飞秒激光烧蚀面齿轮材料的齿面表层形态研究_徐海军.pdf

飞秒激光烧蚀面齿轮材料的齿面表层形态研究doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2023.02.005收稿日期：2022-05-02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：徐海军（1996-），男，湖南衡阳人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为激光精微加工理论与技术，E-mail：通信作者：明兴祖（1964-），男，湖南常德人，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：徐海军1 李 湾2米承继1 吴 陶1李楚莹1 明兴祖11.湖南工业大学 机械工程学院 湖南 株洲 412007 2.湖南汽车工程职业学院 机电工程学院 湖南 株洲 412000摘要：针对面齿轮材料 18Cr2Ni4WA，研究飞秒激光辐照面齿轮材料的热力效应，建立飞秒激光烧蚀面齿轮温度-应力耦合模型，分析多脉冲时不同能量密度下电子温度、晶格温度以及热应力的变化过程。结果表明：电子温度、晶格温度以及热应力随激光能量密度的增大而增大。实验和仿真的对比结果说明，烧蚀齿面表层为残余压应力，烧蚀深度和凹坑直径随激光能量密度的增加而增大，较大的激光能量密度会产生较多的熔融物，降低飞秒激光加工质量，当能量密度为 1.78 J/cm2时，齿面表层形态较好。本文为提高飞秒激光精微烧蚀面齿轮质量提供了研究基础。关键词：飞秒激光；面齿轮；表层形态；残余应力；能量密度中图分类号：TG61+9 文献标志码：A文章编号：1674-7100(2023)02-0034-08引文格式：徐海军，李 湾，米承继，等.飞秒激光烧蚀面齿轮材料的齿面表层形态研究 J.包装学报，2023，15(2)：34-41,49.2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL021 研究背景面齿轮作为点接触共轭曲面齿轮的一种，可实现平行轴、相交轴和交错轴之间的传动，广泛应用于工业加工等领域。随着制造业全面朝着高、精、尖方向发展，人们对面齿轮精度提出了更高要求1。目前，普通机械加工面齿轮的精度已经到达瓶颈，因而专家学者需探索新的加工方式。飞秒激光加工采用超短脉冲宽度和超高峰值功率对材料进行精确去除，具有热影响区域小、加工区域精确、可精密加工任何材料等突出特点，因而得到快速发展和广泛应用2。飞秒激光烧蚀齿面的表层形态一般包括齿面烧蚀凹坑直径、深度和残余应力状态等3-4。当飞秒激光烧蚀面齿轮材料 18Cr2Ni4WA 齿面时，激光能量的高度集中输入会在材料间形成温度梯度，不可避免地会在材料中产生热应力，且温度越高，热应力越大5-6。在激光与材料相互作用过程中有关力学效应的研究有：钟发成7对组合脉冲激光辐照单晶硅产生的热应力进行了数值计算，分析了单脉冲和多脉冲作用下产生的温度场和热应力。研究结果表明，两脉冲的延迟时间和能量分配会对激光毁伤效果产生影响。罗鸿玮8研究了飞秒脉冲激光辐照 Al/PTFE（Al/polytetrafluoroethylene）活性材料的温度场和应力场，在不同激光参数下基于热传导模型和热弹性理论对温度场和热应力进行了理论计算和数值模拟。郑瑞伦等9开展了强激光辐照金属材料-35-的研究，通过激光作用于金属材料的热力效应物理模型计算得到温度分布和热应力，并分析了材料表面附近热应力和温度随激光作用时间和位置的变化。L.V.Zhigilei 等10对分子动力学模拟研究工作进行了总结，得出超快激光烧蚀金属时，在热效应及烧蚀压力波的共同作用下靶材会发生蚀除。基于此，他们提出了机械破碎、裂散、液相爆炸等一系列靶材蚀除机制10-11。残余应力的存在，对齿轮的形状、尺寸和性能都有极为重要的影响。