304 不锈钢激光空化微造型实验研究＊

林思浩 王 冠

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

表面微造型技术能够改善材料表面的摩擦磨损性能，在精密制造行业有重要应用。而表面微造型加工方法会影响微造型的质量和摩擦性能[1]。激光空化的研究越来越受到研究人员的关注，日益完善，并逐渐在加工方面开始应用。相较于干式激光技术，两种技术都有通过激光束的聚焦产生等离子体冲击波，进而利用该力学作用完成微造型等加工。但两种技术也存在不同，激光空化技术需要在较大深水中进行，除了等离子体冲击波之外，还会产生空泡。同时空泡在溃灭时会产生冲击波和微射流作用，从而产生多种复杂力学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来自残余激光能量，其溃灭时产生的力学效应可对材料表面进行作用。对比干式激光技术仅通过激光等离子体冲击波作用，激光空化能够实现能量更高效的利用。故激光空化技术具有能量集中、能耗较低和能量利用率更高等优势[2]。同时研究激光空化对丰富完善脉冲激光在液相环境、低能量和微区域条件下的激光加工相关理论具有重要意义。因此，把激光空化技术引进表面微造型加工，研究激光空化加工参数对微造型的微坑成形尺寸形貌的影响规律具有重要意义。

1 激光空化微造型原理

激光诱导空泡是在液体介质中发生。液体介质作为无定形的连续性介质，具有各向同性、分布均匀等特性[3]。在常温常压条件下，通常认为液体水介质是不可压缩的。但在高温高压条件下，在某一特殊区域内，可认为液体水介质是可压缩的[4]。激光空化过程中，激光通过光学透镜聚焦，形成高能激光束聚焦于液体介质中，在激光焦点处，当能量密度达到或超过液体介质的击穿阈值时，会产生高温高压区域，液体介质被击穿进而形成激光等离子体。液体介质会在激光等离子体快速膨胀过程中被压缩，形成空泡，并且形成等离子体冲击波。空泡产生后，会受到内外压力差的影响，发生一系列的气泡发生、长大、收缩和溃灭的脉动现象[5-7]。最终空化气泡溃灭时，会对距离最近的壁面发出冲击波，即空泡溃灭冲击波。空泡完成第一次脉动后，会继续长大和收缩，历经几次脉动特性后，直到空化气泡中的能量消耗到尽，最终消失在液体介质中。一般说来，激光空化微造型工艺通常包括六个阶段，如图1 所示。

图1 激光空泡微造型原理示意图

图2 所示为使用高速摄影仪拍摄的激光一次作用下，激光焦点位置H=0 mm、激光能量E=30 mJ条件下的激光空化微造型实验全过程的序列变化图。从序列图中可以明显看出，激光空化诱导的空化气泡的脉动周期过程和尺寸特征，主要分为如下阶段。

图2 激光空化微造型的全过程序列变化图

第一阶段为激光击穿液态水产生等离子体冲击波过程。在第0 μs 时，激光束垂直入射至液态水中，并在激光焦点处产生非常刺眼的强光现象。这是激光击穿液体产生的等离子体现象。在激光聚焦处及周围部分空间区域产生高温高压环境，等离子体冲击波推动周围水体向四周扩散，形成了初始空泡。

第二阶段为空泡的成长过程。在第33.4 μs 时，空泡迅速成长膨胀。此时由于激光聚焦处离待加工材料表面距离非常近，空泡便紧贴在待加工材料表面上方迅速向四周膨胀。到283.9 μs 时，空泡成长至最大泡径。

第三阶段为空泡的坍塌收缩过程。在317.3 μs时，可以明显看到空泡对比前段时间已经发生收缩，空泡泡径逐渐变小，向溃灭阶段发展。

第四阶段为空泡溃灭过程。在450.9 μs 时，可以看到空泡发生溃灭，空泡周围的液态水迅速填补原先空泡占有的体积，加速周围液体的流速，产生垂直于待加工材料表面的微射流。

第五阶段为后续小空泡脉动产生射流扰动过程。在534.4 μs 时，在空泡溃灭后，继续产生小空泡并快速冲击待加工材料表面，经过几次冲击后，微射流和冲击波消失，完成整个空泡的脉动过程。

2 实验方案

2.1 实验材料

本实验采用304 不锈钢作为激光空化微造型材料，其具备良好的成形性和加工性能，是工业中应用非常广泛的材料。实验中所用304 不锈钢材料的主要化学成分见表1。实验过程中，实验材料需要固定在激光空化实验水槽中，故选择尺寸大小为20 mm×20 mm×2 mm。同时，为了确保材料加工表面平整度质量，去除表面沾上的杂质，需要在激光空化微造型实验前对304 不锈钢材料进行预处理。图3 所示为经打磨抛光至镜面效果的304 不锈钢材料。

