水导激光加工对316L不锈钢微观形貌的影响规律

于永飞，乔红超，曹治赫，赵吉宾，张旖诺,4，吴嘉俊,4

水导激光加工对316L不锈钢微观形貌的影响规律

于永飞1,2,3，乔红超1,3*，曹治赫1,3，赵吉宾1,3*，张旖诺1,3,4，吴嘉俊1,3,4

1中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016；2东北大学机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819；3中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳 110169；4中国科学院大学，北京 100049

水导激光加工是一项利用水光纤将激光引导到材料加工表面的新颖加工技术，具有几乎无微裂纹、热影响区小、无污染、重熔层少、加工精度高和光束平行等优点。为研究不同水导激光加工工艺参数对微观形貌的影响，探索水导激光与物质的相互作用机理。本文采用自主研发的水导激光加工系统对316L不锈钢薄片试件进行切槽和打孔实验；使用Zeiss Vert.A1金相显微镜观察加工试件的二维形貌；使用Leica DVM6超景深显微镜和Bruke Contour Elite I白光干涉仪观察试件的三维微观形貌。实验结果表明：无论是对试件进行切槽还是打孔实验，均会在加工区域产生一定宽度的沉积层，且沉积层的大小不随加工时间和加工次数变化，其宽度约为13.5 µm；通过观察试件加工区域的二维形貌，发现打孔试件的r和切槽试件的l也不随加工试件和加工次数变化；通过观察切槽试件加工区域的三维形貌，其截面呈倒梯形。

水导激光加工；316L不锈钢；切槽；打孔；微观形貌

1 引 言

随着航空发动机推力和推重比的增加，飞机涡轮发动机热端的工作温度已经达到1400 K以上，为使叶片在超高温度下能正常工作，目前采用的方法主要是在叶片上喷热障涂层和设计气膜孔结构[1]。合金类高温叶片的材料从外到里，包括环境保护涂层、热障涂层、结合层和高温合金层。叶片上具有3D曲面和中空内腔，打孔的斜度在30°到15°，使得飞机发动机的气膜冷却孔加工面临重大挑战。传统的气膜孔加工方法有电火花加工和激光加工。电火花依靠电极放电过程去除材料[2-3]，无法对非导电的陶瓷涂层涡轮叶片进行加工。激光加工依靠高功率密度激光束照射工件使材料迅速熔化、汽化、烧灼或达到燃点[4]，因此产生热影响区和沉积层等热缺陷[5]，即使是激光-水射流混合加工，也会使加工材料表面产生一定程度的氧化和相变[6]。水导激光加工(Water-jet guided laser，WJGL)是一种新型的精密特种加工方法，具有加工精度高，热影响区小，重熔层少，几乎无微裂纹，加工距离长，光束平行，切缝边缘光滑无毛刺等优点[7]，能够很好地解决传统气膜孔加工存在的问题。

自水导激光加工技术诞生以来，国内外许多学者开展了相关研究。Li等[8-9]研究了水导激光分别加工镁合金和钛合金实验，并与传统激光加工方法进行了对比，发现水导激光加工在表面质量和清洁度方面具有明显优势；此外，在激光束与材料相互作用区域，高压水射流有助于去除熔融金属，并在表面材料上提供强大的冷却效果，影响材料表面的微观结构，减小热影响区(HAZ层)的厚度[10]。孙冬等[11]发现相比水辅助激光加工，水导激光加工的槽道表面干净熔渣少，无毛刺，热影响区较小，适用于晶圆的高精划片切割加工。Reshed等[12]用SHFM测量对比了电火花加工和水导激光加工喷油嘴孔的内表面形貌和粗糙度，发现水导激光加工更能获得光滑的内表面。以上研究表明：与传统加工方法相比，水导激光加工技术具有明显优势；然而他们并没有系统地研究加工时间和加工次数等工艺参数对试件加工效果的影响。

本文以316L不锈钢薄片为实验试件，通过改变工艺参数对实验试件进行了切槽和打孔实验。所得实验结果能够给水导激光加工工艺参数的优化提供理论指导，对促进水导激光加工技术的发展具有重要意义。

2 实 验

2.1 实验材料

实验采用轧制而成的316L不锈钢薄片，通过线切割加工成20 mm×10 mm×3 mm规格的实验试件。该材料的化学成分及室温下的热物理性能参数详见表1和表2。实验前需要对试件表面进行研磨抛光处理至表面无划痕，再用无水乙醇清洗吹干留作备用[13-14]。

