作用使材料熔化与流动，实现材料在工件表面的重新分布，以降低表面粗糙度; 而后者是采用较高的激光能量密度，使工件表面的浅层材料瞬间汽化，以达到降低表面粗糙度的效果.
对于激光重熔抛光，国内外学者进行了较多的实验和理论研究.Wang等[1]研究了激光抛光对增材制造产生的CoCr合金部件的表面微观结构和耐腐蚀性的影响，结果发现，激光抛光能显著提高CoCr合金部件的耐腐蚀性.周泳全等[2]使用连续激光对Cr12MoV冷作模具钢进行了激光抛光，结果表明，抛光后工件的表面粗糙度明显降低，表面显微硬度显著提高.为了弄清激光重熔抛光的机理，Zhang等[3]建立了一个耦合热传递和流体流动的数值模型，研究了毛细力和热毛细力在激光抛光中的作用.在此数值模型的基础上，Shen等[4]进一步考虑表面活性元素硫对表面张力的影响，研究了在激光重熔抛光中凸起结构的形成机理.张伟康等[5]建立了二维移动瞬态模型，模拟了激光重熔抛光H13模具钢过程中自由表面的演变.
而对于激光烧蚀抛光，国内外学者的研究主要集中在实验方面，对理论和数值模拟的研究较少.Weingarten等[6]完成了对三种光学玻璃(熔融石英、BK7和S-TIH6)的激光抛光，并用激光烧蚀去除残余的波纹和形状误差.Ahmed等[7]在Inconel 718材料上完成了激光加工实验，并通过统计分析方法建立了数学模型来预测材料去除率和表面粗糙度，预测结果与从验证性实验获得的结果非常匹配.从上述来看，当前国内外对激光烧蚀抛光的理论和数值建模研究不足.本文将对激光烧蚀抛光的理论和数值模拟进行研究与探讨.
本文采用连续激光对304不锈钢材料进行了激光抛光实验，得到了较好的抛光效果.并且，提出了一个耦合温度场和材料汽化的二维瞬态移动数值模型，该模型不仅能描述激光抛光过程中工件表面形貌的演变，而且能较为准确地预测表面粗糙度值.此外，本文利用该模型研究了在激光抛光过程中工件表面移动速度的变化情况，以及与初始表面形貌的关系，这些研究对理解激光烧蚀抛光的机理具有重要意义.
1 激光抛光实验 1.1 实验材料实验材料选用304不锈钢，试样为边长20 mm的正方体，表面经过拉丝工艺处理，激光抛光的扫描速度vscan的方向垂直于工件表面条状纹理的方向.
1.2 实验设备实验设备原理图如图 1所示.
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图 1 实验设备原理图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup |
激光发生器采用IPG Photonics公司的YLR-1000激光器.其输出的激光波长为1 070~1 080 nm，最大输出功率为1 000 W.
激光抛光头由准直透镜、保护镜和聚焦透镜等组成.为了在工件表面获得较小的光斑直径，以便得到较高的能量密度，实现激光烧蚀抛光，在激光抛光头下方安装二次聚焦透镜，该透镜选用THORLABS公司生产的型号为LA1540-YAG的平凸透镜，其V增透膜工作波长为532/1 064 nm.
三维工作台可以实现工件在竖直方向和水平方向的移动，以完成激光抛光过程.
1.3 实验结果本文对工件进行基于烧蚀原理的激光抛光实验，所采用的工艺参数如表 1所示.
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表 1 激光抛光的工艺参数 Table 1 Process parameters of laser polishing |
使用Micromeasure三维轮廓仪，分别测量抛光前和抛光后的工件试样的三维表面形貌，如图 2所示.
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图 2 激光抛光前后工件三维表面形貌 Fig.2 3D surface morphology of the workpiece before and after laser polishing (a)—抛光前; (b)—抛光后. |
从图中可以看出，激光抛光的效果较好，工件的表面粗糙度Ra从1.280 μm降低到0.526 μm，降低了58.9%.图 3给出了工件激光抛光前后二维表面形貌的变化，从图中可以看出，经激光抛光后，工件表面形貌的波峰和波谷的高度差减小，表面变得更加平滑.
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图 3 激光抛光前后工件二维表面形貌 Fig.3 2D surface morphology of the workpiece before and after laser polishing |
为了全面描述激光抛光中工件表面的演变以及简化模型，模型做出以下假设：被加工的金属材料视为各向同性且质地均匀; 由于激光抛光过程中能量密度较高，被熔化的材料在极短的时间内被汽化，所以忽略熔池的流动与表面张力的作用; 忽略传热中热辐射; 忽略激光抛光过程中的化学反应.
