明興祖,賴名濤,明 瑞,周 賢,樊濱瑞,賈松權(quán)

(1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖南 株洲 412007;2.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湖北 襄陽(yáng) 441053)

1 引 言

面齒輪實(shí)現(xiàn)空間相交或交錯(cuò)傳動(dòng)的關(guān)鍵件,廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、大型裝備、航空航天、工程機(jī)械等領(lǐng)域[1]。

在飛秒激光燒蝕金屬的研究中,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行大量的分析探索,Karim等[2]利用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法與激光激勵(lì)導(dǎo)帶電子、電子-聲子耦合的連續(xù)描述相結(jié)合的混合計(jì)算模型,研究了飛秒激光熔化、散裂和燒蝕鉻靶的機(jī)理。MA等[3]人利用能量密度為0.1～160 J/cm2范圍的飛秒激光燒蝕CMSX-4高溫合金材料,發(fā)現(xiàn)了兩種不同的蝕除機(jī)制,即當(dāng)能量密度為18倍的燒蝕閾值范圍內(nèi),材料燒蝕速率由光吸收長(zhǎng)度決定,當(dāng)能量密度大于18倍的燒蝕閾值時(shí),蝕除率顯著增加,并產(chǎn)生重鑄層。Zhang等[4]利用飛秒激光熔化和燒蝕Ni3Al,采用分子動(dòng)力學(xué)模型在原子角度揭示了復(fù)雜的燒蝕過程和物理機(jī)制,得出了在低能量密度下,材料表現(xiàn)為非均勻的表面熔化和均勻的內(nèi)部熔化,在高能量密度時(shí),材料燒蝕遵循相爆炸機(jī)制且相爆炸只局限于激光的中心。在對(duì)飛秒激光加工金屬的模型研究中,大量的學(xué)者對(duì)雙溫模型進(jìn)行了充分解讀,紀(jì)利平、宋梓鈺等[5]利用COMSOL仿真軟件建立了銅片雙溫模型,通過控制變量,數(shù)值研究了光斑半徑和激光能量對(duì)電子與晶格溫度的影響,并預(yù)測(cè)了燒蝕后的形貌。謝揚(yáng)[6]利用comsol軟件研究了飛秒激光燒蝕Ti-6Al-4V合金電子和晶格溫度的變化規(guī)律,為飛秒激光加工合金提供了大量的理論依據(jù)。Kumar等[7]將合金材料Ti-6Al-4V利用comsol軟件,將飛秒激光燒蝕合金材料的溫度模型進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,分析了隨電子溫度變化的一些參數(shù)的確定。明興祖、金磊等[8]利用飛秒激光燒蝕齒輪材料20CrMnTi,通過雙溫方程模擬電子晶格的溫度傳遞,研究了改變能量密度對(duì)燒蝕形貌的影響,并計(jì)算了燒蝕閾值。

本文在研究飛秒激光燒蝕面齒輪材料18Cr2Ni4WA機(jī)理的基礎(chǔ)上,建立復(fù)耦合模型進(jìn)行仿真分析電子和晶格溫度的變化過程,預(yù)測(cè)面齒輪的燒蝕形貌,理論和實(shí)驗(yàn)分析激光加工參數(shù)影響規(guī)律。

2 飛秒激光燒蝕面齒輪材料機(jī)理

飛秒激光具有燒蝕區(qū)域精確、熱影響區(qū)域極小、效率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[9]。當(dāng)飛秒激光輻照面齒輪材料表面,內(nèi)部自由電子吸收光子能量,電子溫度急劇上升,迅速達(dá)到最高溫度,后通過電聲耦合將溫度傳遞給晶格,使得晶格溫度上升,電子溫度下降,最終兩者達(dá)到平衡溫度。整個(gè)過程為非平衡加熱和非平衡相變的特征,傅里葉經(jīng)典熱傳導(dǎo)不適用此研究[10]。而對(duì)于飛秒激光加工過程中能量的傳遞過程,材料中的自由電子在激光作用下被激發(fā),產(chǎn)生高頻振動(dòng),部分激光能量因逆韌致輻射過程被反射,另外的激光能量被材料吸收。一般金屬材料的能量吸收率只有0.6左右,面齒輪材料的吸收率更低,又經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明飛秒激光作用時(shí)電子吸收光子能量溫度升高,熱容、熱導(dǎo)率、吸收系數(shù)和吸收率都會(huì)隨之變化[11],故在經(jīng)典的雙溫方程的基礎(chǔ)上建立耦合動(dòng)態(tài)熱力學(xué)參數(shù)的復(fù)耦合模型。

