激光抛光過程中工藝和材料诱导的表面结構
激光抛光工藝道理圖。江苏激光同盟导读：
本文從實行和数值上钻研了激光宏觀抛光和激光微觀抛光發生這些布局的缘由、影响参数和若何削減它们對粗拙度的影响。
擇要
激光抛光是一種使金属基底概况滑腻的技能。抛光后的粗拙度不但包括初始概况粗拙度的残存，還包括因為抛光進程引入的概况布局而發生的新粗拙度。本出书物從實行和数值上钻研了激光宏觀抛光和激光微觀抛光發生這些布局的缘由、影响参数和若何削減它们對粗拙度的影响。可以看出，布局受工藝参数和工件質料的影响。對付较低的概况粗拙度，在某些环境下必需反向调解工藝参数，這象征着不成能同時阻拦所有布局，而且在激光抛光進程中始终會呈現概况布局。必需调解工藝参数，以使所有布局一块儿使概况粗拙度尽量低。
1先容
激光抛光是一種使金属概况滑腻的精加工工藝。與傳统抛光技能比拟，该工藝不會烧蚀質料，而是從新分派質料。薄概况层經由過程激光辐射融化，熔池概况經由過程概况张力腻滑，熔融質料在腻滑状况下凝集。
激光辐照金属抛光有两種工藝變體:持续激光辐照激光宏觀抛光和脉冲激光辐照激光微抛光。對付這两種工藝變體，大大都环境下都利用波长在1030 nm和1064 nm之間的激光辐射。
在持续激光辐射的激光宏觀抛光進程中，當激光束被指导到概况上時，會淡斑霜,發生一個持续的熔池。重熔深度可达200 μm，在大大都环境下，它介于30 μm和100 μm。但是，對付激光微抛光，利用脉冲激光辐射。熔池存在的時候凡是比两個激光脉冲之間的時候間隔短很多，這象征着質料鄙人一個激光脉打击中概况以前會再消融，從而構成离散的熔池。脉冲宽度對粗拙度有显著影响：抛光后的概况粗拙度跟着脉冲宽度的增长而低落。凡是，必要屡次重熔曲面的每一個點，由于這會增长腻滑结果。是以，利用扫描速率和轨迹偏移，确珍重熔點在扫描標的目的上堆叠并垂直于扫描標的目的。激光微抛光的重熔深度在几微米范畴内。
激光抛光的目標是尽量低落概况粗拙度。抱负的激光抛光工藝将使概况彻底滑腻，没有任何粗拙度（圖1，顶部）。但是，在實際中，激光抛光后老是存在粗拙度（圖1，中心）。
圖1激光抛光后初始概况和概况描摹的示用意。
為了尽量腻滑给定質料和初始概况的概况，抛光進程自己引入的概况粗拙度必要尽量低。是以，必需领會致使该進程引诱粗拙度構成的機制。是以，本文钻研了激光宏觀抛光和激光微觀抛光進程中工藝和質料引诱概况布局的影响。
咱们利用機器抛光样品举行了查询拜访（Ra = 0.01 μm），以解除初始概况粗拙度的影响。是以，抛光后的概况粗拙度是抛光進程引入的粗拙度，然后可以對其举行阐發。
2激光宏觀抛光
概况布局（圖2）可分為两類：
由熔體和凝集前沿動力學發生的概况布局（波纹、咬邊）和由塑性變形和微觀布局變革發生的概况布局（突出、台阶布局和马氏體针状物）。
圖2 在激光宏觀抛光進程中肯定概况布局。
凝集進程中會呈現波纹和咬邊。這些布局由熔池的几何外形和熔融和凝集前沿的時空成长决议。這两種布局都受質料特征（如导热系数、热容和概况张力）、工藝参数（如激光功率和扫描速率）和工藝气體的概况活性元素的影响。未检测到热处置和晶粒尺寸的影响。
突出、台阶布局和马氏體针状物是塑性變形和显微组织變革的成果。在导热系数和热容等質料機能中，微觀布局和晶粒尺寸是影响這些布局的最首要身分。
2.1波纹
當熔池體积颠簸時，構成波纹。這些颠簸可由激光功率的颠簸和質料的不平均性引發。不平均性會致使質料特征的變革，如融化温度、吸取、导热性和融化和凝集前沿的容量。
對付增长的熔池體积，因為热膨胀和固液相變引發的密度跳跃，熔池概况會膨胀。
具體的摹拟表白，體系經由過程阻尼振荡對熔池體积的颠簸作出反响。因為凝集與凝集前沿垂直，是以在激光抛光概况的描摹中再現了阻尼振荡。