2.2 实验装置

实验采用本实验室自主研发的水导激光加工系统，该系统主要由激光器、水净化系统、水-激光耦合系统、三维工作平台、CCD相机、计算机等组成。其中，所采用的激光器为Nd:YAG固体激光器，其主要参数为：激光功率21 W，脉宽10 ns，波长532 nm，重复频率32.7 kHz，电流5.5 A；采用的三维工作平台的最高输出频率可达4 MHz，该平台可以保证在笛卡尔坐标系下进行0.01 mm级的精确运动。水导激光加工系统示意图如图1所示。

表1 316L不锈钢主要化学成分

表2 316L不锈钢的热物理性能参数

2.3 实验参数

水导激光加工技术原理如图2所示[15]，通过调整聚焦透镜将激光聚焦到喷嘴孔上表面中心，进入水柱中。当激光入射角大于全反射的临界角时，激光在水-空气界面发生全发射。在水的导引下，保持恒定的激光能量密度对试件进行加工。此外，水还可以起到冷却工件和冲洗熔融物的作用。

研究不同加工次数对实验试件切槽效果的影响，加工次数依次为：10、20、40、50、60、80次，切缝长度为10 mm，切槽的间距为5 mm，扫描速度均为1 mm/s。研究不同加工时间对实验试件打孔效果的影响，时间设置在0.5 s到30 s之间，打孔间距均为5 mm。本次实验所采用的水导激光加工系统的技术参数如表3所示。水导激光加工实验结束后，利用Zeiss Vert.A1金相显微镜测量试件加工区域的二维形貌；利用Leica DVM6超景深显微镜和Bruke Contour Elite I白光干涉仪测量试件加工区域的三维形貌。

3 实验结果与分析

3.1 二维形貌

用金相显微镜将加工后的试件放大500倍，如图3所示，观察其槽和孔的二维形貌。内圈材料完全被去除的直径设为1，颜色加深的材料未被去除的外圈直径设为2。分别测量12个孔的1和2的大小。加工的槽外侧有带状的黑边，内侧黑色区域为材料被去除的区域，宽度用1表示，颜色变深的外侧区域材料未被去除而用2宽度表示。用r表示1与2的比值，l表示2与1的比值，如式(1)和式(2)所示：

。 (2)

图2 水导激光加工技术原理[15]

表3 水导激光加工系统的技术参数

图3 显微镜测量二维形貌。(a) 切槽的二维形貌；(b) 孔的二维形貌

3.2 三维形貌

图4是用超景深显微镜观察加工次数为80次的槽的二维形貌。图5(a)是用白光干涉仪测得的三维形貌，可以看出，在槽两侧的最边缘位置，呈亮红色，证明其高于未加工平面，这是因为加工时的熔渣在水流的冲刷下未完全排出，而最终堆积在边缘上，形成沉积层。图5(b)是利用测量数据绘制的切槽截面的二维轮廓，其形状呈倒梯形，是因为水射流包裹激光，水柱中间位置的激光能量密度最大，材料更容易融化，而水射流外侧的激光能量密度小，不易达到材料的融化温度。还可以看出，切槽的侧壁上，垂直于进给方向有彩色的长条纹，分析原因为水柱到达底部后向斜上方喷出，冲刷熔融物，形成一个个带状条纹。

图4 切槽二维形貌

3.3 沉积层

图6(a)是1和2随加工时间变化的曲线图，可以看出，内圆的直径1在105 µm上下波动，2在132 µm上下波动，忽略测量误差的影响，波动幅度均较小，可以认为直径1和2不随加工时间的长短而改变。通过对测量结果的分析，认为切缝和孔边缘的深色区域为熔融物来不及冲走而又迅速冷却附着在加工材料表面上的沉积层。图6(b)和6(c)中可以看出，随着加工时间和加工次数的增加，r不变，l不变。综合图6可得: 沉积层的大小不随加工时间和加工次数变化。

沉积层宽度可用式(3)表示：

代入数据得沉积层宽度为d=13.5 µm。

图6 沉积层测量。(a) d1和d2随时间变化曲线；(b) dr随时间变化曲线；(c) wl随加工次数变化曲线

3.4 讨 论

水导激光加工次数对槽深的影响如图7所示，从图中可知：随着加工次数增多，槽的深度增加，且趋势近似为线性。切割过程大致为：激光在水射流的包裹下到达加工试件表面，高能量的激光使光斑覆盖区域的金属熔化，水射流迅速将熔融物质冲走。三维平台始终保持匀速向前移动，激光能量进一步熔融材料，最终在试件上形成一个切槽。孔的加工过程与槽的加工类似，唯一不同的是加工孔时工件坐标保持不动。