如圖1所示為當(dāng)飛秒激光輻照在面齒輪材料表面時(shí),材料內(nèi)部的溫度的傳遞過程。首先光子通過與電子的碰撞將溫度傳遞給電子,電子溫度升高后通過電聲耦合將溫度傳遞給晶格,由于面齒輪材料成分復(fù)雜,此時(shí)會(huì)存在溫度沒有上升的晶格,升溫了的晶格會(huì)進(jìn)一步的將溫度傳遞給其他晶格,達(dá)到平衡溫度后,溫度逐漸向材料更深處傳遞,滿足傅里葉傳熱,但不足以達(dá)到材料的燒蝕閾值故保持原態(tài),最終溫度達(dá)到初始溫度。當(dāng)材料溫度達(dá)到0.9倍的臨界溫度時(shí),大量超熱的熔融材料均勻成核,發(fā)生相爆炸現(xiàn)象[12]。

圖1 飛秒激光燒蝕面齒輪能量傳遞過程

3 面齒輪材料的飛秒激光燒蝕復(fù)耦合模型

本次研究對(duì)象為18Cr2Ni4WA,主要成分為Fe,其他成分如表1所示,在參數(shù)給定方面,通過查閱文獻(xiàn)[13],得到材料相關(guān)參數(shù)如表2所示,在飛秒激光燒蝕面齒輪材料的過程中,燒蝕過程轉(zhuǎn)瞬即逝,溫度的傳遞在皮秒級(jí),材料達(dá)到蒸發(fā)溫度時(shí)材料會(huì)蒸發(fā)掉,從而被蝕除,當(dāng)達(dá)到熔化閾值時(shí),會(huì)形成熔融材料,從而在仿真時(shí),只需考慮晶格溫度達(dá)到蒸發(fā)溫度時(shí),材料會(huì)被蝕除而進(jìn)行材料燒蝕形貌的預(yù)測(cè)。

表1 材料成分表

我們知道,材料的熱力學(xué)參數(shù),包括吸收系數(shù)、吸收率、電子晶格耦合系數(shù)、電子熱容、電子熱導(dǎo)率都會(huì)隨電子溫度的變化而變化[14],大量的文獻(xiàn)中都將其視作常數(shù),是不夠精確的。故在仿真模擬時(shí),需融入各種變化的熱力學(xué)參量進(jìn)行計(jì)算。在熱源方面,將激光輻照在金屬表面的熱源看做高斯型面熱源,當(dāng)激光輻照時(shí)大量的能量被反射掉,其他能量則被材料吸收,當(dāng)材料溫度升高時(shí),吸收率也會(huì)隨之而變[15],另外,溫度升高材料表面會(huì)產(chǎn)生氧化層,其對(duì)能量的吸收也有一定的影響,對(duì)于不同的相態(tài)的吸收率也會(huì)有所不同,故加入動(dòng)態(tài)吸收率A。材料的吸收率可由下面公式得到,研究只考慮吸收率隨電子溫度的變化[16]。

A=1-R

(1)

其中,R為材料的反射率;n為材料的折射率;κ為消光系數(shù),是用來描述光在材料中傳播時(shí)的損耗的參數(shù)。一般地,金屬的電導(dǎo)率值極大,通過簡(jiǎn)化麥克斯韋方程組,可以得到折射率和消光系數(shù)簡(jiǎn)化后的公式為[17]:

