摘要

       激光拋光是一種使金屬基底表面光滑的技術。拋光后的粗糙度不僅包含初始表面粗糙度的殘余，還包含由于拋光過程引入的表面結構而產生的新粗糙度。本出版物從實驗和數值上研究了激光宏觀拋光和激光微觀拋光產生這些結構的原因、影響參數以及如何減少它們對粗糙度的影響。可以看出，結構受工藝參數和工件材料的影響。對于較低的表面粗糙度，在某些情況下必須反向調整工藝參數，這意味著不可能同時阻止所有結構，并且在激光拋光過程中始終會出現表面結構。必須調整工藝參數，以使所有結構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。與傳統拋光技術相比，該工藝不會燒蝕材料，而是重新分配材料。薄表面層通過激光輻射熔化，熔池表面通過表面張力平滑，熔融材料在平滑狀態下凝固。

激光拋光工藝原理圖。

        激光輻照金屬拋光有兩種工藝變體:連續激光輻照激光宏觀拋光和脈沖激光輻照激光微拋光。對于這兩種工藝變體，大多數情況下都使用波長在1030 nm和1064 nm之間的激光輻射。

        在連續激光輻射的激光宏觀拋光過程中，當激光束被引導到表面上時，會產生一個連續的熔池。重熔深度可達200?μm，在大多數情況下，它介于30?μm和100?μm。然而，對于激光微拋光，使用脈沖激光輻射。熔池存在的時間通常比兩個激光脈沖之間的時間距離短得多，這意味著材料在下一個激光脈沖擊中表面之前會再溶解，從而形成離散的熔池。脈沖寬度對粗糙度有顯著影響：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點，因為這會增加平滑效果。因此，使用掃描速度和軌跡偏移，確保重熔點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。

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，沒有任何粗糙度（圖1，頂部）。然而，在現實中，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，拋光過程本身引入的表面粗糙度需要盡可能低。因此，必須了解導致該過程誘導粗糙度形成的機制。因此，本文研究了激光宏觀拋光和激光微觀拋光過程中工藝和材料誘導表面結構的影響。

       我們使用機械拋光樣品進行了調查（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程引入的粗糙度，然后可以對其進行分析。

2激光宏觀拋光

表面結構（圖2）可分為兩類：

       由熔體和凝固前沿動力學產生的表面結構（波紋、咬邊）以及由塑性變形和微觀結構變化產生的表面結構（凸起、臺階結構和馬氏體針狀物）。

圖2 在激光宏觀拋光過程中確定表面結構。

       凝固過程中會出現波紋和咬邊。這些結構由熔池的幾何形狀以及熔融和凝固前沿的時空發展決定。這兩種結構都受材料特性（如導熱系數、熱容和表面張力）、工藝參數（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。未檢測到熱處理和晶粒尺寸的影響。

       凸起、臺階結構和馬氏體針狀物是塑性變形和顯微組織變化的結果。在導熱系數和熱容等材料性能中，微觀結構和晶粒尺寸是影響這些結構的最重要因素。

2.1波紋

       當熔池體積波動時，形成波紋。這些波動可由激光功率的波動和材料的不均勻性引起。不均勻性會導致材料特性的變化，如熔化溫度、吸收、導熱性以及熔化和凝固前沿的容量。

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

       詳細的模擬表明，系統通過阻尼振蕩對熔池體積的波動作出反應。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了阻尼振蕩。

       表面的拋光是通過引導激光光束在一個蜿蜒的表面上，與軌道偏移小于光束直徑。因此，紋波部分被重熔(圖3)。當掃描第一個軌道時，紋波A出現。第二個軌道和第一個軌道有80%的重疊。結果80%的紋波A被重熔，只剩下沒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。

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。

       第一階段出現的波紋通常具有高振幅，無法通過以下重熔軌跡或階段完全消除。因此，會保留“桔皮”（二次波紋）。

對波紋形成的最重要影響可總結如下：

材料的不均勻性導致波紋；

在第二階段，由于第一階段導致的材料均勻化，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渡區域的熔體由于毛細管力開始滑動（圖4）。熔體的滑動導致咬邊的形成。

