304 不銹鋼激光空化微造型實驗研究＊

林思浩 王 冠

（廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

表面微造型技術能夠改善材料表面的摩擦磨損性能，在精密制造行業有重要應用。而表面微造型加工方法會影響微造型的質量和摩擦性能[1]。激光空化的研究越來越受到研究人員的關注，日益完善，并逐漸在加工方面開始應用。相較于干式激光技術，兩種技術都有通過激光束的聚焦產生等離子體沖擊波，進而利用該力學作用完成微造型等加工。但兩種技術也存在不同，激光空化技術需要在較大深水中進行，除了等離子體沖擊波之外，還會產生空泡。同時空泡在潰滅時會產生沖擊波和微射流作用，從而產生多種復雜力學作用共同作用于材料，完成微造型。激光空化中的空泡能量大部分來自殘余激光能量，其潰滅時產生的力學效應可對材料表面進行作用。對比干式激光技術僅通過激光等離子體沖擊波作用，激光空化能夠實現能量更高效的利用。故激光空化技術具有能量集中、能耗較低和能量利用率更高等優勢[2]。同時研究激光空化對豐富完善脈沖激光在液相環境、低能量和微區域條件下的激光加工相關理論具有重要意義。因此，把激光空化技術引進表面微造型加工，研究激光空化加工參數對微造型的微坑成形尺寸形貌的影響規律具有重要意義。

1 激光空化微造型原理

激光誘導空泡是在液體介質中發生。液體介質作為無定形的連續性介質，具有各向同性、分布均勻等特性[3]。在常溫常壓條件下，通常認為液體水介質是不可壓縮的。但在高溫高壓條件下，在某一特殊區域內，可認為液體水介質是可壓縮的[4]。激光空化過程中，激光通過光學透鏡聚焦，形成高能激光束聚焦于液體介質中，在激光焦點處，當能量密度達到或超過液體介質的擊穿閾值時，會產生高溫高壓區域，液體介質被擊穿進而形成激光等離子體。液體介質會在激光等離子體快速膨脹過程中被壓縮，形成空泡，并且形成等離子體沖擊波。空泡產生后，會受到內外壓力差的影響，發生一系列的氣泡發生、長大、收縮和潰滅的脈動現象[5-7]。最終空化氣泡潰滅時，會對距離最近的壁面發出沖擊波，即空泡潰滅沖擊波。空泡完成第一次脈動后，會繼續長大和收縮，歷經幾次脈動特性后，直到空化氣泡中的能量消耗到盡，最終消失在液體介質中。一般說來，激光空化微造型工藝通常包括六個階段，如圖1 所示。

圖1 激光空泡微造型原理示意圖

圖2 所示為使用高速攝影儀拍攝的激光一次作用下，激光焦點位置H=0 mm、激光能量E=30 mJ條件下的激光空化微造型實驗全過程的序列變化圖。從序列圖中可以明顯看出，激光空化誘導的空化氣泡的脈動周期過程和尺寸特征，主要分為如下階段。

圖2 激光空化微造型的全過程序列變化圖

第一階段為激光擊穿液態水產生等離子體沖擊波過程。在第0 μs 時，激光束垂直入射至液態水中，并在激光焦點處產生非常刺眼的強光現象。這是激光擊穿液體產生的等離子體現象。在激光聚焦處及周圍部分空間區域產生高溫高壓環境，等離子體沖擊波推動周圍水體向四周擴散，形成了初始空泡。

第二階段為空泡的成長過程。在第33.4 μs 時，空泡迅速成長膨脹。此時由于激光聚焦處離待加工材料表面距離非常近，空泡便緊貼在待加工材料表面上方迅速向四周膨脹。到283.9 μs 時，空泡成長至最大泡徑。

第三階段為空泡的坍塌收縮過程。在317.3 μs時，可以明顯看到空泡對比前段時間已經發生收縮，空泡泡徑逐漸變小，向潰滅階段發展。

第四階段為空泡潰滅過程。在450.9 μs 時，可以看到空泡發生潰滅，空泡周圍的液態水迅速填補原先空泡占有的體積，加速周圍液體的流速，產生垂直于待加工材料表面的微射流。

第五階段為后續小空泡脈動產生射流擾動過程。在534.4 μs 時，在空泡潰滅后，繼續產生小空泡并快速沖擊待加工材料表面，經過幾次沖擊后，微射流和沖擊波消失，完成整個空泡的脈動過程。

2 實驗方案

2.1 實驗材料

本實驗采用304 不銹鋼作為激光空化微造型材料，其具備良好的成形性和加工性能，是工業中應用非常廣泛的材料。實驗中所用304 不銹鋼材料的主要化學成分見表1。實驗過程中，實驗材料需要固定在激光空化實驗水槽中，故選擇尺寸大小為20 mm×20 mm×2 mm。同時，為了確保材料加工表面平整度質量，去除表面沾上的雜質，需要在激光空化微造型實驗前對304 不銹鋼材料進行預處理。圖3 所示為經打磨拋光至鏡面效果的304 不銹鋼材料。

