激光拋光表面形貌的誤差復映規律

李健，楊葉，金衛鳳，曾子涵，嚴思琴

（江蘇大學 a.材料科學與工程學院 b.機械工程學院，江蘇 鎮江 212013）

激光拋光是通過激光對材料的熱作用（如蒸發、熔化等）與光化學作用，來實現材料微量去除并最終達到材料表面平坦化的一種先進拋光方式[1]。作為一種非接觸式高能束拋光方法，激光拋光特別適用于難加工材料和復雜結構表面的拋光。此外，由于激光可局限于微米厚度的表層材料，激光拋光適用于各種金屬和合金的精密和超精密拋光[2-3]。

目前，國內外研究者已對激光拋光進行了大量研究，主要考察激光類型[4-10]及參數[11-17]、激光拋光機理[18-22]以及工藝參數的優化[23-29]等方面，很少涉及到表面初始狀態的影響。在傳統的機械加工領域，表面的初始狀態是表面加工質量的重要影響因素：表面的初始形狀誤差反作用于加工系統，使得加工后的表面殘留部分初始形狀特征，該現象通常被稱為誤差復映[30]。作為表面質量形成的一般規律，誤差復映在激光拋光工藝中也會有所體現，但已有研究主要針對平直表面的宏觀表面形狀，而平直表面局部區域微觀形狀的微小變化難以通過實驗手段衡量，所以目前鮮有對表面局部區域微觀形狀加工中的誤差復映規律的研究。而在很多研究領域，如增材制造領域，待拋光的表面往往具有大量的微結構，這些微結構的尺寸顯著大于材料熔融厚度，拋光時可能有部分殘留而影響表面質量，即存在表面形貌誤差復映，此時希望減小粗糙度的同時能夠保證微結構的形狀[31]。因此，有必要對激光拋光中的表面形貌誤差復映規律進行探索，以指導激光拋光在這些領域的應用。

本文以304奧氏體不銹鋼為拋光對象，采用了與文獻[32]類似的兩步納秒激光加工工藝，研究了激光拋光中的形狀復映規律。在兩步加工工藝中，第一步納秒激光加工用以構建特定的初始表面微結構，第二步用以實現已有微結構表面的激光拋光。對加工后的表面形貌進行測量分析，考察第一步加工產生的微結構邊緣凸起的高度隨拋光參數的變化規律。

1 實驗

1.1 實驗材料

考慮到激光拋光一般用于難加工材料，如工具鋼、鈦合金、不銹鋼等材料的加工中，本文選用304奧氏體不銹鋼作為實驗材料，直接通過網絡購買，未經進一步處理。實驗材料的成分參見表1。

表1 304不銹鋼化學成分Tab.1 Chemical composition of stainless steel 304 wt%

1.2 實驗裝置及方法

實驗采用納秒脈沖光纖激光（BLC-100，盛泰激光），激光波長為1064 nm，脈寬約200 ns，光束強度分布為高斯分布。加工過程主要是利用激光對材料的熱效應，通過熔化、蒸發去除表面材料及改變表面形貌。首先，將待加工表面放置于激光焦點位置，設置激光能量密度為18 W，激光脈沖頻率為20 kHz，掃描速度為500 mm/s（即點間距為25 μm），沿如圖1所示的設定路徑（長度為200 mm）標刻出一定深度的凹槽。通過預試驗，加工的溝槽寬度約75 μm，搭接率為 66.67%。加工過程中熔融材料在凹槽邊緣堆積，形成一定高度的邊緣凸起[33]。制備凹槽時，分別進行了5、10、15、20次標刻，以構建不同高度的邊緣凸起。采用低能量的納秒激光對包含凹槽的局部表面區域進行激光拋光。激光拋光過程中激光束掃描路徑如圖1所示，其中掃描線間距設置為10 μm，掃描速度設置為200 mm/s（即點間距為10 μm），激光功率分別設置為6、4、2、1、0.2 W。由于預加工的凹槽寬度約75 μm，選取拋光區域的寬度大于預加工凹槽寬度的20倍，為此，在每組參數下，對包含凹槽和邊緣凸起的2 mm×2 mm的區域進行拋光處理。為改善拋光效果，每組參數下對同一個區域進行兩次掃描拋光處理。激光加工和激光拋光的區域分布如圖2所示，每個小塊區域即為一組參數下進行兩次拋光得到的拋光區域。