(2)

其中,ω為激光角頻率;ε0為真空介電常數(shù);σ為材料的電導(dǎo)率。 激光輻照時(shí),一般將電導(dǎo)率σ看成是與電子溫度Te的線性函數(shù),為:

(3)

其中,T0為材料初始溫度;σ0為材料初始溫度時(shí)的電導(dǎo)率。 將電導(dǎo)率關(guān)于電子溫度的函數(shù)式(3)代入到吸收率公式(1)得到吸收率A與電子溫度之間的函數(shù)關(guān)系式:

(4)

通過公式可以看出,主要是通過電子溫度影響材料的電導(dǎo)率,從而影響材料的吸收率。從式中可以看出,材料吸收率與電子溫度成正比關(guān)系,隨著電子溫度的增大,材料的吸收率會(huì)逐漸增大。

而材料對(duì)激光的吸收系數(shù)b與激光的波長(zhǎng)、材料的消光系數(shù)有關(guān),可得到[18]:

(5)

式中,c是激光在真空中的傳播速度;v是激光的傳播速度;λ0為激光的波長(zhǎng)。

將電導(dǎo)率關(guān)于電子溫度的函數(shù)式(3)代入到吸收系數(shù)的公式(5)得到吸收系數(shù)與電子溫度之間的函數(shù)關(guān)系式:

(6)

相應(yīng)的各參數(shù)如表2所示。

在經(jīng)典的雙溫模型的基礎(chǔ)上,建立融入動(dòng)態(tài)熱力學(xué)參數(shù)的復(fù)耦合模型,現(xiàn)有下列公式:

S(x,t)

(7)

(8)

公式中電子熱容隨電子溫度的變化而變化,由下列公式[19]:

Ce=BeTe

(9)

式中,Be為電子熱容系數(shù),可從表2中得知。 雙溫方程中電子熱導(dǎo)率ke可由下式得到[20]:

(10)

式中,k為常溫下材料的導(dǎo)熱系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[21]θe=Te/Tf,θl=Tl/Tf,Tf為費(fèi)米溫度。而電子與晶格的耦合系數(shù)G隨著電子和晶格的溫度而變化,其表達(dá)式為[22]:

(11)

式中,Grt為常溫下電子晶格的耦合系數(shù);Ae和Bl是電子弛豫時(shí)間的材料常數(shù),可從表2中得知。

綜合上述的各種參數(shù)的公式,融入各個(gè)隨電子溫度變化的熱力學(xué)參數(shù),故材料吸收的熱源為:

(13)

表2 仿真參數(shù)表

3.1 激光能量密度的影響分析

首先,設(shè)置脈寬為800 fs,重復(fù)頻率為100 kHz,改變能量密度F,依次設(shè)置為1.58 J/cm2、1.98 J/cm2、2.38 J/cm2、4.77 J/cm2,加入電子和晶格探針,通過計(jì)算出電子和晶格的溫度變化過程,結(jié)果如圖2所示。

(a)1.58 J/cm2

(b)1.98 J/cm2

(c)2.38 J/cm2

(d)4.77 J/cm2

圖2中,Te表示電子溫度,Tl表示晶格溫度。當(dāng)飛秒激光輻照在材料表面時(shí),電子和光子迅速碰撞,能量由光子傳遞給電子,導(dǎo)致電子溫度急劇上升,達(dá)到頂峰,此過程中,晶格溫度也在迅速上升,達(dá)到最高值,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電子溫度。由于電子晶格耦合時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈沖寬度,最開始晶格幾乎處于原態(tài),經(jīng)過小于2 ps的時(shí)間,電子溫度與晶格溫度開始耦合,晶格溫度急劇上升后變得緩慢,最終兩者溫度達(dá)到平衡。從圖2中可以看出,隨著能量密度的增大,最終達(dá)到平衡溫度逐漸增大,電子最高溫度也在逐漸增大,兩者溫度達(dá)到平衡的耦合時(shí)間有略微的增加,但都在皮秒級(jí),耦合時(shí)間在3 ps內(nèi)。材料達(dá)到燒蝕閾值時(shí)開始損傷,逐漸熔化,溫度繼續(xù)升高則會(huì)達(dá)到材料的蒸發(fā)溫度使得材料蒸發(fā)而被去除,形成凹坑。將溫度達(dá)到蒸發(fā)溫度Tv的材料去除,預(yù)測(cè)燒蝕形貌,包括凹坑半徑和深度,得到如圖3所示的仿真形貌。