表1 304 不锈钢的化学成分组成（%）

图3 304 不锈钢板实验材料实物图

2.2 实验设备

图4 所示为激光空化微造型实验装置。主要以激光器、光路系统、精密三维移动平台和实验水槽及控制系统组成。实验水槽固定在精密三维移动平台上，实验水槽中设置夹具以固定加工材料。实验中，加工材料放置在夹具上方固定。该实验平台装置中，激光通过脉冲激光器发出，先经过能量衰减器再经反射镜，最后经聚焦镜汇聚成小光斑，并聚焦于实验水槽中的加工材料上方。

图4 激光空化微造型实验装置平台

2.3 实验方案

对于激光空化微造型过程中，激光能量、激光焦点位置和激光作用次数会对微造型产生影响，为了探究上述因素对激光空化微造型工艺的影响，进行了单因素实验，并且每组实验都重复进行了5 次，以降低实验过程中产生的随机误差，具体实验因素及参数设计见表2。实验在恒温恒湿环境下进行，实验环境温度25±2 ℃，实验环境湿度<50%。激光波长532 nm、脉宽7 ns，激光器设置为手控盒手动单次触发，通过调节激光器的工作电压来改变激光能量。通过控制精密三维移动平台XY平面对材料表面加工位置进行具体定位，调整控制三维移动平台Z方向以达到改变激光焦点位置的目的。加工完成后，利用激光共聚焦显微镜（LEXT OLS4100）（图5）对微造型表面进行形貌评测。

表2 单因素实验设计表

图5 激光共聚焦显微镜LEXT OLS4100

3 实验结果及分析

材料表面微造型微坑的成形质量以平均宽度、平均深度数据来表征。激光空化微造型成形情况主要激光能量、激光焦点位置和激光作用次数的因素影响。这些因素会对激光空化中的激光等离子体冲击波、空泡溃灭冲击波和微射流的产生和传播产生影响。最终影响空化载荷的大小，对304 不锈钢表面微造型的宽度和深度产生影响。

3.1 激光能量的影响

图6 所示为激光焦点位置为H=1 mm，作用次数为1 次的条件下，不同激光能量大小对304 不锈钢表面微造型平均深度和平均宽度的影响关系图。对于成形平均深度而言，由图6 分析可知，当激光能量E从10 mJ 增大至55 mJ 时，微造型微坑的平均深度由1.53 μm 增大到了4.52 μm。微坑的平均深度随着激光能量大小的增大而增大。这是由于在相同状态下的液体介质中，保持激光焦点位置不变的情况下，激光束在液体介质中的路径固定，激光在液体介质中所产生的散射反射及能量损失相同。采用激光作用次数为1 次，即单次脉冲激光作用，在此情况下，当激光能量增加时，激光的能量密度上升，在相同空间区域内激光击穿液体介质产生等离子体的能量密度更大，进而导致激光等离子体冲击波作用力更大。随着脉动的进行，空化气泡能够达到的最大尺寸也随之增大，空化气泡所蕴含的能量也更大，最终空泡溃灭冲击波和微射流所产生的空化载荷也更大[8]。这些空化载荷作用在304 不锈钢表面，进而对微坑成形的深度产生影响。激光能量越大，所能产生的空化载荷也越大，微坑成形的深度也越大。

图6 不同激光能量E 与304 不锈钢为微造型平均深度宽度的关系

对于304 不锈钢微造型平均宽度而言，从图6可以分析得到：当激光能量E从10 mJ 增大至55 mJ时，微造型微坑的平均宽度由165.18 μm 增加至225.47 μm，微坑的平均宽度随着激光能量大小的增加而增大。其原因为：在激光空化过程中，微坑的成形宽度大小主要受激光光斑直径、高温高压能量致加工材料熔融、空泡溃灭冲击波及微射流冲击等因素影响。当激光能量增加时，激光能量密度更大，其产生的高温高压更能够快速对加工材料辐射区域熔融，熔融态金属向四周流动。同时，产生的激光等离子体冲击波强度更大且更剧烈，空泡所能达到的最大尺寸更大，所能产生的溃灭冲击波及微射流更强烈，对水的扰动作用更强，空化载荷作用区域相比有所扩大。在激光能量增加时，这些因素综合影响下，导致微坑宽度有所增加。不同激光能量E下微造型微坑成形结果显微图如图7 所示。

