多脉冲飞秒激光精修面齿轮的烧蚀形貌研究_明兴祖.pdf

多脉冲飞秒激光精修面齿轮的烧蚀形貌研究doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2023.02.004收稿日期：2022-10-11基金项目：国家自然科学基金资助项目（51975192）；湖南省教育厅科学研究基金资助优秀青年项目（22B0994）；湖南 省自然科学基金资助项目（2021JJ30214、2021JJ50042）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目 （T201919）作者简介：明兴祖（1964-），男，湖南常德人，湖北文理学院、湖南工业大学教授，硕士生导师，主要从事激光精微加工 理论与技术研究，E-mail：明兴祖1,2 贾松权1李 湾3 周 贤1黎 超4 袁 磊21.湖北文理学院 机械工程学院 湖北 襄阳 4410532.湖南工业大学 机械工程学院 湖南 株洲 4120073.湖南汽车工程职业学院 机电工程学院 湖南 株洲 4120004.株洲齿轮有限责任公司 技术中心 湖南 株洲 412007摘要：针对材质为 18Cr2Ni4WA 的面齿轮，采用飞秒脉冲激光烧蚀来提高其表面质量。建立电子-自旋-晶格三温复耦合模型，预测分析面齿轮材料电子、自旋和晶格单脉冲能量效应下的温度变化过程；结合多脉冲能量累积效应，进行面齿轮材料在激光能量密度为 1.0355.252 J/cm2下烧蚀凹坑直径和深度演变规律的预测与实验分析。研究结果表明：脉冲数的增加并不会持续增大面齿轮表面的平衡温度，基本在 30 个脉冲时就保持不变；能量密度的增加会使烧蚀凹坑直径和深度持续变大，但变大的速率会持续降低；烧蚀凹坑形貌在能量密度为 2.467 J/cm2时最好；过大的扫描道间距会使被加工表面粗糙度值增加，扫描道间距为 25 m 时粗糙度值最低为 0.185 m。关键词：飞秒激光；三温耦合；能量累积；凹坑形貌；粗糙度中图分类号：TN249 文献标志码：A文章编号：1674-7100(2023)02-0023-11引文格式：明兴祖，贾松权，李 湾，等.多脉冲飞秒激光精修面齿轮的烧蚀形貌研究 J.包装学报，2023，15(2)：23-33.2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL021 研究背景面齿轮具有传动平稳、承载能力强和传动速度快等特性，被广泛应用于航空航天、工程机械、大型精密装备等领域1。面齿轮为一种曲面齿形，传统的加工方法并不能满足面齿轮表面质量要求，而国外面齿轮高精密加工机床和精密加工技术对我国实行封锁，研究面齿轮的新型加工方法已迫在眉睫。飞秒脉冲激光具有热影响区域小、脉冲宽度窄和峰值温度高等特点，能精确去除目标材料以满足面齿轮表面质量要求，已被广泛应用于各种精密加工领域。目前，有关单脉冲激光烧蚀金属的研究较多。Zhou C.等2通过改变平均激光功率、光斑重叠比和扫描轨迹重叠率，探讨了单脉冲皮秒和 100 ns 脉冲激光清洗铝合金的特性。结果表明，在相同平均功率下，纳秒激光烧蚀深度大于皮秒激光；为获得相同表面质量，纳秒激光器需要比皮秒激光器更高的重叠率；高重叠率导致纳秒激光清洗效率远低于皮秒激光。Chu K.P.等3提出了一种通过飞秒激光器单脉冲多次扫描提高烧蚀镍效率的方法。实验结果表明，当总处理时间相同时，与低扫描速度相比，较高的扫描速度和更多的扫描次数将促进烧蚀镍形成的凹槽深度增加。王运龙等4通过分析单脉冲激光功率、频率、扫描速率及加工路径等工艺参数对腔体刻蚀速-24-2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02率、腔体底部粗糙度的影响规律。阐述激光加工遍数与刻蚀深度的线性关系，测试腔体底部的平面度，获得了预定深度的腔体结构。