通過預(yù)測(cè)的形貌可以看出,隨著能量密度的增大,預(yù)測(cè)的凹坑形貌(半徑和深度)會(huì)逐漸增大。因?yàn)槟芰棵芏仍酱?電子溫度上升越快,最終達(dá)到平衡的溫度也會(huì)升高,從而達(dá)到蒸發(fā)溫度的材料就會(huì)隨之增多,從而燒蝕凹坑的半徑和深度增大。

(a)1.58 J/cm2

(b)1.98 J/cm2

(c)2.38 J/cm2

(d) 4.77 J/cm2

3.2 激光脈寬的影響分析

通過改變脈寬,仿真出電子和晶格之間的溫度變化過程,預(yù)測(cè)凹坑形貌。將脈寬分別設(shè)置為300 fs、800 fs,能量密度取2.377 J/cm2,重復(fù)頻率設(shè)置為500 kHz,得到電子溫度和晶格溫度的變化規(guī)律如圖4所示。

Time/fs

Time/fs

從圖4可以發(fā)現(xiàn)隨著脈沖寬度的增大,兩者溫度耦合時(shí)間變化不大,都在3 ps左右,最終平衡溫度也沒有很大變化,都在30000 K附近,但電子溫度最高溫度在逐漸減小,從37000 K下降到33000 K,對(duì)晶格的溫度變化趨勢(shì)幾乎無影響,電子溫度的降低說明燒蝕產(chǎn)生的熔融材料會(huì)有所減少。而預(yù)測(cè)的凹坑形貌如圖5所示。

(a) 300 fs

(b) 800 fs

根據(jù)改變脈寬預(yù)測(cè)出的燒蝕凹坑形貌,發(fā)現(xiàn)隨著脈沖寬度的增大,燒蝕凹坑的形貌(半徑和深度)變化不大。脈寬對(duì)燒蝕的形貌影響較小,只會(huì)對(duì)燒蝕的熱影響區(qū)域有影響。

4 面齒輪精微加工實(shí)驗(yàn)

采用飛秒激光加工設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn),振鏡為德國(guó)RAYLASE振鏡,激光器為FemtoYL-100,產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為1030 nm,光斑半徑為20 μm,可通過電腦系統(tǒng)調(diào)控激光參數(shù)和工藝參數(shù),設(shè)備中CCD是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其采用高感光度的半導(dǎo)體制作而成,能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳達(dá)給電腦。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)設(shè)備平臺(tái)的移動(dòng),實(shí)現(xiàn)精確的定位。實(shí)驗(yàn)采用吹氣系統(tǒng)在加工時(shí)將噴嘴對(duì)著加工位置吹入氬氣,其為惰性氣體能有效緩解工件在加工時(shí)表面氧化。顯而易見,三維移動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)X、Y軸的移動(dòng),其中間有一根旋轉(zhuǎn)軸能夠?qū)崿F(xiàn)材料在xy平面內(nèi)和xz平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。紅外測(cè)距儀能夠?qū)崟r(shí)顯示與平臺(tái)的高度,在材料加工前,首先需要確定原點(diǎn),激光高度的確定需要通過紅外測(cè)距儀來進(jìn)行參照,而且能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)激光移動(dòng)的高度。實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器采用三維超景深設(shè)備HIROX KH-7700,將凹坑形貌從低到高逐層掃描采集圖像,再合成凹坑形貌圖,測(cè)量精度為0.001 μm,整體飛秒激光加工系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。圖7所示的為實(shí)驗(yàn)采用的加工和觀測(cè)設(shè)備實(shí)物圖。

