本文的目的是為了發(fā)展一種革新的手段來(lái)通過(guò)穩(wěn)態(tài)的磁場(chǎng)輔助的激光拋光技術(shù)來(lái)克服當(dāng)前的瓶頸和獲得光滑的表面。利用連續(xù)激光拋光表面達(dá)到0.2μm以下。

成果簡(jiǎn)介：

連續(xù)波（CW）激光被廣泛地應(yīng)用于激光拋光，但連續(xù)波激光，卻很難將表面穩(wěn)定的將表面初始粗糙度超過(guò)1.0μm的表面拋光到0.2μm以下。本文的目的是為了發(fā)展一種革新的手段來(lái)通過(guò)穩(wěn)態(tài)的磁場(chǎng)輔助的激光拋光技術(shù)來(lái)克服當(dāng)前的瓶頸和獲得光滑的表面。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)了假說(shuō)：溶體在溶體的峰頂流向谷底時(shí)在激光拋光時(shí)會(huì)過(guò)流，從而造成二次粗糙，從而造成上述的質(zhì)量瓶頸。為了要么減少或消除二次粗糙化，一個(gè)穩(wěn)態(tài)的磁場(chǎng)用于CW激光拋光來(lái)抑制熔池的過(guò)流。采用三維表面輪廓儀、SEM和納米壓痕等表征和分析材料的顯微組織和性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面由于穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的洛倫茲力在一直溶體流動(dòng)方面起到了重要的抑制作用，從而減少了二次粗糙化。

1.引言

激光拋光工具鋼可以使用連續(xù)波（CW）激光拋光，也可以使用脈沖波激光來(lái)拋光。CW激光經(jīng)常用來(lái)拋光光滑的表面。發(fā)表的文章中涉及到拋光工具鋼的，表面粗糙度可以降低表面粗糙度的40—87%。如圖1所示為脈沖式激光拋光工藝對(duì)粉末床制造的Co-Cr-Mo 合金進(jìn)行拋光前后的對(duì)比圖。

▲圖1. 脈沖激光拋光前后的對(duì)比圖：（沒(méi)有進(jìn)行拋光前為粉末床工藝制造的Co-Cr-Mo 合金）

在過(guò)去的10年里，采用CW激光拋光工具鋼可以取得的成就，其最終的粗糙度很少有可以達(dá)到88%，但這一效果在采用CW激光拋光其他類型的金屬和其他類型的激光拋光時(shí)均很容易實(shí)現(xiàn)。如Kumstel和Kirsch使用連續(xù)激光來(lái)拋光鈦和鎳基合金時(shí)，可以從初始的表面粗糙度Ra=1μm，對(duì)Ti6Al4V合金，拋光速度為7s/cm2時(shí)，粗糙度為0.16μm。而對(duì)In718高溫合金的掃描速度為10 s/cm2的時(shí)候，可以達(dá)到的粗糙度為0.11μm。

▲圖2. 連續(xù)（CW）激光進(jìn)行拋光的機(jī)理示意圖：（a）熔池的峰頂流向谷底；（b）CW激光拋光的機(jī)理

Bordatchev和Hafiz等人發(fā)現(xiàn)盡管可以采用連續(xù)激光來(lái)拋光獲得較為光滑的表面，而在使用脈沖激光時(shí)可以使用更低的激光功率來(lái)操作而使得脈沖激光更具有吸引力，尤其是在拋光薄壁零件的時(shí)候更是如此。這就意味著在使用CW激光進(jìn)行拋光時(shí)存在瓶頸，從而阻礙了連續(xù)激光拋光來(lái)獲得更加光滑的表面，在本研究中，在使用CW激光拋光工具鋼時(shí)，假設(shè)在熔池的峰頂流到谷底的實(shí)施過(guò)程中，由于強(qiáng)烈的表面延伸（這是由于馬氏體形成增加造成的），造成二次粗糙。

▲圖3. 激光拋光后的表面的3D形貌圖：(a) 表面1和 (b) 表面2

除了對(duì)本領(lǐng)域的研究進(jìn)行綜述之外，當(dāng)前工作的重點(diǎn)是以提出的革新方案的驗(yàn)證，CW激光拋光同時(shí)輔助所產(chǎn)生，作為溶體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，這一驅(qū)動(dòng)的拉力則在抑制過(guò)流上起到非常重要的作用。

▲圖4 在外加磁場(chǎng)的作用下激光拋光的示意圖：(a)實(shí)驗(yàn)裝置圖；(b)磁場(chǎng) ； (c)磁場(chǎng)的模擬結(jié)果