水导激光加工时间对孔深的影响如图8所示，从图中可知：孔深随时间的增加而变大。由于射流在进入喷嘴时，喷嘴入口的拐角越尖锐，流动越容易分离，从而越容易发生缩流现象。理论上靠近水喷嘴处的水柱的直径约为喷嘴孔径的83%[16]，本实验所用的水喷嘴直径为100 µm，因此喷嘴孔处水柱的理论直径约为83 µm。而经水导激光加工实验后，孔径1平均值为107 µm，槽宽1平均值为94 µm；与喷嘴孔处水柱的理论直径83 µm相比，加工后的孔径和槽宽均增加且增加值恒定。

316L不锈钢试件中热的传播主要以热传导为主，试件中的不平衡的温度场使得热量从高温区向低温区传播，其导热过程为三维非稳态导热，使得切缝边缘的温度值也达到了材料的熔点，切缝边缘材料融化被水射流冲走。因此，槽宽和孔径均比喷嘴孔处水柱的理论直径要大。

此外，由于高速水射流在空气中喷出会受到空气剪切力的影响，使得层流水射流受到扰动，扰动的振幅变大最终会导致水射流破碎成水滴，因而光束在传播过程中的全反射会受到干扰，使得辐照在试件表面的激光光斑直径大于喷嘴孔处水柱的理论直径。

根据Rayleigh所研究的水射流破碎理论，引入表征水射流稳定性的无量纲数[17]。

值表征水射流的稳定性，其值与雷诺数Rel和韦伯数Wel有关。

图8 加工时间对孔深的影响

式中：1为水的流速，2为空气速度，为水的密度，为水的表面张力系数，为动力黏性系数，d喷嘴出口的射流直径。

本次实验中水压为定值，故水射流的流速也为定值，且其他与雷诺数和韦伯数相关的量均为常量，因此值恒定。所以水射流的稳定性不会变化，激光落在材料表面的光斑直径也就恒定不变，因此槽宽和孔径均为恒定值。

另外，从实验数据中可以看出，1的平均值(107 μm)大于1的平均值(94 μm)。相比于孔的加工，加工槽时水更易于注入和排出，因而加工区域的冷却效果更好，熔融直径更小，从而使得槽宽小于喷嘴孔径。

4 结 论

本文以316L不锈钢薄片为实验试件，通过改变加工次数和加工时间两个工艺参数对实验试件进行了切槽和打孔实验，重点分析了各工艺参数对试件二维形貌、三维形貌和沉积层的影响，并对其形成机理进行了讨论，所得实验结论可为水导激光加工工艺参数的优化提供理论指导。

1) 无论是对试件进行切槽还是打孔实验，均会在加工区域产生一定宽度的沉积层，且沉积层的大小不随加工时间和加工次数变化。

2) 通过观察试件加工区域的二维形貌，打孔试件的r和切槽试件的l也不随加工时间和加工次数变化。

3) 由于受激光束能量分布的影响，通过观察切槽试件加工区域的三维形貌，其截面呈倒梯形。

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Effect of water-guided laser machining technology on micro-morphology of 316L stainless steel

Yu Yongfei1,2,3, Qiao Hongchao1,3*, Cao Zhihe1,3, Zhao Jibin1,3*, Zhang Yinuo1,3,4, Wu Jiajun1,3,4

1Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110016, China;2School of Mechanical Engineering ＆ Automation, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China;3Institutes for Robotics and Intelligent Manufacturing, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110169, China;4University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Schematic diagram of water guide laser

