激光功率與掃描速度對微織構形貌影響試驗研究

鄭凱瑞，楊發展，姜芙林，張娜

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島 266250)

0 前言

硬質合金由于具有硬度高、化學穩定性好、熱穩定性好等特點而被廣泛用作刀具材料[1]。隨著綠色制造技術、高速切削技術的快速發展，人們的綠色生產意識逐漸增強，制造業的飛速發展使得人們對產品的需求量和期望值越來越高。傳統加工刀具已難以滿足現代生產的需要，尤其是加工中刀具與工件之間劇烈的摩擦行為使得刀具的使用壽命大幅降低。探索如何降低刀具-工件接觸摩擦界面間的劇烈程度成為一些學者研究的熱點。在進行摩擦學特性研究時，人們發現在鯊魚、海豚、蟑螂、穿山甲等生物體身上存在的非光滑結構，可以幫助它們減小運動過程中的阻力[2-3]。受這一自然界生物自身結構的啟發，人們開始探索非光滑表面的減摩降磨結構和性能。隨著仿生學技術的不斷更新和發展，“表面微織構”這一概念率先在摩擦學領域被提出并逐漸走向成熟，目前微織構技術已經應用于諸多領域[4]，其中刀具表面微織構技術就是其中的典型代表。

研究發現：在刀具的表面加工出具有一定排列方式的微織構圖案，能夠有效減緩刀具在切削過程中的磨損現象，從而有效提高刀具的切削性能。溫永美等[5]通過建立微織構刀具三維仿真模型模擬微織構刀具切削鋁合金實驗，證明了合理的微織構形態能夠在很大程度上降低主切削力。ZHANG等[6]在刀具的前刀面加工出了不同直徑、深度和面積占有率的微凹坑織構，并對處于微潤滑狀態下微織構刀具的磨損行為進行了深入分析和研究，結果顯示：當織構直徑為170 μm、深度為7 μm、面積占有率為20%時，可以得到最佳的平均摩擦因數。GAJRANI等[7]在高速鋼刀具的表面加工出微織構，制成了自潤滑刀具，通過與傳統的刀具進行干切削實驗對比分析，證明了微織構刀具在改善刀具切削性能方面具有較為突出的優勢。

目前，生產中常用的微織構加工方式有電沉積技術、電火花加工技術、激光加工技術、光刻加工技術、微磨削、化學腐蝕等方式[8-9]。其中，激光加工因具有清潔高效、低成本、自動化程度高等優點而被廣泛應用在微織構加工方面[10]。激光加工過程中，將事先設計好的織構形狀導入控制激光器的計算機內，通過調節控制面板來改變激光加工過程中的不同參數。織構形狀決定了激光的掃描路徑，激光沿著預設的路徑進行加工，就可得到不同類型的微織構。然而，在加工過程中，被加工材料、激光功率和掃描速度等參數都會對織構的尺寸和形貌產生重要影響[11]。因此，若采用激光加工方式制備微織構工件，合理選擇激光參數至關重要。基于上述分析，本文作者采用納秒激光在硬質合金刀具表面加工出溝槽織構，研究激光參數對微織構形貌和尺寸的影響，探究激光參數對微織構尺寸和形貌的影響規律并揭示其影響機制。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 激光加工微織構原理

激光加工屬于非接觸式加工，當激光照射到物體表面時，工件材料表面會吸收激光能量，然后將光能轉化成熱能致使物體表面的溫度迅速升高，當能量達到物體表面的燒蝕閾值時，工件材料表面隨即會發生蒸發、汽化。由于激光束的能量分布呈現高斯分布的狀態，激光束中心區域的能量較高，向外側能量逐漸發散遞減，光束中心區域的壓力非常大。當壓力大于物體表面張力時，會形成高速的氣流沖擊，使得產生的熔融物飛濺出去，產生液相爆炸，從而達到了去除材料的目的[12-14]，飛濺出去的材料重新在工件表面凝結成熔融物。由于激光的能量非常集中，熱影響區域相對較小，所以采用激光加工時工件材料的變形小，對工件形貌影響較小。納秒激光加工原理如圖1所示。

圖1 納秒激光加工原理[15]

1.2 硬質合金刀具表面微織構的制備

實驗選用的材料為YG8硬質合金刀具(株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產)，尺寸為16 mm×16 mm×4.5 mm,其組成成分及物理特性見表1。在實驗開始前，將硬質合金刀具放置在超聲波清洗機清洗10 min，以除去刀具表面的污漬，所用的清洗液為無水乙醇。此次實驗所采用的激光器為IPG 納秒激光器，其型號為YLPN-1-100-200-R，激光器的基本性能參數如表2所示。實驗所采用的激光加工參數為波長 1 064 nm、脈沖寬度 100 ns、頻率30 kHz，掃描次數200次。采用單因素分析法探究激光加工功率分別為20、35、50、65 W，掃描速度在150、200、250、300 mm/s 時微織構的尺寸和形貌。為了獲得較好的觀測效果，微織構加工完成之后，將刀具再次清洗10 min，并放置自然風干。實驗儀器如圖2所示。采用激光共聚焦顯微鏡(VK-X1000系列)來觀察織構的形貌，織構的形貌和三維圖如圖3所示。