2.2 模型初始表面形貌模型的初始表面形貌对预测激光抛光的表面形貌和表面粗糙度值至关重要，但工件表面有很多细小的波峰与波谷，如果直接将从工件表面获取的形貌应用于模型表面，那么，在数值求解模型时，网格划分需要非常细，这无疑会增大数值求解的计算量.为了解决这一问题，对工件的初始表面形貌作如下处理：首先，根据工件初始表面形貌的特点，利用表面形貌中的极值点重构表面形貌，如图 4所示，从图中可以看出，重构前后的表面形貌较为接近; 然后，将重构后的工件表面形貌以复制的方式进行扩展，就可以得到模型的初始表面形貌(几何模型上表面)，如图 5所示.采用该处理方式的意义：能够减少模型的计算时间，提高计算效率，而不影响模型仿真结果的准确性.
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图 4 工件初始表面形貌重构 Fig.4 Reconstruction of initial surface morphology of workpiece |
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图 5 几何模型 Fig.5 Geometric model |
工件的初始表面粗糙度Ra为1.280 μm，而模型的初始表面粗糙度Ra为1.302 μm，两者十分接近，这说明，采用上述处理方式获取模型的初始表面形貌较为合理.
2.3 传热工件内部的传热采用热传导方式，工件与空气接触的边界采用热对流方式，同时考虑金属材料的相变，建立温度场模型.
2.3.1 控制方程温度场的控制方程是以热传导方程为基础[8]:
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(1) |
在激光抛光中，随着工件温度的升高，金属材料逐渐熔化，在这个过程中，不仅会产生相变潜热，而且金属材料的导热系数、比热容以及密度等参数也会随着温度变化，为了得到较为准确的温度场，对一些重要的参数进行如下处理：
金属材料在熔化过程中的比热容cp可表示为
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(2) |
式中：θs是金属材料的固相质量分数; θl是金属材料的液相质量分数; θm是金属材料的质量分数; cps是金属材料的固相比热容; cpl是金属材料的液相比热容; Lm是金属材料的熔化潜热.
金属材料的固相质量分数θs和金属材料的液相质量分数θl满足以下关系：
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(3) |
并且，金属材料的质量分数θm可以表示为
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(4) |
材料在熔化过程中的导热系数κ可表示为[4]
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(5) |
式中:κs是金属材料的固相导热系数; κl是金属材料的液相导热系数.
金属材料在熔化过程中的材料密度ρ的表示形式与导热系数κ的表示形式类似.
在这里, 质量分数θs和θl都是温度T的函数，其随温度变化的情况如图 6所示.
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图 6 质量分数的变化 Fig.6 Change of mass fraction |
在图 6中，金属材料的熔化温度Tm表示为
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(6) |
相变温度间隔ΔTm可表示为
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(7) |
式中:Ts是金属材料的固相温度; Tl是金属材料的液相温度.
如图 6所示，可以得到液态金属材料的质量分数θl的表达式[8]:
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(8) |
热源边界条件：激光扫描的工件表面.
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(9) |
式中:▽T是温度T的梯度; α是吸收率; qevap是材料汽化而产生的热流损失，其定义是单位时间内单位面积所损失的热量，单位是J/(m2·s); I是激光的光照强度，单位是J/(m2·s)或者W/m2，可以表示为
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(10) |
式中：P是激光功率; rb是激光光束在工件表面的半径; vscan是扫描速度.
热对流边界：工件与空气接触的表面[8].
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(11) |
式中：h是对流系数; T0是环境温度.
热绝缘边界：工件与工作台接触的表面[3].
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(12) |
在图 5中边界条件设置如下：边界2采用热源边界条件和热对流边界条件，边界1和边界3采用热对流边界条件，边界4采用热绝缘边界条件.
2.4 激光烧蚀在激光抛光中，若采用较高的能量密度，工件表面材料的温度会瞬间达到材料的汽化温度，此时就会出现激光烧蚀.
由于材料汽化，会出现热流损失qevap，可以用以下公式表示[8]：
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(13) |
式中:Lv是材料的汽化潜热; Mv是质量汽化速率，其定义是单位时间内单位面积所损失的质量，单位是kg/(m2·s)，可以表示为[8-9]：
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(14) |
式中：m是原子质量; βr是逆扩散系数; Tsur是表面温度; kB是玻尔兹曼常数; psat是饱和压力，由以下公式给出[8-9]：
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(15) |
式中:patm是标准大气压; Tv是材料的汽化温度; ΔHv是原子的汽化焓，可以表示为[8-9]
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(16) |
由于材料的汽化而产生的工件表面的移动速度Vmloss可以表示为
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(17) |
实际上，移动速度Vmloss就是工件表面汽化前沿的速度，由质量汽化速率Mv的单位kg/(m2·s)和材料密度ρ的单位kg/m3可以推导出移动速度Vmloss的单位是m/s.