概况的抛光是經由過程指导激光光束在一個蜿蜒的概况上，與轨道偏移小于光束直径。是以，纹波部通馬桶工具推薦,門被重熔(圖3)。當扫描第一個轨道時，纹波A呈現。第二個轨道和第一個轨道有80%的堆叠。成果80%的纹波A被重熔，只剩下没有重熔的那部門纹波A，從而形成為了纹波碎片。只有在最后的轨道上，涟漪才彻底保存下来。
圖3 带堆叠的激光抛光轨道（顶部：鲜明微照片，底部：示用意），質料：1.2343，dL = 250 μm，dy = 40 μm。
第一阶段呈現的波纹凡是具备高振幅，没法經由過程如下重熔轨迹或阶段彻底解除。是以，會保存“桔皮”（二次波纹）。
對波纹構成的最首要影响可总结以下：
質料的不平均性致使波纹；
在第二阶段，因為第一阶段致使的質料平均化，是以波纹较少；和
波纹的振幅跟着扫描速率的增长而增长。
2.2咬邊
若是熔池的倾角小于临界角（取决于質料和概况张力），则熔融和凝集前沿之間過渡區域的熔體因為毛细管力起头滑動（圖4）。熔體的滑動致使咬邊的構成。
圖4 带滑動面和倾角的熔池示用意。
熔池在高扫描速率下的倾角较着小于低扫描速率下的倾角。是以，扫描速率對沟槽的構成有首要影响。對付質料1.2343，當扫描速率從100 妹妹 s−1增长到300 妹妹 s−1時，沟槽的構成增长壯陽藥，了10倍。對付質料1.2782，下暗语的構成仅增长了五倍。
當概况在激光轨迹之間以轨迹偏移dy举行抛光時，沟壑在轨迹偏移dy的間隔内連结平行線(圖5)。是以，波纹圖案依然存在。
圖5 顶部：带有较着咬邊的激光抛光場最后轨迹的白光干與显微照片（質料：1.2782）；底部：最后轨迹的轮廓。
對咬邊構成的最首要影响可总结以下：
因為倾角增大，导热系数越高，咬邊越小；
咬邊的幅度跟着扫描速率的增长而增长。
2.3突出
重熔轨迹中的突出多是因為加热質料膨胀和紧缩時的塑性變形酿成的。當質料受热時，它會试圖膨胀。四周的冷質料可避免這些膨胀，從而發生紧缩应力。這些引诱压应力可在熔池邊沿區域部門败坏。當膨胀的熔融質料向上推時，概况张力使其變圆。拉伸应力產生在冷却進程中，四周的固體質料可避免質料的热紧缩。若是跨越質料的屈就點，質料起头活動，從而致使塑性變形。
圖6显示了具备典范突出的单轨。突出區域1從新融化。區域2和3未從新融化，但因為热影响區中的感到应力而變形。對付非變形钢，全部變形區域的积分為零。
圖6 左：无咬邊的单個突出轨迹的白光干與丈量和鲜明微照片；右：单轨纵断面
對付變化钢，如質料1.2343，有限热膨胀/紧缩發生的塑性變形可能與微觀布局變革引發的密度變革堆叠。在這類环境下，突出的幅度取决于热处置或初始材猜中马氏體的比例。在重熔區，因為高冷却速度，構成马氏體微觀布局。热影响區的微觀布局按照初始質料的微觀布局和温度举行硬化或退火。分歧的微觀布局致使分歧的密度。珠光體和马氏體之間的密度差别最大，為4%。是以，突出的幅度取决于初始質料的微觀布局。
后续轨道致使對先前轨道举行热处置。以前硬化的履带颠末退火处置。圖7显示了質料1.2343上激光抛光場的横截面。
圖7 顶部：重熔激光轨迹的横截面；低底：硬度剖面。
单轨間的轨距dy = 200 μm。硬化區和退火區在腐化后的色彩分歧，可以區别。硬化區是豁亮的，而退火區看起来较暗。硬度在深度為50 μm時丈量，在490至650 HV之間颠簸。仅對轨迹偏移小的重熔區(dy≤50 μm, dL = 250 μm)举行持续退火。
圖8显示了分歧轨迹偏移、光束直径為dL = 250 μm的两個激光抛光場的概况描摹和轮廓。
圖8改善早洩方法, 顶部：具备分歧轨迹偏移的两個激光抛光概况的三维轮廓；底部：沿標识表記標帜線的字段轮廓。
圖8左邊的轨道偏移即是梁直径。是以，在曲面中暗示单個突出。圖案的高度對应于突出的幅度。削減轨迹偏移會致使阵列高度低落，由于单個轨迹會互相归并。轨道偏移量為dy時 = 50 μm，突出再也不節制粗拙度。