圖6 飛秒激光加工平臺(tái)示意簡(jiǎn)圖

(a)加工設(shè)備

(b)觀測(cè)設(shè)備 KH-7700

4.1 激光能量密度影響燒蝕形貌的實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中,首先改變激光功率,脈寬為800 fs,重復(fù)頻率取100 kHz,實(shí)驗(yàn)功率值設(shè)置為1.2 W,1.5 W,1.7 W,2 W,2.2 W,2.5 W,2.7 W,4 W,5 W,6 W,7 W,根據(jù)公式換算成能量密度為0.98 J/cm2,1.18 J/cm2,1.38 J/cm2,1.58 J/cm2,1.78 J/cm2,1.98 J/cm2,2.18 J/cm2,2.38 J/cm2,3.18 J/cm2,3.98 J/cm2,4.77 J/cm2,5.57 J/cm2,對(duì)面齒輪材料進(jìn)行單脈沖燒蝕實(shí)驗(yàn),觀察到燒蝕形貌如圖8所示,測(cè)得的凹坑深度及直徑隨能量密度的變化如圖9所示。

(a) 0.98 J/cm2 (b) 1.18 J/cm2

(c) 1.38 J/cm2 (d) 1.58 J/cm2

(e) 1.78 J/cm2 (f) 1.98 J/cm2

(g) 2.18 J/cm2 (h) 2.38 J/cm2

(i) 3.18 J/cm2 (j) 3.98 J/cm2

(k) 4.77 J/cm2 (l) 5.57 J/cm2

(a)凹坑深度直徑隨能量密度變化圖

(b)凹坑深度隨能量密度變化圖

(a)1.58 J/cm2

(b)1.98 J/cm2

(c)3.18 J/cm2

(d)3.98 J/cm2

(e)5.58 J/cm2

從圖9可以發(fā)現(xiàn),隨著能量密度的逐步增大,燒蝕材料凹坑的直徑和深度整體呈增大的趨勢(shì)。當(dāng)能量密度相對(duì)較小時(shí)如圖9(a)和圖9(b),燒蝕的凹坑直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光斑直徑40 μm,這是因?yàn)轱w秒激光脈沖呈高斯分布,距離中心越近的位置能量越高,當(dāng)能量密度小時(shí),最外圍還未達(dá)到材料的燒蝕閾值,幾乎不形成燒蝕。但是從圖8可以看出,當(dāng)能量密度較小為 0.98 J/cm2時(shí),飛秒激光對(duì)材料的燒蝕沒有產(chǎn)生多大的影響,此時(shí)凹坑直徑和深度相對(duì)較小,凹坑內(nèi)部還未產(chǎn)生熔融材料堆積,形貌較好,但去除材料量少。當(dāng)能量密度達(dá)到1.98 J/cm2時(shí),此時(shí)凹坑直徑和深度都有所加大,去除材料較多。隨著能量密度的進(jìn)一步增大達(dá)到2.18 J/cm2,凹坑內(nèi)部開始產(chǎn)生熔融材料堆積,大大地影響凹坑的平整性。當(dāng)能量密度繼續(xù)增大,達(dá)到氣化閾值的材料被去除掉,達(dá)到熔化閾值的材料未能及時(shí)排除凹坑,而堆積在凹坑內(nèi)部,使得凹坑底部極其不平整。從圖10可以看出,燒蝕凹坑中心位置深度越大,向兩邊逐漸減小,這是由于飛秒激光能量呈高斯分布,中心處的能量最高,離中心越遠(yuǎn),能量越低。隨著能量密度的增大,形貌截面測(cè)量圖曲線逐漸不規(guī)則,意味著凹坑內(nèi)部熔融材料增多,凹坑不平整。從該結(jié)果來看,取能量密度為1.98 J/cm2較為適宜。