早期的研究已經(jīng)探討過(guò)熔池在激光熔化過(guò)程中，如激光焊接、激光熔覆時(shí)的激光熔化過(guò)程中的作用。Fritzsche等人的研究則表明，在電磁場(chǎng)的輔助下，熔池中產(chǎn)生的洛倫茲力會(huì)對(duì)抗重力，造成了對(duì)不規(guī)則下垂的成功抑制。Chen等人則發(fā)現(xiàn)洛倫茲力在X或Z方向的正向所產(chǎn)生時(shí)會(huì)影響焊接熔池邊緣的溶體金屬，彎曲了其流體的路徑（它是一個(gè)長(zhǎng)度方向的部件）。Qi和Chen則認(rèn)為電磁力可以補(bǔ)償熔池的不充分的表面張力，并且他們成功的用來(lái)防止了熔池根部的缺陷，如下垂和塌陷（激光焊接的材料為不銹鋼）。Chen等人則發(fā)展了一個(gè)焊接熔池模型和洛倫茲力算法，并且他們認(rèn)為自誘導(dǎo)的磁場(chǎng)的幅度和洛倫茲力可以達(dá)到0.1mT和1KN/m3，從而影響了熔池的行為。Wang等人則研究了穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)對(duì)抑制熔池的影響（激光重熔），并且他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由于穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)所造成的洛倫茲力可以成為溶體流動(dòng)時(shí)的拉力，從而顯著的降低了溶體的流速。由此，表面波動(dòng)起伏也由于穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)而得到顯著的壓縮，從而可以通過(guò)激光再熔而實(shí)現(xiàn)表面光滑。

在本研究中，應(yīng)用穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)來(lái)抑制采用CW激光拋光時(shí)的熔池的過(guò)流和獲得更加光滑的表面。

2. 研究結(jié)果

S136H工具鋼進(jìn)行了多道激光拋光實(shí)驗(yàn)。CW激光拋光時(shí)，在變化穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的強(qiáng)度時(shí)，對(duì)拋光后的形貌進(jìn)行了研究。圖5為在每一特定激光功率下拋光時(shí)的表面粗糙度。圖6則為同一樣品在不同的掃描速度下的研究結(jié)果。

▲圖5. 在外加電磁場(chǎng)的作用下激光功率對(duì)激光拋光后的表面粗糙度的影響

當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度從0增加到0.4T時(shí)，洛倫茲力在抑制造成的二次粗糙度的過(guò)流（體）上具有非常積極的作用。磁場(chǎng)的強(qiáng)度越大，激光拋光后的表面越光滑，圖5和圖6則表明當(dāng)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.4T時(shí)，同沒(méi)有施加磁場(chǎng)時(shí)的激光拋光表面相比較，其表面粗糙度降低了約65%。然而，穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)達(dá)到0.5T時(shí)則起到了負(fù)面的作用，這是因?yàn)轭~外的洛倫茲力不僅會(huì)阻礙溶體的過(guò)流，還會(huì)使得溶體的流動(dòng)向相反的方向進(jìn)行，由此造成了減少磁場(chǎng)的積極作用和使得粗糙度被重新建立起來(lái)。

▲圖6. 在不同的外加輔助磁場(chǎng)的作用下不同掃描速度條件下得到的激光拋光表面

不施加磁場(chǎng)時(shí)，激光表面拋光后所得到的最小表面粗糙度為Ra=0.514μm，而施加穩(wěn)態(tài)的磁場(chǎng)（B=0.4T）時(shí)得到的最小粗糙度為Ra=0.168μm，此時(shí)的激光功率為400 W，掃描速度為600 mm/s。在圖5中的點(diǎn)D和圖6中的點(diǎn)E指出了在沒(méi)有施加外加輔助磁場(chǎng)的時(shí)候表面拋光后的最小粗糙度，而圖6中的點(diǎn)F則為施加外加磁場(chǎng)后所得到的最小表面粗糙度值。拋光后的點(diǎn)D-F見(jiàn)圖7。

▲圖7. 在磁場(chǎng)輔助時(shí)CW激光拋光的實(shí)物圖的表面圖

圖8（a）顯示的為表面拋光前的初始狀態(tài)，圖8（b）則顯示的為在沒(méi)有施加外加磁場(chǎng)的時(shí)候所得到的表面拋光后的形貌。采用CW激光拋光S136H工具鋼，在不同的搭接率條件下進(jìn)行提高表面粗糙度，可以從Ra=1.873μm減少到粗糙度Ra=0.514μm。其減少值可以達(dá)到72.5%，這一數(shù)值比早期的最佳值88%要低。非常明顯，CW激光在沒(méi)有施加外加磁場(chǎng)輔助的時(shí)候并不能克服實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的降低的瓶頸而達(dá)到Ra=0.2μm。圖8（c）顯示的為在外加磁場(chǎng)輔助下所得到的結(jié)果。自熔池中產(chǎn)生的洛倫茲力抑制了熔池的過(guò)流和將表面粗糙度值降低值為91%，并且非常明顯，在外加輔助電場(chǎng)作用下的激光拋光可以克服質(zhì)量瓶頸，這一瓶頸一直是限制激光拋光的最大因素。

▲圖8. 表面的3D形貌圖：(a) 初始的表面形貌圖, (b) 在沒(méi)有外加輔助電磁場(chǎng)時(shí)的激光拋光表面； (c)在有外加輔助電磁場(chǎng)的時(shí)候激光拋光之后的表面