對突出構成的最首要影响可总结以下：
質料性子：相變塑性、弹性模量、膨胀系数；
突出的幅度跟着激光功率的增长和扫描速率的低落而增大；突出的構成取决于热处置或马氏體的比例。
2.4台阶布局
除表层的塑性變形致使突出外，這類變形還致使另外一種称為台阶布局的概况布局。此類台阶構成于概况四周晶粒的晶界处，高度可达5 μm（圖2，中下部）。對非相變質料1.2782和1.4571的台阶布局举行了钻研，由于這些質料的台阶布局没有被其他概况布局（如马氏體针）笼盖。這两種質料都有两種分歧的粒度。
零件的塑性變形是单個晶粒變形的成果。當到达滑動面的临界剪切应力時，晶粒起头變形。原子层在滑動面上滑動。局部剪应力的尺寸由施密特定律描写，本色上取决于滑動面临拉应力的標的目的。
晶格或滑動面的分歧標的目的致使单個晶粒的分歧變形（圖9）。這會在曲面上發生台阶。
圖9 受現有拉伸应力變形分歧的概况四周晶粒的示用意。
台阶布局引發的粗拙度跟着加工阶段的数目和轨迹之間的小轨迹偏移而增长。若是質料先凝集，则每一個重熔進程城市引發新的塑性變形。這象征着塑性變形和由此發生的步调可以跟着每次重熔而逐步增长。别的，台阶布局的構成受初始質料的晶粒尺寸或在凝集進程中显示晶粒非外延發展的質料的细化晶粒尺寸的影响。
對台阶布局構成的最首要影响可总结以下：
質料性子：相變塑性、弹性模量、膨胀系数；阶跃幅度随级数的增长而增大，随轨道偏移量和扫描速率的減小而減小；和初始質料的晶粒尺寸和融化區中晶粒的發展
2.5马氏體针
因為东西钢激光抛光工藝的高冷却速率，融化概况會構成马氏體布局（圖2，右下角）。是以，马氏體针状物也是工藝引诱的概况布局，它影响短波區的粗拙度，称為微粗拙度（λ<10 μm）。
對马氏體布局構成的最首要影响可总结以下：
只有變化钢才能構成马氏體组织；表层脱碳可彻底阻拦马氏體的構成；而CO2作為工藝气體，大量的级数和较小的轨道偏移致使脱碳。
3激光微抛光
3.1實行法子
采纳X38CrMoV5–1钢（1.2343，AISI H11）和Ti6Al4V举行激光微抛光钻研。堆叠重熔點的激光抛光實行（曲折模式實验場的抛光）表白，在单脉冲重熔進程中呈現的布局鄙人一個點的重熔進程中部門或彻底腻滑。
采纳白光干與仪（WLI）、光學显微镜和扫描電子显微镜（SEM）對重熔區举行了阐發。實行中可以辨認出六種分歧的概况布局。圖10给出了這些布局的概述。固然此中三種布局是由工藝自己發生的（“工藝引诱概况布局”），是以，在激光微抛光進程中老是會呈現，但其他三種布局是由所用質料發生的（“質料引诱概况布局”）。這象征着它们仅在質料具备特定特征時產生，比方离析或混合物。
圖10 肯定的概况布局；上圖：進程引诱的概况布局；下圖：質料引诱的概况布局。
3.2微波纹度
单個激光脉打击中概况后，粗拙度始终可见，高于機器抛光样品的初始概况粗拙度。振幅在如下范畴内≈0.3 μm，這象征着微波纹度對概况描摹的影响與咬邊差未几。激光束的强度散布不是完善的外形（比方高斯散布或顶帽散布），但老是存在局部偏差（局部不平均性）。
圖11 由单個激光光斑重熔的區域中間的概况粗拙度Ra取决于入射激光通量。
圖11显示了单個激光光斑重熔區域中間的粗拙度，该粗拙度取决于入射通量。可以區别四種分歧的轨制：
固體状况：對付低激光注量，注量過低，没法融化概况。在這類环境下，與初始粗拙度比拟，粗拙度不會扭转。
融化状况：對付较高的激光注量，概况被激光辐射融化，并產生腻滑。
融化 + 局部蒸發區：為了進一步增长激光注量，粗拙度會急剧增长。若是因為熔體池的温度不平均，局部温度跨越概况的蒸發温度，则會產生蒸發，而且概况這些部門的蒸气压會强烈增长。
蒸發状况:對付很是高的激光通量，在全部熔池上方存在蒸發，這致使概况粗拙度介于融化状况和融化+蒸發状况之間。