4.2 激光脈寬影響燒蝕形貌的實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中改變激光脈沖寬度,分別取300 fs,500 fs,800 fs,功率固定為15 W,重復(fù)頻率取500 kHz,對(duì)面齒輪進(jìn)行單脈沖燒蝕實(shí)驗(yàn),燒蝕后的凹坑形貌圖如圖11所示。

圖11 改變激光脈沖寬度燒蝕面齒輪材料形貌圖

從圖11中可以看出,由于設(shè)置的功率過大,燒蝕凹坑內(nèi)部產(chǎn)生大量的熔融材料,中間孔洞是由于中心材料溫度達(dá)到0.9倍的臨界溫度,發(fā)生大量超熱熔融材料相爆炸現(xiàn)象,向四周噴濺熔融材料而形成。隨著脈寬增大,燒蝕凹坑內(nèi)的熔融材料逐漸減少。這是由于脈寬越大,相爆炸現(xiàn)象會(huì)有所減弱。從圖12看出,燒蝕凹坑的深度和直徑隨脈寬的變化影響不大。但是產(chǎn)生的大量熔融材料仍殘留在凹坑內(nèi)部,形成如圖所示的凹坑截面形貌,大大的影響著燒蝕材料的形貌。

(a) 300 fs

(b) 500 fs

(c) 800 fs

4.3 激光掃描速度對(duì)加工形貌的影響

激光掃描速度主要影響著激光光斑的重疊率,即相鄰兩個(gè)光斑重疊的部分與光斑面積的比值,如圖13所示。

圖13 激光光斑重疊率

從圖13中可以看出,低掃描速度時(shí),兩光斑之間的重疊面積更大,同時(shí)幾個(gè)光斑的能量重疊燒蝕同一處位置也是存在的。

取重復(fù)頻率為500 kHz,能量密度為2.38 J/cm2,脈寬設(shè)置為300 fs,改變掃描速度110 mm/s,150 mm/s,200 mm/s,300 mm/s。燒蝕材料形貌分別如圖14(a)、(b)、(c)、(d)所示。

(a)110 mm/s (b)150 mm/s

(c)200 mm/s (d)300 mm/s

從表面形貌圖來看,當(dāng)掃描速度為110 mm/s時(shí),如圖14(a),溝槽兩側(cè)的熱影響區(qū)域相對(duì)較大,輪廓相對(duì)來說不清晰,導(dǎo)致燒蝕后的溝槽寬度也有一定的影響,發(fā)現(xiàn)溝槽內(nèi)的表面不夠平整,存在大量小凹坑,大大影響著燒蝕形貌,當(dāng)掃描速度達(dá)到150 mm/s時(shí),如圖14(b),燒蝕溝槽兩側(cè)的熱影響區(qū)域減少,輪廓清晰了一些,但燒蝕表面的平整度還不夠,當(dāng)掃描速度達(dá)到200 mm/s時(shí),如圖14(c),燒蝕形貌較好,但表面仍不夠光滑,有少量的小凹坑存在,當(dāng)達(dá)到300 mm/s,如圖14(d),熱影響區(qū)域極小,燒蝕形貌較好,表面較為平整,輪廓變得清晰。