在外加磁場(chǎng)的輔助下，表面粗糙度可以降低的程度同沒(méi)有施加磁場(chǎng)相比較，可以下降超過(guò)10%-45%，但表面粗糙度隨著激光功率和掃描的變化程度幾乎保持一致。這就意味著磁場(chǎng)并不會(huì)改變激光拋光所帶來(lái)的趨勢(shì)，有無(wú)磁場(chǎng)時(shí)對(duì)表面形貌的影響見(jiàn)圖9所示。激光拋光對(duì)表面峰頂?shù)慕档驮谕饧虞o助磁場(chǎng)的作用下降低的非常明顯。與此同時(shí)，在沒(méi)有施加外加磁場(chǎng)的時(shí)候，其表面波形分布則比施加電磁場(chǎng)時(shí)要紊亂的多，這是因?yàn)殡姶艌?chǎng)所產(chǎn)生的洛倫茲力會(huì)以拉力的形式作用在溶體上并改變其表面差異，包括表面空間波形的改變。在穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)作用下的洛倫茲力不僅會(huì)引致溶體過(guò)流而形成新的粗糙度的峰頂，同時(shí)還會(huì)縮短表面差異的空間波形。

▲圖9. 在有無(wú)施加磁場(chǎng)時(shí)激光拋光之后的表面異常的對(duì)比圖

B激光拋光表面的微觀粗糙程度

圖10比較了在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度從0到0.4T時(shí)，在拋拋光前要高。進(jìn)一步的，隨著外加輔助電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，拋光后的表面顯微硬度同沒(méi)有施加磁場(chǎng)的相比較，可以提高35%。在一個(gè)激光焊接研究中，Chen等人獲得了相類似的結(jié)果和提出熔化區(qū)硬度的提高是由于基于Marangoni對(duì)流造成的電磁壓縮。在連續(xù)激光拋光且有輔助電場(chǎng)時(shí)，不僅溶體的過(guò)流會(huì)得到抑制，馬氏體相變的激活能也會(huì)得到抑制，促進(jìn)了殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變且均均勻的分布，因此，拋光后的表面顯微組織就更加致密，由此提高了顯微硬度。

▲圖10. 激光拋光后的顯微硬度的對(duì)比圖

圖11顯示了拋光后的橫截面的顯微組織的SEM照片。圖11（a）中，熔化區(qū)的深度和熱影響區(qū)的深度分別為100μm和60μm。同熔化區(qū)相比較，熱影響區(qū)和基材，其熔化區(qū)的馬氏體的微觀組織是最為致密的，見(jiàn)圖11（b），從而導(dǎo)致了顯微硬度的提升，其原因是馬氏體的形成造成的。然而，隨著深度的增加，其顯微組織的致密度就會(huì)逐漸降低。這是因?yàn)轳R氏體相變逐漸變?nèi)酰�最終被來(lái)自熱影響區(qū)的原始奧氏體所覆蓋，直至形成基材。較高的放大倍數(shù)，如圖11（h）-11（d）所示，S136H的基材的顯微硬度在不同的激光掃描模式下呈現(xiàn)出不同的顯著的差異。

圖11 激光拋光后的橫截面的SEM照片：(a)激光拋光后總體的橫截面圖 ； (b) 熔化區(qū)的截面；(c) 熱影響區(qū)的橫截面照片, (d) 基材處的橫截面照片

圖12（a）和12（b）則為輔助電場(chǎng)B=0T和B=0.4T時(shí)的SEM圖，以粗糙度的峰值和谷底的深度來(lái)表征的話，表面拋光后的光滑程度見(jiàn)圖12（b）。在溶體過(guò)流的抑制過(guò)程中，磁場(chǎng)造成的洛倫茲力推動(dòng)溶體過(guò)流到峰頂，如圖2所示，溶體回流和降低了整個(gè)Marangoni的對(duì)流，從而降低了溶體的提高。在實(shí)驗(yàn)中磁場(chǎng)強(qiáng)度為B=0.4T的時(shí)候，表面拋光后兩個(gè)顯著的特征為：最小粗糙度值為Ra=0.168μm（見(jiàn)圖8）和最大的硬度值為4.25GPa（見(jiàn)圖10）。

▲圖12. 在輔助的電磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為B = (a) 0 T和 (b) 0.4 T時(shí)的SEM顯微組織照片

結(jié)論

本研究的目的是為了探討穩(wěn)態(tài)的磁場(chǎng)對(duì)在CW激光拋光時(shí)熔池過(guò)流的影響。傳統(tǒng)的CW激光拋光，由于熔池過(guò)流造成的二次粗糙會(huì)導(dǎo)致表面達(dá)到一定的粗糙度失敗。在本研究中，輔以穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，洛倫茲力起到了積極的作用，抑制了熔池的過(guò)流和相應(yīng)地使得該方法可以在CW激光拋光中實(shí)施。獲得的粗糙度表面同原始表面相比較，顯微硬度提高了112.5%。在磁場(chǎng)強(qiáng)度B=0.4T時(shí)，高的表面顯微硬度和低的表面粗糙度可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)。