圖4 帶滑動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，掃描速度對溝槽的形成有重要影響。對于材料1.2343，當掃描速度從100 mm s^?1增加到300 mm s^?1時，溝槽的形成增加了10倍。對于材料1.2782，下切口的形成僅增加了五倍。

       當表面在激光軌跡之間以軌跡偏移dy進行拋光時，溝壑在軌跡偏移dy的距離內保持平行線(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。 

對咬邊形成的最重要影響可總結如下：

由于傾角增大，導熱系數越高，咬邊越?。?/p>

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的塑性變形造成的。當材料受熱時，它會試圖膨脹。周圍的冷材料可防止這些膨脹，從而產生壓縮應力。這些誘導壓應力可在熔池邊緣區域部分松弛。當膨脹的熔融材料向上推時，表面張力使其變圓。拉伸應力發生在冷卻過程中，周圍的固體材料可防止材料的熱收縮。如果超過材料的屈服點，材料開始流動，從而導致塑性變形。

       圖6顯示了具有典型凸起的單軌。凸起區域1重新熔化。區域2和3未重新熔化，但由于熱影響區中的感應應力而變形。對于非變形鋼，整個變形區域的積分為零。

圖6 左：無咬邊的單個凸起軌跡的白光干涉測量和光顯微照片；右：單軌縱斷面

       對于轉變鋼，如材料1.2343，有限熱膨脹/收縮產生的塑性變形可能與微觀結構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，由于高冷卻速率，形成馬氏體微觀結構。熱影響區的微觀結構根據初始材料的微觀結構和溫度進行硬化或退火。不同的微觀結構導致不同的密度。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構。

       后續軌道導致對先前軌道進行熱處理。之前硬化的履帶經過退火處理。圖7顯示了材料1.2343上激光拋光場的橫截面。

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。硬化區和退火區在腐蝕后的顏色不同，可以區分。硬化區是明亮的，而退火區看起來較暗。硬度在深度為50 μm時測量，在490至650 HV之間波動。僅對軌跡偏移小的重熔區(dy≤50 μm, dL = 250 μm)進行連續退火。

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

       圖8左側的軌道偏移等于梁直徑。因此，在曲面中表示單個凸起。圖案的高度對應于凸起的幅度。減少軌跡偏移會導致陣列高度降低，因為單個軌跡會相互合并。軌道偏移量為dy時?=?50?μm，凸起不再控制粗糙度。

對凸起形成的最重要影響可總結如下：

材料性質：相變塑性、彈性模量、膨脹系數；

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臺階結構

        除了表層的塑性變形導致凸起外，這種變形還導致另一種稱為臺階結構的表面結構。此類臺階形成于表面附近晶粒的晶界處，高度可達5?μm（圖2，中下部）。對非相變材料1.2782和1.4571的臺階結構進行了研究，因為這些材料的臺階結構沒有被其他表面結構（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晶粒變形的結果。當達到滑動面的臨界剪切應力時，晶粒開始變形。原子層在滑動面上滑動。局部剪應力的尺寸由施密特定律描述，本質上取決于滑動面對拉應力的方向。

       晶格或滑動面的不同方向導致單個晶粒的不同變形（圖9）。這會在曲面上產生臺階。

圖9 受現有拉伸應力變形不同的表面附近晶粒的示意圖。

       臺階結構引起的粗糙度隨著加工階段的數量和軌跡之間的小軌跡偏移而增加。如果材料先凝固，則每個重熔過程都會引起新的塑性變形。這意味著塑性變形和由此產生的步驟可以隨著每次重熔而逐漸增加。此外，臺階結構的形成受初始材料的晶粒尺寸或在凝固過程中顯示晶粒非外延生長的材料的細化晶粒尺寸的影響。

對臺階結構形成的最重要影響可總結如下：

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

2.5馬氏體針

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

對馬氏體結構形成的最重要影響可總結如下：

       只有轉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，大量的級數和較小的軌道偏移導致脫碳。

3激光微拋光

3.1實驗方法

       采用X38CrMoV5–1鋼（1.2343，AISI H11）和Ti6Al4V進行激光微拋光研究。重疊重熔點的激光拋光實驗（彎曲模式試驗場的拋光）表明，在單脈沖重熔過程中出現的結構在下一個點的重熔過程中部分或完全平滑。