2.5 变形网格为了准确描述激光抛光中工件表面的变化，这里采用变形网格技术.变形网格技术可以描述由于材料的汽化而产生的工件表面的移动，采用以下公式表达:
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(18) |
式中:X是边界点的位移矢量; n是单位法向量; Vn是期望的法向网格速度，用以下公式表示:
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(19) |
需要注意的是，在变形网格技术中，材料的体积会被压缩，但是材料汽化使材料的质量减少，所以，由于模型几何变形而产生的材料密度的变化可以忽略.
2.6 相关参数在激光抛光实验中，采用304不锈钢作为实验材料，其热物理特性参数与其他参数[8]如表 2所示.
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表 2 相关参数 Table 2 Relevant parameters |
利用COMSOL Multiphysics软件建立二维瞬态移动模型，并对模型进行求解，仿真所采用的工艺参数与之前激光抛光实验的工艺参数相同，如表 1所示.
3.1 表面形貌分析为了验证所建立模型的准确性，首先对抛光后的表面粗糙度进行分析.图 7给出了在t=0.07，0.14，0.21和0.35 ms时模型仿真的表面形貌，从图中可以看出，随着激光热源在模型上表面的水平移动，浅层的表面材料逐渐被烧蚀去除，被抛光的区域表面变得平滑.
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图 7 数值模型表面形貌的演变 Fig.7 Evolution of surface morphology of the numerical model (a)—t=0.07 ms; (b)—t=0.14 ms; (c)—t=0.21 ms; (d)—t=0.35 ms. |
对比图 7 d中的初始形貌和最终形貌，可以看出在激光抛光过程中，材料去除层(初始形貌和最终形貌之间的区域)的厚度基本一致，这样有利于得到较好的表面形貌.
从图 7 d中截取长度为100 μm抛光后的表面形貌(从x=100 μm位置到x=200 μm位置)，与实验结果进行对比，如图 8所示.
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图 8 抛光后工件与模型表面形貌对比 Fig.8 Comparison of surface morphology of polished workpiece and model |
从图 8中可以看出，模型所仿真的表面形貌与工件实际抛光后的表面形貌较为接近，二者表面形貌的峰值分布范围基本一致.从表面粗糙度Ra的数值来看，工件激光抛光后得到的表面粗糙度值为0.526 μm，而模型所仿真的表面粗糙度值为0.569 μm，二者十分接近，误差仅为8.17%, 足以说明所建立的数值模型是较为准确的.
3.2 表面移动速度分析图 9给出了t=0.07，0.14，0.21和0.35 ms时，模型表面的移动速度Vmloss的大小(Vmloss符号为负，表示Vmloss的方向与y轴正方向相反)和分布情况以及与抛光前表面形貌(初始表面形貌)的关系.从图 9中可以看出，表面移动速度Vmloss与初始表面形貌密切相关：在表面形貌的波峰位置的表面移动速度较大，而在波谷位置的表面移动速度较小.这是由于波峰位置的材料吸收的能量较多，温度较高，而波谷位置则与之相反.正是由于表面移动速度Vmloss与表面形貌的这种关系，才使得在激光抛光中工件的表面粗糙度减小.
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图 9 不同时刻模型表面的移动速度 Fig.9 Moving velocity of model surface at different time (a)—t=0.07 ms; (b)—t=0.14 ms; (c)—t=0.21 ms; (d)—t=0.35 ms. |
需要指出的是，在工件材料既定的情况下，工件表面移动速度Vmloss的大小是由表面形貌和激光热源(例如激光热源在工件表面的水平位置)共同决定的，从图 9来看，激光热源对表面移动速度Vmloss影响较大.
此外，从图 9中还可以看出，随着激光抛光的进行，表面移动速度Vmloss最大值的位置随着激光热源逐渐向右移动，最大值的数值则稳定分布在0.12~0.14 m/s之间，保证了材料去除层厚度的一致性，有利于减小工件的表面粗糙度.
4 结论1) 本文对304不锈钢材料进行了基于烧蚀原理的激光抛光实验，将工件的表面粗糙度Ra从1.280 μm降低到0.526 μm，降低了58.9%，得到了较好的抛光效果.
2) 基于激光抛光中的传热和材料汽化机制，建立了一个二维瞬态数值模型，利用该模型预测了激光抛光后工件的表面粗糙度值，预测结果与实验结果的误差仅为8.17%.
3) 利用该模型研究了激光抛光中工件表面移动速度与初始表面形貌的关系：在表面形貌波峰位置的表面移动速度较大，而在波谷位置的表面移动速度较小.该关系揭示了基于烧蚀原理的激光抛光降低工件表面粗糙度的机制.
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