表1 304 不銹鋼的化學成分組成（%）

圖3 304 不銹鋼板實驗材料實物圖

2.2 實驗設備

圖4 所示為激光空化微造型實驗裝置。主要以激光器、光路系統、精密三維移動平臺和實驗水槽及控制系統組成。實驗水槽固定在精密三維移動平臺上，實驗水槽中設置夾具以固定加工材料。實驗中，加工材料放置在夾具上方固定。該實驗平臺裝置中，激光通過脈沖激光器發出，先經過能量衰減器再經反射鏡，最后經聚焦鏡匯聚成小光斑，并聚焦于實驗水槽中的加工材料上方。

圖4 激光空化微造型實驗裝置平臺

2.3 實驗方案

對于激光空化微造型過程中，激光能量、激光焦點位置和激光作用次數會對微造型產生影響，為了探究上述因素對激光空化微造型工藝的影響，進行了單因素實驗，并且每組實驗都重復進行了5 次，以降低實驗過程中產生的隨機誤差，具體實驗因素及參數設計見表2。實驗在恒溫恒濕環境下進行，實驗環境溫度25±2 ℃，實驗環境濕度<50%。激光波長532 nm、脈寬7 ns，激光器設置為手控盒手動單次觸發，通過調節激光器的工作電壓來改變激光能量。通過控制精密三維移動平臺XY平面對材料表面加工位置進行具體定位，調整控制三維移動平臺Z方向以達到改變激光焦點位置的目的。加工完成后，利用激光共聚焦顯微鏡（LEXT OLS4100）（圖5）對微造型表面進行形貌評測。

表2 單因素實驗設計表

圖5 激光共聚焦顯微鏡LEXT OLS4100

3 實驗結果及分析

材料表面微造型微坑的成形質量以平均寬度、平均深度數據來表征。激光空化微造型成形情況主要激光能量、激光焦點位置和激光作用次數的因素影響。這些因素會對激光空化中的激光等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和微射流的產生和傳播產生影響。最終影響空化載荷的大小，對304 不銹鋼表面微造型的寬度和深度產生影響。

3.1 激光能量的影響

圖6 所示為激光焦點位置為H=1 mm，作用次數為1 次的條件下，不同激光能量大小對304 不銹鋼表面微造型平均深度和平均寬度的影響關系圖。對于成形平均深度而言，由圖6 分析可知，當激光能量E從10 mJ 增大至55 mJ 時，微造型微坑的平均深度由1.53 μm 增大到了4.52 μm。微坑的平均深度隨著激光能量大小的增大而增大。這是由于在相同狀態下的液體介質中，保持激光焦點位置不變的情況下，激光束在液體介質中的路徑固定，激光在液體介質中所產生的散射反射及能量損失相同。采用激光作用次數為1 次，即單次脈沖激光作用，在此情況下，當激光能量增加時，激光的能量密度上升，在相同空間區域內激光擊穿液體介質產生等離子體的能量密度更大，進而導致激光等離子體沖擊波作用力更大。隨著脈動的進行，空化氣泡能夠達到的最大尺寸也隨之增大，空化氣泡所蘊含的能量也更大，最終空泡潰滅沖擊波和微射流所產生的空化載荷也更大[8]。這些空化載荷作用在304 不銹鋼表面，進而對微坑成形的深度產生影響。激光能量越大，所能產生的空化載荷也越大，微坑成形的深度也越大。

圖6 不同激光能量E 與304 不銹鋼為微造型平均深度寬度的關系

對于304 不銹鋼微造型平均寬度而言，從圖6可以分析得到：當激光能量E從10 mJ 增大至55 mJ時，微造型微坑的平均寬度由165.18 μm 增加至225.47 μm，微坑的平均寬度隨著激光能量大小的增加而增大。其原因為：在激光空化過程中，微坑的成形寬度大小主要受激光光斑直徑、高溫高壓能量致加工材料熔融、空泡潰滅沖擊波及微射流沖擊等因素影響。當激光能量增加時，激光能量密度更大，其產生的高溫高壓更能夠快速對加工材料輻射區域熔融，熔融態金屬向四周流動。同時，產生的激光等離子體沖擊波強度更大且更劇烈，空泡所能達到的最大尺寸更大，所能產生的潰滅沖擊波及微射流更強烈，對水的擾動作用更強，空化載荷作用區域相比有所擴大。在激光能量增加時，這些因素綜合影響下，導致微坑寬度有所增加。不同激光能量E下微造型微坑成形結果顯微圖如圖7 所示。