從圖15(a)可以發(fā)現(xiàn)燒蝕溝槽的深度隨著掃描速度的增大而逐漸減小,這是因?yàn)閽呙杷俣扔绊懼す夤獍叩闹丿B率,飛秒激光加工材料時(shí),因能量呈高斯分布,對(duì)中心處材料的燒蝕效果更加明顯,故在溝槽寬度上的影響相對(duì)較小,對(duì)燒蝕的深度影響嚴(yán)重。當(dāng)速度相對(duì)較小時(shí),光斑的重疊率相對(duì)較大,從而導(dǎo)致同一位置的能量累積增多,溫度繼續(xù)升高,達(dá)到蒸發(fā)溫度的材料增多,蝕除的材料就會(huì)增多,凹坑深度增大,而掃描速度快,光斑重疊率低,能量累積現(xiàn)象不明顯,達(dá)到蒸發(fā)溫度的材料相對(duì)更少,故蝕除的材料較少,導(dǎo)致溝槽深度淺。但是從圖15(b)發(fā)現(xiàn)溝槽寬度隨著掃描速度的增大有一定量的增大,前面說過,對(duì)于飛秒激光掃線加工,在寬度上的影響很小,隨著掃描速度的增大,溝槽的寬度本沒有多大變化,但是此處隨著掃描速度的加大,寬度有所增大,這是因?yàn)楣β蔬^高,當(dāng)掃描速度相對(duì)較慢時(shí)由于前面提到光斑重疊率相對(duì)較大,使得凹坑內(nèi)部產(chǎn)生大量的熔融物堆積在凹坑,并且燒蝕時(shí)液態(tài)材料濺出,附著在溝槽兩側(cè),從而使得寬度相對(duì)較小,而掃描速度快時(shí),這種能量累積的現(xiàn)象會(huì)相對(duì)不明顯,而燒蝕的溝槽輪廓就會(huì)更清晰,寬度更大,燒蝕內(nèi)表面更平整。從該結(jié)果來看,取掃描速度為300 mm/s較為適宜。

(a) 溝槽深度與掃描速度關(guān)系

(b) 溝槽寬度與掃描速度關(guān)系

5 結(jié) 論

通過研究飛秒激光精微加工面齒輪材料18Cr2Ni4WA的機(jī)理,在光子與電子,電子與晶格之間溫度傳遞的雙溫模型的基礎(chǔ)上建立了耦合動(dòng)態(tài)熱力學(xué)參數(shù)的復(fù)耦合模型,并進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)分析。

(1)當(dāng)飛秒激光輻照面齒輪材料表面時(shí),材料內(nèi)的自由電子受激,溫度急劇上升,達(dá)到最高溫度后,溫度開始下降,通過電聲耦合將能量傳遞給晶格,使其溫度迅速上升,最終達(dá)到平衡溫度,整個(gè)過程經(jīng)過3 ps左右的時(shí)間完成。隨著能量密度的增大,最終達(dá)到的平衡溫度逐漸增大,電子達(dá)到的最高溫度也增大；隨著脈寬的增大,電子達(dá)到的最高溫度減小。

(2)通過去除高于氣化溫度的材料預(yù)測(cè)了不同能量密度和不同脈寬下的燒蝕形貌,發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小,證實(shí)了模型的參考性和準(zhǔn)確性。

(3)改變激光的功率進(jìn)行燒蝕,通過三維超景深設(shè)備對(duì)燒蝕凹坑的形貌進(jìn)行觀測(cè),得到凹坑直徑和深度隨能量密度的增大都有一定的增大,但功率過大時(shí),凹坑內(nèi)熔融物堆積使得凹坑形貌極度不平整,得到能量密度為1.98 J/cm2時(shí)能獲得較好的燒蝕質(zhì)量。

(4)改變激光的脈寬,發(fā)現(xiàn)隨著脈寬的增大,凹坑半徑和深度變化不大,但熔融物會(huì)有一定的減少。

(5)改變激光掃描速度進(jìn)行掃線實(shí)驗(yàn),分析發(fā)現(xiàn)隨著掃描速度的增大,溝槽的深度逐漸減小,但寬度會(huì)增大,而且溝槽的邊界逐漸清晰,溝槽內(nèi)部逐漸平整。

通過實(shí)驗(yàn)分析得出,可考慮適當(dāng)加大掃描速度和減小激光功率來進(jìn)行材料的精微修正。當(dāng)設(shè)置的激光功率過大,會(huì)導(dǎo)致燒蝕凹坑內(nèi)產(chǎn)生的熔融殘留物過多,堆積在凹坑內(nèi),大大地影響了燒蝕形貌,整個(gè)仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差合理,說明了此仿真模型的參考性和可靠性。