残余应力超过齿轮材料的屈服强度会引起工件的变形，超过齿轮材料的强度极限就会使工件开裂。这是其有害的一面，应当减少和消除。然而，目前关于热应力对飞秒激光辐照面齿轮材料结构影响的相关研究较少。本文以面齿轮材料 18Cr2Ni4WA 为研究对象，通过建立的温度-应力耦合模型来描述飞秒激光烧蚀过程中的物理现象，进而对飞秒激光精微修正后的面齿轮齿面表层形态进行模拟。通过 COMSOL 软件的数值仿真，研究了激光参数对面齿轮精微修正后表层形态的影响，并进行了实验验证分析。2 温度-应力耦合模型飞秒激光烧蚀面齿轮的初期加热阶段，齿轮表面可以被加热到 105 K。极高的温度会导致烧蚀区域内部产生极大的压力。这种压力的释放有两种途径：向外以喷射物的形式去除材料，释放压力；向内则通过内部膨胀压缩材料，内部物质传递压力。因此，本文通过双温模型12与弹性力学方程耦合来描述飞秒激光作用材料过程中温度与应力关系。温度-应力耦合模型如下：，（1），（2）。（3）式中：Te、Tl分别为电子温度和晶格温度；t 为时间；Ce、Cl分别为单位体积的电子热容和晶格热容；ke为电子热传导率；g 为电子与晶格的耦合系数；S(r,z,t)为材料吸收的热量；t为热应力；为体热膨胀系数；E 为体弹性模量；T0为材料初始温度。S(r,z,t)的表达式为 。（4）式中：r 为到光斑中心的距离；R 为材料反射率；为材料吸收系数；z 为几何模型任意位置到材料顶面的穿透深度；I(r,t)为在空间和时间均为高斯分布的激光光强13；p为激光脉冲宽度。I(r,t)的表达式为，（5）式中：J0为激光能量密度；0为激光光斑半径。当飞秒激光烧蚀面齿轮时，电子被加热到很高的温度，进而引起热物性参数值发生较大变化。因此，热物性参数不能设置为常数。从 300 K 到费米温度，电子热导率 ke14的表达式为 ，（6）式中：k 为材料导热系数；e=Te/Tf，l=Tl/Tf，其中 Tf为费米温度；为常数。3 求解与仿真分析采用 COMSOL 软件对飞秒激光烧蚀面齿轮进行仿真分析。面齿轮的热物性参数15-16和激光参数设置分别见表 1、表 2。仿真前，面齿轮需进行网格划分。仿真计算区域大小选为 60 m30 m，采用不均匀的三角形网格，最大单元大小为 0.5 m，最小单元大小为 0.001 m，最大单元的增长率为 1.3，曲率因子为 0.3。面齿轮网格划分如图 1 所示。飞秒激光烧蚀面齿轮材料的齿面表层形态研究徐海军，等02-36-在 COMSOL 软件中，建立两个系数形式偏微分方程模块与一个固体力学模块，将式（1）和（2）输入到系数形式偏微分方程模块中，将式（3）输入到固体力学模块中，建立温度-应力耦合模型。通过向后有限差分法求解耦合模型，即基于上一个时间步长的数值计算当前时间步长的电子温度、晶格温度和热应力，重复此步骤，直至得到具有良好收敛性的解为止。随着时间步长的更新，可以获得求解域内任意时刻的电子温度、晶格温度和热应力。材料初始温度为 293.15 K。在飞秒激光脉宽 300 fs、激光光斑半径 20 m、激光脉冲数 30、重复频率200 kHz 的激光参数下，激光能量密度分别为 1.42,1.78,2.37,3.56 J/cm2时，齿面电子温度（Te）和晶格温度（Tl）随时间的演变过程见图 2 和 3。由图 2 和3 可知：1）当最后一个激光脉冲作用时，在不同能量密度 1.42,1.78,2.37,3.56 J/cm2下的电子峰值温度分别约为 13 900,17 100,21 900,32 500 K。2）当最后一个激光脉冲作用时，在不同能量密度 1.42,1.78,2.37,3.56 J/cm2下的晶格峰值温度分别约为 12 100,15 200,19 800,28 500 K。3）随着激光能量密度的增加，电子和晶格的峰值温度随之增大。当前一个脉冲作用结束后，材料还未冷却到初始温度，下一个脉冲随之而来，在上一个脉冲剩余能量的基础上对材料进行烧蚀，因而脉冲结束时的材料温度比上一个脉冲结束时的更高。