采用超景深顯微鏡（VHX-1000，Keyence）對激光拋光后的表面形貌進行測量，獲取經過拋光的微凹槽及其附近微凸起的輪廓。考慮到該儀器在測量微結構深度上存在局限[34]，難以精確測量凹槽深度，后續的測試方案僅考慮微邊緣凸起隨拋光參數的變化。

2 拋光仿真方法

為分析激光拋光中微結構的誤差復映規律，考慮到激光拋光過程中的熱毛細作用，采用文獻[35]的方法對序列激光脈沖對表面凸起的平滑效果進行了仿真，仿真所用到的相關模型如圖3所示。表面凸起及激光掃描方式如圖3a所示，凸起寬度設置為30 μm，激光脈沖間距設置為10 μm。表面的截面輪廓如圖3b所示，仿真了凸起高度分別為8 μm和16 μm的兩種表面。根據圖3a和圖3b所描述的模型，仿真過程中將二維粗糙度的變化簡化為一維輪廓的變化。在激光拋光過程中，材料受到激光的作用后會產生熱毛細流動，使熔融表面偏離理想的光滑形狀，該熱毛細流動行為較為復雜，所以一般文獻[21,22]只對單脈沖作用后的表面形貌變化進行模擬研究。對序列脈沖作用下表面形貌變化的模擬，只能通過對熱毛細流動過程近似處理來實現[35]，即將熱毛細流動導致的表面輪廓變化符合圖3c所示的規律：在熔融區域半徑處，輪廓高度無變化；靠近邊界的熔融區域出現材料堆積；而在熔融區域中心部位則產生凹陷。該規律可通過以下公式進行描述：

式（1）中，Δh(x)為x處輪廓的變化，H為高度系數，x0為光斑中心位置，R為熔融區域半徑。根據已有的文獻[36]，激光的熱毛細流動強度與激光功率正相關，為此，采用公式（2）描述高度系數H。

式（2）中，P為無量綱化激光功率，系數 2為假設無量綱激光功率P=1時高度系數為2 μm，這一數值與文獻[36]的數據在同一量級。考慮到激光束具有如下形式的高斯分布[31]，不同激光功率的光束強度分布將導致不同的熔融區域寬度，如圖3d所示。

式（3）中，D為激光光束直徑。不同激光功率的光束強度分布如圖3d所示。可以看出，較大的激光功率將產生較大的熔融區域，為此，將公式（1）中的熔融區域半徑R簡化表達為：

即無量綱激光功率P=1時，熔融區域的半徑為20 μm。基于以上模型順序考慮各脈沖作用后表面形貌的變化。

3 結果及分析

激光加工和激光拋光后的樣品表面照片如圖4所示，圖中加工的凹槽從左至右分別是標刻5次、10次、15次和20次的凹槽。可以看出，隨著標刻次數的增加，凹槽越來越明顯。一方面，標刻次數增加后，凹槽內被去除的材料增多，凹槽深度變大；另一方面，由于凹槽內濺出的材料體積增大，附著在凹槽邊緣的邊緣凸起寬度和高度增大，所以凹槽圖片變得明顯。在圖4中，所拋光的每個微區域大小為2 mm×2 mm，從上到下分別是采用6、4、2、1、0.2 W的激光進行拋光的區域。隨著激光功率的減小，拋光區域的顏色逐漸變深，拋光區域的表觀質地與未加工區域有明顯差別。此外，通過對樣品的直觀觀察可以發現，經過拋光以后的凹槽表觀線寬明顯小于未經過拋光的凹槽，這主要由于對凹槽邊緣凸起實現拋光所致。