Overview:With the increasing of the thrust & thrust weight ratio of aircraft engines, the operating temperature of aero-engine hot components can be reached above 1400 K. In order to ensure the normal working of blades at an extremely high temperature environment, the ceramic/metal gradient thermal barrier coatings and design of gas film cooling holes are selected in general. However, the process for gas film cooling holes of aero-engines has encountered a major challenge due to its complex material structures. Laser machining (LM) and electrical discharge machining (EDM) are usually used for machining gas film cooling holes. The LM technology utilizes the laser thermal effect, so this method has disadvantages of thick molten layer, micro-cracks, laser ablation, etc. Thus, the EDM is selected because it can reduce the thickness of the molten layer. However, EDM cannot guarantee the processing accuracy and the recrystallization would be occurred during the processing, which will affect the serve life of aircraft engines. In addition, the EDM is only applicable to metallic materials. In recent years, ceramic materials have been widely used in the aerospace field. The above two methods are unable to meet processing requirements gradually. Water-guided laser machining (WGLM) is a novel method by using water beam fibers to guide the laser to machine the work-piece surface, which can solve these problems. It has been widely applied in the precise machining field of aerospace, bio-medical, micro-electromechanical, and so on, due to advantages of almost no micro-cracks, small heat-affected zone, pollution-free, less recast layer, high processing accuracy, parallel cuffing, etc. This work aims to investigate the effect of different WGLM parameters on the micro-morphology of materials and the mechanism between lasers and materials. The experiments for slotting and grooving 316L stainless steel thin samples were used by the WGLM system developed by our research group. The 2D micro-topography after experiments were tested by the Zeiss Vert. A1 metalloscope, and the 3D micro-topography of samples after experiments were tested by the Leica DVM6 optical microscope with the large depth of field & Bruke Contour Elite I white-light interferometer. Experimental results show that a certain width deposition layer can be occurred in the machining region, and the width of deposition layer does not change with the parameter of the machining time and the number of machining times. From the 2D micro-topography of the machining region of samples, it can be found that the ‘rof slotting samples and the ‘l’ of grooving samples also do not change with the machining parameters. From the 3D micro-topography of the machining region of grooving samples, it can be found that the cross-section shape is inverted trapezoid.

Citation: Yu Y F, Qiao H C, Cao Z H,. Effect of water-guided laser machining technology on micro-morphology of 316L stainless steel[J]., 2020,47(11): 190654

Effect of water-guided laser machining technology on micro-morphology of 316L stainless steel

Yu Yongfei1,2,3, Qiao Hongchao1,3*, Cao Zhihe1,3, Zhao Jibin1,3*, Zhang Yinuo1,3,4, Wu Jiajun1,3,4

1Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of SciencesShenyang, Liaoning 110016, China;2School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang, Liaoning 110819, China;3Institutes for Robotics and Intelligent Manufacturing, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110169, China;4University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Water-jet guided laser (WJGL) machining is a novel processing technology using water beam fibers to guide the laser to machine the work-piece surface. This processing technology has the advantage of almost no micro-cracks, small heat-affected zone, pollution-free, less recast layer, high processing accuracy, parallel cuffing, etc. This work aims to investigate the effect of different WGLM parameters on the micro-morphology of materials and the mechanism between lasers and materials. The experiments for slotting and grooving 316L stainless steel thin samples were used by the WGLM system developed by our research group in this work. The 2D micro-topography after experiments were tested by the Zeiss Vert.A1 metalloscope, and the 3D micro-topography of samples after experiments were tested by the Leica DVM6 optical microscope with the large depth of field & Bruke Contour Elite I white-light interferometer. Experimental results show that a certain width deposition layer can be occurred in the machining region, and the width of deposition layers does not change with the parameter of the machining time and the number of machining times. From the 2D micro-topography of samples, it can be found that the ‘r’ of slotting samples and the ‘l’of grooving samples also do not change with the machining parameters. From the 3D micro-topography of grooving samples, it can be found that the cross-section shape is inverted trapezoid.

water-jet guided laser machining; 316L stainless steel; grooving; slotting; micro-morphology

TN249；TG485

A

于永飞，乔红超，曹治赫，等. 水导激光加工对316L不锈钢微观形貌的影响规律[J]. 光电工程，2020，47(11): 190654

10.12086/oee.2020.190654

: Yu Y F, Qiao H C, Cao Z H,Effect of water-guided laser machining technology on micro-morphology of 316L stainless steel[J]., 2020, 47(11): 190654

2019-11-02；

2019-12-25

国家基金委-辽宁省联合基金资助项目(U1608259)；国家自然科学基金资助项目(51875558)

于永飞(1996-)，女，硕士研究生，主要从事激光加工工程的研究。E-mail：yuyongfei@sia.cn

乔红超(1982-)，男，研究员，主要从事激光加工工程的研究。E-mail：hcqiao@sia.cn

赵吉宾(1970-)，男，研究员，主要从事激光加工工程的研究。E-mail：jbzhao@sia.cn

Supported by NSFC-Liaoning Province United Foundation (U1608259) and National Natural Science Foundation of China (51875558)

* E-mail: hcqiao@sia.cn; jbzhao@sia.cn