这说明了多脉冲在烧蚀面齿轮时，存在明显的能量累积效应。图 4 是面齿轮材料 18Cr2Ni4WA 在激光能量密度分别为 1.42,3.56 J/cm2时的轴向-径向晶格温度分布图。因为激光光斑能量呈高斯分布，所以照射材料的周围温度也随之呈高斯分布，呈现中心处温度高、边缘温度低的特点。从图 4 可以看出：1）当材料温度超过气化温度 3023 K 的区域，材料发生气化，形成烧蚀凹坑；在温度高于 1724 K 且小于 3023 K 的区域，材料熔化形成熔融区域；在温度高于材料初始温度且小于 1724 K 的区域，材料形态未发生变化，属表 2 激光参数Table 2 Laser parametersJ0/(Jcm-2)1.42,1.78,2.37,3.560/m20脉冲数30脉宽/fs300重复频率/kHz200图 1 面齿轮网格划分Fig.1 Meshing of face gear图 2 不同激光能量密度下电子温度随时间的变化Fig.2 Evolution of electron temperature with time in different laser energy density图 3 不同激光能量密度下晶格温度随时间的变化Fig.3 Evolution of lattice temperature with time in different laser energy densities表 1 面齿轮的热物性参数Table 1 Thermophysical parameters of face gear参 数Ce/(JK-1m-3)Cl/(JK-1m-3)T0/KR/m-1E/GPa数值706.43.5106293.150.67.1107206参 数密度/(kgm-3)Tf/K熔点温度 Tm/K蒸发温度 Tv/K/K-1数值7 9101.281051 7243 02312.510-62023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02-37-于热影响区域。2）能量密度为 1.42 J/cm2时，齿面烧蚀凹坑的直径和深度分别为 35.782,4.315 m；能量密度为 3.56 J/cm2时，齿面烧蚀凹坑的直径和深度分别为 45.544,6.988 m。随着能量密度增加，烧蚀凹坑的直径和深度增大。图 5 为在 10,20,30 个激光脉冲下不同激光能量密度的热应力空间分布图。图中，负值代表压缩应力，正值代表拉伸应力。当飞秒激光辐照面齿轮表面时，材料被激光辐照区域产生的温度场分布不均匀。因热膨胀而产生的热弹力波首先在材料表面产生一个压应力，随后热弹力波逐渐向材料内部传播，压应力逐渐减小，并在材料内部逐渐形成拉应力，压应力的最大值出现在材料表面。由图 5a 可知，激光脉冲数为 10 时，在不同能量密度 1.42,1.78,2.37,3.56 J/cm2下最大压应力分别为2.42,2.75,3.43,4.48 GPa；最大拉应力出现在材料深度4.9 m 处，在不同能量密度 1.42,1.78,2.37,3.56 J/cm2下最大拉应力分别为 1.52,1.95,2.48,3.71 GPa。由图 5b 可知，激光脉冲数为 20 时，在不同能量密度 1.42,1.78,2.37,3.56 J/cm2下最大压应力分别为4.63,5.41,6.68,8.72 GPa；最大拉应力出现在材料深度7.5 m 处，在不同能量密度 1.42,1.78,2.37,3.56 J/cm2下最大拉应力分别为 2.18,2.65,3.36,4.63 GPa。由图 5c 可知，激光脉冲数为 30 时，在不同能量密度 1.42,1.78,2.37,3.56 J/cm2下最大压应力分别为6.17,7.49,9.11,12.32 GPa；最大拉应力出现在材料深度8.1 m 处，在不同能量密度