超景深顯微鏡下加工樣品測量的表面形貌如圖5所示，其中圖5a和圖5c為僅經過納秒激光刻蝕出的凹槽區域附近的表面形貌及其輪廓情況（選取的位置為圖5a中兩小圓點標出的直線位置），圖5b和圖5d為經過激光拋光以后的凹槽附近表面形貌及其輪廓（選取的位置為圖5b中兩小圓點標出的直線位置）。比較圖5a和圖5b可以看出，經過拋光以后，原表面具有方向性的劃痕被清除掉，殘留的凹槽寬度明顯小于未拋光的凹槽寬度。測量凹槽邊緣凸起的高度發現（在超景深顯微圖片上選取測量位置，高度值取凹槽兩側凸起相對于表面其他位置的高度的平均值），經過拋光，凹槽邊緣凸起的平均高度（左邊凸起與右邊凸起的平均值）從拋光前的7.8055 μm變為1.8795 μm，如圖5b和圖5d所示。

在超景深顯微鏡所測量的激光拋光表面形貌的基礎上，分析了拋光參數對拋光效果的影響。為了考慮拋光效果，對凹槽兩邊邊緣凸起的平均值進行了測量計算，計算結果如圖6a所示。從圖中可以看出，隨著標刻次數的增大，邊緣凸起的高度逐漸增大，這是由標刻過程中凹槽內濺出的材料堆積所致。但是，當標刻次數增大到15次以后，凸起高度的變化并不明顯。

激光拋光過程中，表面存在的微結構對最終的表面形貌會產生影響，即存在所謂的形狀誤差復映。對于標刻10次、15次和20次的溝槽，凹槽邊緣凸起的高度變化具有一定的規律性：在激光功率大于2 W時，邊緣凸起高度隨功率的變化基本服從線性變化規律；在激光能量密度小于2 W時，邊緣凸起高度隨功率的變化很小，這是由小功率激光只能引起薄熔融層決定的[37]。由此可見，由于表面微觀結構的存在，激光拋光后會有一定高度的邊緣凸起殘留下來，即存在所謂的形狀誤差復映。初始的微結構高度越大，拋光后的微結構高度也越大。增大拋光的激光功率能夠有效地減小形狀誤差復映，實現表面的均勻化拋光。對于標刻次數只有5次的凹槽邊緣，激光功率對邊緣凸起高度變化的影響很小。這主要由該拋光工藝的性能飽和決定，由于僅經過5次標刻獲取的邊緣凸起高度僅有7 μm左右，經過功率為4 W和6 W的激光拋光以后的邊緣凸起高度都為2 μm左右，即實現拋光的飽和，繼續增大拋光能量難以降低邊緣凸起的高度。實際上，采用該納秒激光進行拋光后，在遠離邊緣凸起的其他區域也會產生約2 μm左右的起伏，如圖6b所示，這驗證了前述的拋光能量密度飽和的猜測。通過模擬也發現，激光拋光后表面輪廓隨激光功率的變化規律與實驗規律相似，如圖6c。從圖6d的模擬結果還發現，在激光功率較小時，激光束對表面凸起的平滑作用不明顯，所以凸起高度變化較小；而在激光功率較大時，雖然凸起高度有較大變化，但激光導致的較強的熱毛細流動使得表面具有鋸齒結構，表面粗糙度難以降低，這與圖6b中的實驗結果吻合得較好。

4 結論

1）激光拋光能夠有效降低凹槽邊緣凸起高度，選擇合適的拋光參數可將凹槽邊緣凸起高度降低到2 μm以下。

2）激光拋光中，表面已有結構具有一定形狀誤差復映規律。對于初始凹槽邊緣凸起高度大于10 μm的情況，激光拋光后在激光功率大于2 W的情況下，拋光后的凹槽邊緣凸起高度隨激光功率密度的增大而線性減小。在激光功率小于2 W的情況下，凹槽邊緣凸起高度隨激光功率變化不明顯。

3）對于初始凹槽邊緣凸起高度小于10 μm的情況，激光拋光在較高功率下存在拋光飽和的現象——凸起高度隨激光功率變化不明顯。