       采用白光干涉儀（WLI）、光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對重熔區進行了分析。實驗中可以識別出六種不同的表面結構。圖10給出了這些結構的概述。雖然其中三種結構是由工藝本身產生的（“工藝誘導表面結構”），因此，在激光微拋光過程中總是會出現，但其他三種結構是由所用材料產生的（“材料誘導表面結構”）。這意味著它們僅在材料具有特定特性時發生，例如離析或夾雜物。

圖10 確定的表面結構；上圖：過程誘導的表面結構；下圖：材料誘導的表面結構。

3.2微波紋度

       單個激光脈沖擊中表面后，粗糙度始終可見，高于機械拋光樣品的初始表面粗糙度。振幅在以下范圍內≈0.3?μm，這意味著微波紋度對表面形貌的影響與咬邊差不多。激光束的強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 由單個激光光斑重熔的區域中心的表面粗糙度Ra取決于入射激光通量。

圖11顯示了單個激光光斑重熔區域中心的粗糙度，該粗糙度取決于入射通量。可以區分四種不同的制度：

固體狀態：對于低激光注量，注量太低，無法熔化表面。在這種情況下，與初始粗糙度相比，粗糙度不會改變。

熔化狀態：對于較高的激光注量，表面被激光輻射熔化，并發生平滑。

熔化?+?局部蒸發區：為了進一步增加激光注量，粗糙度會急劇增加。如果由于熔體池的溫度不均勻，局部溫度超過表面的蒸發溫度，則會發生蒸發，并且表面這些部分的蒸氣壓會強烈增加。

蒸發狀態:對于非常高的激光通量，在整個熔池上方存在蒸發，這導致表面粗糙度介于熔化狀態和熔化+蒸發狀態之間。

計算圖11所示的粗糙度時，不考慮熔池邊緣。尤其是在蒸發狀態下，材料重新分配并導致邊界膨脹，這增加了激光微拋光表面的粗糙度，因此產生的表面粗糙度高于熔化狀態?+?蒸發狀態。

總的來說，這種微波紋是由于材料的局部不均勻強度和吸收造成的。為了獲得較低的微粗糙度，強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，才會出現邊界膨脹。在這種情況下，在拋光過程中可以看到強烈的等離子體形成，這表明材料正在蒸發。在表面與一個激光脈沖相互作用后，材料重新分布在重熔區域：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（圖12）。由于材料的徑向移動，在這種情況下，有效激光束直徑增加。

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

       總的來說，當使用高激光通量時，會發生邊界膨脹，導致材料蒸發。這意味著可以通過在熔融狀態下拋光來防止邊界膨脹。

3.5孔

       對一些非重熔材料進行拋光后，表面會出現坑狀結構（孔）。孔洞源于硫化物和氧化夾雜物；氮夾雜物對孔洞的形成沒有影響。硫化物包裹體或其分解產物強烈吸收激光輻射，而氧化包裹體由于導熱率低而導致熱量積聚。在這兩種情況下，材料在表面的這些部分被強烈加熱，材料發生爆炸狀蒸發，形成火山口狀結構（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型、大小和數量。

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

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

3.6微觀結構

        在X38CrMoV5–1的激光微拋光后，微結構會出現，其能量密度通常太低，無法有效平滑表面。結構的橫向尺寸約為0.5–2?μm。EDX測量表明，這些結構中存在高濃度的碳。當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）時，不會出現微結構。

        碳的濃度表明其結構為碳化物包裹體。此類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，則會產生母材的熔池，但碳化物夾雜物仍為固態。凝固后，可以將其視為微觀結構。如果由于較高的激光注量，熔池溫度超過夾雜物的熔化溫度，則碳化物溶解在熔池中，因此凝固后不存在微觀結構。

        由于微結構僅在使用較低的注量時出現，這在激光微拋光中并不常見（沒有有效的平滑），因此使用較高的注量會阻止這些結構的形成。

4結論

        我們確定了在連續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程中出現的不同表面結構。結構受拋光過程本身（過程誘導結構）或材料（材料誘導結構）的影響。對于所分析的每個結構，都可以確定這種結構發生的機制。此外，還建議如何減少結構對粗糙度的影響。

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