表1 YG8刀具材料特性

表2 激光器基本參數

圖2 實驗儀器

圖3 微織構形貌及三維圖

2 試驗結果與討論

2.1 掃描速度對微織構尺寸的影響

圖4為不同激光參數下的織構尺寸。由圖4 (a)可以看出：隨著掃描速度的增加，織構的深度和寬度均呈現不同程度的降低；當掃描速度從150 mm/s增大到300 mm/s時，織構的寬度和深度分別從88.415、22.017 μm 降低為78.534、11.483 μm。從這方面來看，工件表面材料去除的多少與單位時間內照射的激光能量的多少相關，激光能量大，材料去除能力就強。而掃描速度可以影響激光能量在工件表面上的作用效果，當掃描速度增加時，激光束停留在工件表面的時間減少，所提供給工件的能量減少，工件因蒸發、汽化濺射的材料就會相應減少，進而導致材料去除率降低。體現在織構尺寸上就是織構深度和寬度的減小。

圖4 不同激光參數下的織構尺寸

由圖4(b)可以看出：當其他加工參數一定時，隨著激光功率的增加，織構的深度和寬度都隨之增加。當激光功率為20 W時，織構的寬度為69.711 μm、深度為4.947 μm；當激光功率增大到65 W時，織構的寬度增長為78.531 μm，深度增長為11.483 μm。在激光加工過程中，存在以下關系式：激光能量密度等于激光功率除以掃描速度[16], 因此當設置掃描速度不變時，激光功率增大，激光束所提供的能量就變多，材料的去除能力隨即增強。

2.2 激光參數對織構形貌的影響

圖5為掃描速度為300 mm/s,激光加工功率分別為20、35、50、65 W時的織構形貌。可以看出：激光輻照過后濺射的材料在冷卻后沿著織構的輪廓堆積，產生了液相沉積現象，其結構為褶皺狀的微小顆粒。輪廓兩側堆積物的存在會影響微織構的加工質量，堆積物越多，所得到的織構的質量越差，嚴重時會使得工件的表面粗糙度增大；隨著激光功率的增加，在溝槽織構內部開始出現球狀熔融物堆積，這是由于材料在發生蒸發、汽化之后，部分未被噴濺出的材料在織構底部重新出現了凝結現象；熔融物整體結構呈現為球狀結構，激光功率不斷增大，溝槽內部堆積物的數量也隨之增長；激光功率越大，溝槽內部的熔融物越明顯，甚至有些熔融物的高度要大于材料表面的高度。圖6所示為激光功率為65 W、掃描速度為300 mm/s時的織構輪廓圖，可以看出：熔融物的高度明顯高于工件表面的高度。堆積物的存在將嚴重影響織構的形貌，進而影響工件表面后續的功能和使用，因此在加工微織構時，要根據實際情況選擇較小的激光功率。

圖5 不同激光功率下的織構形貌(掃描速度300 mm/s)

圖6 織構輪廓圖(65 W,300 mm/s)

圖7為激光功率為20 W時，不同掃描速度下織構的形貌圖。可以看出：溝槽底部僅有少量的熔融物，內部形貌較好，兩側輪廓清晰；隨著掃描速度的提高，激光輻照在材料表面的能量減少，溝槽表面燒蝕情況較輕，產生的熔融物也較少；當掃描速度為250 mm/s和300 mm/s時，織構的形貌變得更為清晰。圖8所示為激光功率為20 W、掃描速度為300 mm/s時的織構輪廓圖，可以看出：織構輪廓形貌較好，僅在溝槽兩側存在較少的凸起，凸起處為濺射的材料在織構兩側冷凝后的熔融物。

圖7 不同掃描速度下的織構形貌(激光功率20 W)

圖8 織構輪廓圖(20 W,300 mm/s)

綜合考慮表面織構的質量和加工效率，實驗最終選擇功率為20 W、掃描速度為300 mm/s時的加工參數。經過多次測量取平均值，最終獲得織構的寬度約為69.711 μm、深度約為4.947 μm。激光參數會對織構的尺寸和三維形貌產生很大的影響，因此在加工微織構過程中，要結合微織構具體的應用場合來選擇合適的激光參數，從而使微織構發揮出最佳效果。

3 結論

采用激光加工技術在YG8刀具的表面加工出溝槽型微織構，通過對其尺寸和形貌進行觀察測量，得到以下結論：

(1)織構的尺寸和形貌都會因激光加工參數的改變而產生較大的變化。激光功率越大，所提供的能量越多，所加工出的織構的尺寸越大；掃描速度越快，材料表面吸收的能量越少，織構的尺寸越小。

(2)當激光功率增大時，織構的底部會存在大量的熔融物堆積，功率越大，織構底部的熔融物越多，熔融物高度甚至會超過工件表面的高度，使得工件表面更加粗糙。且溝槽兩側沉積物也隨著功率的增大呈現出越來越多的趨勢，嚴重影響織構的形貌和質量。

(3)通過對不同激光參數下的織構形貌進行觀測，發現當激光功率為20 W、掃描速度為300 mm/s時，織構底部僅有較少的熔融物存在，得到的織構的形貌較好。在該加工參數下的織構的深度為4.947 μm、寬度為69.711 μm。

(4)不同的激光參數加工出的織構尺寸和三維形貌有很大差別，在實際加工過程中，要結合織構的應用環境來選擇合適的加工參數，以使織構發揮出最佳效果。