高永强等5理论分析了各种作用机理中相关工艺参数的作用，并针对不同的工艺参数进行测试，综合分析各个工艺参数在刻蚀过程中对刻蚀质量的影响。结果表明，单个激光脉冲的功率密度和频率对槽深和槽宽影响最大，单个激光脉冲的功率密度和扫描速度对槽的成形质量影响最大。王靖6针对 TC 钛合金材料，利用 COMSOL Multiphysics 软件建立电子-晶格温度模型，模拟分析了单脉冲激光表面形貌，并分析了不同能量密度下钛合金表面的烧蚀情况。在有关多脉冲激光烧蚀金属的研究中，国内外也有了丰富的研究成果。岳端木等6通过飞秒激光微加工镍钛合金，计算了不同激光扫描速度下的烧蚀阈值，并分析了多脉冲的累积效应对镍钛合金烧蚀阈值的影响规律。王佳敏等8开展了 532 nm 皮秒脉冲激光烧蚀单晶硅的损伤效应实验研究。测定了损伤阈值，明确了损伤机理并探讨了低通量下的脉冲累积效应，得到了多脉冲的累积效应可以降低单晶硅激光损伤阈值的结论。Hu F.F.等9研究了多脉冲皮秒激光对铜的烧蚀特性，将烧蚀材料的热导率设置为 0，从而实现了材料去除。王震等10从双温方程入手，研究了多脉冲飞秒激光的烧蚀效应，分析了单脉冲飞秒激光烧蚀金属铁的温度变化规律，得到了在 3 个脉冲连续作用下，激光能量密度、激光脉冲宽度、激光脉冲时间间隔对电子/晶格温度变化规律的影响。Wang H.等11提出了一种用于预测飞秒到皮秒脉冲宽度范围内多脉冲激光烧蚀的改进模型，采用 Drude 模型来描述飞秒和皮秒脉冲的吸收过程。蔡颂等12建立多脉冲激光修整青铜金刚石砂轮的传热物理模型与降温传热物理模型，对脉冲激光修整青铜金刚石砂轮石墨变质层进行了研究。王文豪等13提出一种基于 Bzier 曲面分割法的光斑重叠率补偿方法，通过研究平均功率、扫描速度、离焦量对 TN85 金属陶瓷激光刻蚀深度和宽度的影响，确定优化参数，实现了激光二维振镜对曲面螺旋刻槽深度可控的高精加工。本文针对面齿轮材料 18Cr2Ni4WA，建立了由电子、自旋与晶格 3 个热传导模块组成的有限元模型，结合能量累积效应，分析不同能量密度下能量累积结果，并通过不同激光扫描参数研究面齿轮形貌变化的规律。2 飞秒激光烧蚀面齿轮材料的三温传热过程与建模2.1 金属烧蚀传热物理模型飞秒脉冲激光作用面齿轮的时间极短，小于面齿轮温度达到平衡所需要的时间。金属材料受飞秒激光辐射后，会在皮秒量级发生自旋温度的升高，从而发生电子的超快退磁和磁化的恢复现象，这影响温度的平衡方式和平衡时间。传统的双温方程展示了脉冲激光烧蚀面齿轮时电子与晶格随时间的温度变化，并不能对退磁效应做出解释。在双温模型的基础上引入电子的自旋温度，与传统的电子温度和晶格温度组成三温模型，可解释这种现象。飞秒脉冲激光作用面齿轮的三温模型14，可划分为3个过程，如图1所示。第一过程为飞秒激光辐射在面齿轮表面，先促使电子场直接与电子系统相联系；第二过程为自旋系统的动态特性，在此过程中能量可以从热电子系统转移到低温自旋系统，并伴随着自旋温度上升，通过自旋反转过程的电子系统耦合来表现；第三过程为受激自旋系统通过电子-晶格耦合弛豫机理与晶格系统相联系，将温度传递到晶格系统。由于电子-晶格耦合时间比电子-自旋耦合时间长，所以自旋系统将被晶格系统冷却。三温模型能量转移的动力由电子温度、自旋温度和晶格温度的不同引起。2.2 三温传热数学模型根据傅里叶热传导定律，可以得到电子系统、自旋系统和晶格系统的三温控制方程如下15：（1），（2）。（3）式中：Te、Ts、Tl分别为电子、自旋和晶格随时间变化的温度；Ce、Cs、Cl分别为电子、自旋与晶格单位体积的比热容，其中在一定的温度范围内 Cl在 5%内变动，因此将 Cl设为常数16；S(r,z,t)为激光热源项，r 为几何模型中任意位置到激光束轴的距离，z 为到顶面的穿透深度，t 为-25-时间；ges、gel、gsl分别为电子-自旋系统、电子-晶格系统和自旋-晶格系统的耦合系数，用于描述电子系统到自旋和晶格的能量转换率。由于激光脉宽极短（10-15 s），电子的热传导比较缓慢，因此电子的热传导忽略不计17。