3.2 激光焦点位置的影响

图8 所示为激光能量为45 mJ、作用次数为1次的条件下，不同激光焦点位置H对304 不锈钢表面微造型平均深度和平均宽度的影响关系图。对于304 不锈钢表面微造型平均深度而言，由图8 可知，当激光焦点位置H从0 mm 增大至4 mm 时，微造型微坑的平均深度从4.49 μm 减小到了0.64 μm。微坑的平均深度随着激光焦点位置H的增大而减小，呈负相关趋势。这是因为，随着激光焦点位置H的增大，激光等离子体冲击波在液体介质中的传播距离增加，导致能量大量衰减，空化载荷减小。而且，随着激光焦点位置H增大，能量衰减越快，微坑所形成的深度减小得更快，最后在激光焦点位置H=4 mm 时，成形效果不明显。

图8 不同激光焦点位置H 与304 不锈钢为微造型平均深度和平均宽度的关系

对于304 不锈钢微造型平均宽度而言，从该图可以分析得到：当激光焦点位置H从0 mm 增大至4 mm 时，微造型微坑的平均宽度从181.96 μm 增大到了665.50 μm。微坑的平均宽度随着激光能量大小的增大而增大，呈正相关趋势。其主要原因与前文对激光能量大小影响微坑宽度一致。在激光空化过程中，微坑的成形宽度大小主要受激光光斑直径、高温高压能量致加工材料熔融、空泡溃灭冲击波及微射流冲击等因素影响。激光焦点位置H的变化导致辐照至加工材料表面的光斑直径尺寸发生变化，进而影响激光热效应所辐射的区域范围。激光焦点位置H对加工材料表面微坑宽度的成形规律，激光光斑直径的起主要影响。不同激光焦点位置H下微造型微坑成形结果显微图如图9 所示。

图9 不同激光焦点位置H 下微造型微坑成形结果显微图

3.3 激光作用次数的影响

如图10 所示为激光焦点位置为H=1 mm，激光能量为45 mJ 的条件下，不同激光作用次数对304不锈钢表面微造型平均深度和平均宽度的影响关系图。对于304 不锈钢表面微造型平均深度而言，从该图可以分析得到：当激光作用次数从1 次增大至10 次时，微造型微坑的平均深度从3.57 μm 增大到了12.04 μm。微坑的平均深度随着激光作用次数的增大而增大，呈正相关趋势。其原因为：在相同空间区域内，激光焦点位置和激光能量一定时，每当激光作用次数增加，就在加工材料表面微坑成形区域多次发生激光空化作用。每一次的激光空化过程，会对近壁面的表面产生瞬态的力学作用，对材料表面施加空化载荷，微坑成形的深度也越大。

图10 不同激光作用次数与304 不锈钢为微造型平均深度宽度的关系

对于304 不锈钢微造型平均宽度而言，从该图可以分析得到：当激光作用次数从1 次增大至10 次时，微造型微坑的平均宽度从213.14 μm 增大到了406.74 μm。微坑的平均宽度随着激光作用次数的增大而增大，呈正相关趋势。其主要原因与前文对激光能量大小影响微坑宽度一致。在激光空化过程中，微坑的成形宽度大小主要受激光光斑直径、高温高压能量致加工材料熔融、空泡溃灭冲击波及微射流冲击等因素影响。在该区域内，在一定时间内，当激光作用次数增加，高温高压作用在材料表面，能够更长时间对加工材料辐射区域熔融，熔融态金属向四周流动。此外，由于激光等离子体冲击波、空泡溃灭冲击波和微射流对微坑区域进行了多次作用，这些因素综合影响导致微坑的宽度增加。不同激光作用次数 下微造型微坑成形结果显微图如图11 所示。

图11 不同激光作用次数下微造型微坑成形结果显微图

4 结语

本文对激光空化微造型进行一系列实验，深入研究了激光能量、激光作用次数和激光焦点位置对微造型微坑的成形宽度和深度的影响。通过实验发现，激光能量作为激光空化过程液体介质中所蕴含的能量来源，深刻影响激光空化中所产生的等离子体能量大小，进而对空化气泡的成长溃灭周期及其形态产生影响。最终影响空化载荷的大小，对304不锈钢表面微造型的宽度和深度产生影响。激光焦点位置的变化会影响空泡的脉动周期及其形态，也影响激光能量对加工材料表面的作用距离和范围，进而影响空化载荷的作用范围，最终影响304 不锈钢表面微造型的宽度和深度。激光作用次数作用同样明显，每一次的激光空化过程，都会对加工材料表面产生瞬时力学效应，最终影响304 不锈钢表面微造型的宽度和深度。