计较圖11所示的粗拙度時，不斟酌熔池邊沿。特别是在蒸發状况下，質料從新分派并致使鸿沟膨胀，這增长了激光微抛光概况的粗拙度，是以發生的概况粗拙度高于融化状况 + 蒸發状况。
总的来讲，這類微波纹是因為質料的局部不均匀强度和吸取酿成的。為了得到较低的微粗拙度，强度散布和質料必需尽量平均。
3.3邊沿突出
只有在利用高通量時，才會呈現鸿沟膨胀。在這類环境下，在抛光進程中可以看到强烈的等离子體構成，這表白質料正在蒸發。在概况與一個激光脉冲互相感化后，質料從新散布在重熔區域：部門質料從熔池中間推到邊沿。突出的高度可所以几微米。在某些通量很是高的环境下，乃至可以看到質料飞溅出激光/質料互相感化區（圖12）。因為質料的径向挪動，在這類环境下，有用激光束直径增长。
圖12重熔點显微圖(X38CrMoV5-1);左:重熔，通量E = 12.45 J cm−2;右:重熔，通量E =24.05 J cm−2。
总的来讲，當利用高激光通量時，會產生鸿沟膨胀，致使質料蒸發。這象征着可以經由過程在熔融状况下抛光来避免鸿沟膨胀。
3.5孔
對一些非重熔質料举行抛光后，概况會呈現坑状布局（孔）。孔洞源于硫化物和氧化混合物；氮混合物對孔洞的構成没有影响。硫化物包裹體或其分化產品强烈吸取激光辐射，而氧化包裹體因為导热率低而致使热量储蓄积累。在這两種环境下，質料在概况的這些部門被强烈加热，質料產生爆炸状蒸發，構成火山口状布局（孔）。
圖13显示了分歧钢材和批次的激光微抛光概况的鲜明微照片，和合适DIN 50602的纯度K1程度。纯度K1的程度取决于混合物的類型、巨细和数目。
圖13 按照DIN 50602，纯度品级為K1的分歧钢質料和批次的激光微抛光概况的光學显微照片。
另有一種選擇是在激光微抛光以前，利用持续激光辐射（激光宏觀抛光）對概况举行重熔，以得到少许乃至无孔的概况。
3.6微觀布局
在X38CrMoV5–1的激光微抛光后，微布局會呈現，其能量密度凡是過低，没法有用腻滑概况。布局的横向尺寸约為0.5–2 μm。EDX丈量表白，這些布局中存在高浓度的碳。當利用较高的激光注量（在抛光和有用腻滑的經常使用注量范畴内）時，不會呈現微布局。
碳的浓度表白其布局為碳化物包裹體。此類混合物的融化温度凡是高于母材的融化温度。若是熔池的温度介于母材的融化温度和混合物的融化温度之間，则會發生母材的熔池，但碳化物混合物仍為固态。凝集后，可以将其视為微觀布局。若是因為较高的激光注量，熔池温度跨越混合物的融化温度，则碳化物消融在熔池中，是以凝集后不存在微觀布局。
因為微布局仅在利用较低的注量時呈現，這在激光微抛光中其實不常见（没有有用的腻滑），是以利用较高的注量會阻拦這些布局的構成。
4结论
咱们肯定了在持续激光辐射的激光宏觀抛光和脉冲激光辐射的激光微觀抛光進程中呈現的分歧概况布局。布局受抛光進程自己（進程引诱布局）或質料（質料引诱布局）的影响。對付所阐發的每一個布局，均可以肯定這類布局產生的機制。别的，還建议若何削減布局對粗拙度的影响。
在某些环境下，必要反向调解工藝参数。比方，在激光宏觀抛光進程中，對付较小的咬邊，必要较低的扫描速率，但對付较小的台阶布局，必要较高的扫描速率。這象征着不成能同時阻拦所有布局，概况布局将始终產生。為了得到尽量低的概况粗拙度，必需在分歧的概况布局之間找到均衡：必需调解工藝参数，使所有布局配合致使尽量低的概况粗拙度。
参考文献：E. Willenborg, Polieren von Werkzeugstählen mit Laserstrahlung, PhD thesis,RWTH Aachen University (Germany) 2005, 5.
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