用有限差分法将三温方程差分格式整理为14 （4）激光热源项 S(r,z,t)表达式17 为（5）式中：F0为光束中心处能量密度；r0为光斑半径，用常数表示；p为脉冲宽度；R 为材料的反射率；b为材料的吸收系数。当电子温度 Te小于费米温度时，电子热导率可近似为19 ，（6）式中 k0为室温下的电子热导率。但是，当 Te超过费米温度20时，应使用式（7）计算 ke。，（7）式中：k、均为常数；e=Te/Tf，l=Tl/Tf，其中 Tf为费米温度，用常数表示。根据 Chen J.K.等21的研究结果，电子热容可以近似为 （8）。（9）式中：Be为电子的比热容系数；kB为玻尔兹曼常数；N 为自由电子密度。2.3 激光能量累积效应飞秒激光连续作用过程中，前一个脉冲激光烧蚀材料后累积的能量，转化为后一个脉冲激光烧蚀的初始值，从而逐渐累积能量。激光频率是能量累积效应的重要参数，影响脉冲激光烧蚀材料后的热扩散时间。不同的激光频率使材料在每一个脉冲中累积的能量不同。值得注意的是，过低的激光频率会使材料在下一个脉冲激光烧蚀前达到平衡温度而达不到能量的累积效应。只有在较高的激光频率时，材料中的能量才会在下一个脉冲激光烧蚀前未完全扩散，从而达到能量的累积效应。由于单个脉冲激光束的烧蚀强度图 1 烧蚀传热物理模型 Fig.1 Physical model of ablative heat transfer多脉冲飞秒激光精修面齿轮的烧蚀形貌研究明兴祖，等02-26-2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02具有高斯分布，因此单个脉冲激光束上的烧蚀强度可表示为 。（10）考虑峰值功率强度恒定的多线扫描的横向位移方向（x 方向），多个脉冲激光累积烧蚀强度可以表示为 ，（11）式中：M 为加工区域中激光扫描路径的数量；x 为激光中心的横坐标；x 为扫描道间距。3 飞秒激光烧蚀模型求解与仿真分析使用 COMSOL 软件求解飞秒激光烧蚀面齿轮的模型方程（1）（3）时，边界条件设置为 297 K，被加工材料表面为对流空气冷却。由于面齿轮材料18Cr2Ni4WA 的激光实验研究较少，缺少可供参考的材料特性参数，尝试参考金属铁的材料特性参数10，如表 1 所示。在单脉冲激光作用下，激光能量密度分别为1.035 J/cm2和 5.252 J/cm2时，面齿轮表面电子温度 Te、自旋温度 Ts和晶格温度 Tl在 30 ps 时间内的温度演变过程如图 2 所示。由图 2 可知，激光到达面齿轮材料表面时，电子系统的温度在飞秒量级内急剧升高并远大于自旋系统温度和晶格系统温度；然后热电子通过电子-自旋系统将部分能量传递给自旋系统，导致自旋系统温度在亚皮秒量级时间内快速升高，自旋系统温度升高导致宏观磁化强度减小，即发生超快退磁现象；最后随着电子-晶格和自旋-晶格系统的耦合作用，电子和自旋的能量共同向晶格传递，且电子-晶格耦合时间比电子-自旋耦合时间长，晶格系统温度在皮秒量级内超过自旋系统。图 2 还表明，随着能量密度的增加，电子峰值温度升高，且电子、自旋和晶格系统的平衡温度也升高，温度达到平衡的弛豫时间随之变长。在进行多脉冲激光能量累积预测研究时，使用 1.035 J/cm2和 5.252 J/cm2的激光能量密度为宜。激光能量密度分别为 1.035 J/cm2和 5.252 J/cm2，激光作用 30 个脉冲时，面齿轮表面温度演变过程如图 3 所示。由图 3 可知，面齿轮表面温度随着激光脉冲烧蚀反复的升温、降温，但不会使平衡温度持续升高，基本在第 30 个脉冲时就保持不变。能量累积效应的平衡温度随激光能量密度的变化而变化，当能量密度为 1.035 J/cm2时，最高平衡温度为 807.5 K；当能量密度为 5.252 J/cm2时，面齿轮表面最高平衡温度为2903.6 K。相对于较低能量密度来说，高能量密度的累积效应更明显，容易在较低的脉冲数时达到平衡温度；这是因为在较低能量密度下，单个脉冲产生的能