3.2 激光焦點位置的影響

圖8 所示為激光能量為45 mJ、作用次數為1次的條件下，不同激光焦點位置H對304 不銹鋼表面微造型平均深度和平均寬度的影響關系圖。對于304 不銹鋼表面微造型平均深度而言，由圖8 可知，當激光焦點位置H從0 mm 增大至4 mm 時，微造型微坑的平均深度從4.49 μm 減小到了0.64 μm。微坑的平均深度隨著激光焦點位置H的增大而減小，呈負相關趨勢。這是因為，隨著激光焦點位置H的增大，激光等離子體沖擊波在液體介質中的傳播距離增加，導致能量大量衰減，空化載荷減小。而且，隨著激光焦點位置H增大，能量衰減越快，微坑所形成的深度減小得更快，最后在激光焦點位置H=4 mm 時，成形效果不明顯。

圖8 不同激光焦點位置H 與304 不銹鋼為微造型平均深度和平均寬度的關系

對于304 不銹鋼微造型平均寬度而言，從該圖可以分析得到：當激光焦點位置H從0 mm 增大至4 mm 時，微造型微坑的平均寬度從181.96 μm 增大到了665.50 μm。微坑的平均寬度隨著激光能量大小的增大而增大，呈正相關趨勢。其主要原因與前文對激光能量大小影響微坑寬度一致。在激光空化過程中，微坑的成形寬度大小主要受激光光斑直徑、高溫高壓能量致加工材料熔融、空泡潰滅沖擊波及微射流沖擊等因素影響。激光焦點位置H的變化導致輻照至加工材料表面的光斑直徑尺寸發生變化，進而影響激光熱效應所輻射的區域范圍。激光焦點位置H對加工材料表面微坑寬度的成形規律，激光光斑直徑的起主要影響。不同激光焦點位置H下微造型微坑成形結果顯微圖如圖9 所示。

圖9 不同激光焦點位置H 下微造型微坑成形結果顯微圖

3.3 激光作用次數的影響

如圖10 所示為激光焦點位置為H=1 mm，激光能量為45 mJ 的條件下，不同激光作用次數對304不銹鋼表面微造型平均深度和平均寬度的影響關系圖。對于304 不銹鋼表面微造型平均深度而言，從該圖可以分析得到：當激光作用次數從1 次增大至10 次時，微造型微坑的平均深度從3.57 μm 增大到了12.04 μm。微坑的平均深度隨著激光作用次數的增大而增大，呈正相關趨勢。其原因為：在相同空間區域內，激光焦點位置和激光能量一定時，每當激光作用次數增加，就在加工材料表面微坑成形區域多次發生激光空化作用。每一次的激光空化過程，會對近壁面的表面產生瞬態的力學作用，對材料表面施加空化載荷，微坑成形的深度也越大。

圖10 不同激光作用次數與304 不銹鋼為微造型平均深度寬度的關系

對于304 不銹鋼微造型平均寬度而言，從該圖可以分析得到：當激光作用次數從1 次增大至10 次時，微造型微坑的平均寬度從213.14 μm 增大到了406.74 μm。微坑的平均寬度隨著激光作用次數的增大而增大，呈正相關趨勢。其主要原因與前文對激光能量大小影響微坑寬度一致。在激光空化過程中，微坑的成形寬度大小主要受激光光斑直徑、高溫高壓能量致加工材料熔融、空泡潰滅沖擊波及微射流沖擊等因素影響。在該區域內，在一定時間內，當激光作用次數增加，高溫高壓作用在材料表面，能夠更長時間對加工材料輻射區域熔融，熔融態金屬向四周流動。此外，由于激光等離子體沖擊波、空泡潰滅沖擊波和微射流對微坑區域進行了多次作用，這些因素綜合影響導致微坑的寬度增加。不同激光作用次數 下微造型微坑成形結果顯微圖如圖11 所示。

圖11 不同激光作用次數下微造型微坑成形結果顯微圖

4 結語

本文對激光空化微造型進行一系列實驗，深入研究了激光能量、激光作用次數和激光焦點位置對微造型微坑的成形寬度和深度的影響。通過實驗發現，激光能量作為激光空化過程液體介質中所蘊含的能量來源，深刻影響激光空化中所產生的等離子體能量大小，進而對空化氣泡的成長潰滅周期及其形態產生影響。最終影響空化載荷的大小，對304不銹鋼表面微造型的寬度和深度產生影響。激光焦點位置的變化會影響空泡的脈動周期及其形態，也影響激光能量對加工材料表面的作用距離和范圍，進而影響空化載荷的作用范圍，最終影響304 不銹鋼表面微造型的寬度和深度。激光作用次數作用同樣明顯，每一次的激光空化過程，都會對加工材料表面產生瞬時力學效應，最終影響304 不銹鋼表面微造型的寬度和深度。