45% SiCp/Al復合材料切削表面對高斯激光吸收規(guī)律研究

孔憲俊， 王明海， 王奔， 鄭耀輝， 王揚， 楊立軍

(1.沈陽航空航天大學 機電工程學院， 遼寧 沈陽 110136; 2.哈爾濱工業(yè)大學 機電工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，對材料性能提出了越來越高的要求，特別是航空、航天及軍工領域要制造輕便靈活、性能優(yōu)良的飛機、導彈、精密儀表和光學儀器等，必須要求材料密度低、比強度及比模量高等[1-3]。SiCp/Al復合材料正是滿足了這方面的需要而進入航空、航天及軍工領域的，并且得到了日益廣泛的應用。然而顆粒增強復合材料對于刀具的巨大磨損導致常規(guī)切削加工的成本非常高，使得顆粒增強復合材料的應用受到了巨大限制。為降低顆粒增強復合材料加工成本，出現(xiàn)了很多特種加工方式，例如電火花加工、磨料水射流加工、激光加工、激光加熱輔助切削(LAM)等[4-10]。為能夠得到最優(yōu)的加工參數(shù)、最大的加工效率以及穩(wěn)定的加工質量，這些非傳統(tǒng)的加工方法在應用前進行了大量實驗和仿真研究。研究發(fā)現(xiàn)：電火花方法加工顆粒增強復合材料是可行的，然而它的加工效率非常低，加工后材料表面有很多深淺不一的凹坑，這些凹坑的尺寸隨放電能量的增加而進一步增大；磨料水射流加工非常適合顆粒增強復合材料的粗加工，加工進給速度可達到450 mm/min，加工后表面也沒有毛刺出現(xiàn)，但加工后的表面相對粗糙、上層常常出現(xiàn)溝槽損傷；激光切割可以用于顆粒增強復合材料的粗加工，該方法的加工效率非常高，進給速度甚至達到3 000 mm/min，而且加工的切口寬度一般小于0.4 mm，但存在顆粒增強復合材料對于激光吸收率較低的問題；LAM與上述加工方法相比具有效率高、成本低、加工質量好等優(yōu)點，有望解決復合材料難加工的問題。

上述涉及的激光加工顆粒增強復合材料可歸納為兩大類：一類是復合材料被加熱到熔點以下溫度進行加工，例如LAM技術，切削前激光先將待切削材料加熱到一定溫度，降低材料的硬度及屈服強度，達到減小切削力提高表面質量的目的；另一類是復合材料被加熱到熔點以上溫度進行加工，例如短脈沖激光打孔、激光熔敷、激光焊接、激光切割等。無論是哪一類激光加工方法，激光輻照材料后首先發(fā)生的都是材料表面的自由電子對于激光光子的吸收，電子吸收光子后發(fā)生受迫振動，進而產生動能，導致溫度升高。在激光加工過程中，材料對于激光的吸收對于加工質量和加工效率起著至關重要的作用，影響激光吸收的參量主要包括激光波長、材料化學成分、材料表面狀態(tài)、表面粗糙度。各國學者們進行了許多努力來探索材料對于激光的吸收規(guī)律[11-16]，但含有非均質相的顆粒增強復合材料的切削表面對于半導體激光的吸收機理方面還鮮有報道，本文開展硬質合金刀具和聚晶金剛石(PCD)刀具激光加熱切削顆粒增強復合材料實驗，針對切削后材料表面對激光的吸收機理進行探究，揭示顆粒增強復合材料增強相和基體吸收激光后的溫升變化規(guī)律，對于提高激光加工復合材料質量以及效率有著重要的指導意義。

1 實驗設計

實驗所用的激光加熱輔助車削系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由1 000 W連續(xù)半導體激光器、數(shù)控車床、激光頭調整裝置以及紅外測溫儀組成。所用激光的波長為1 064 nm、光斑直徑為5 mm. 激光產生后通過光纖傳輸?shù)郊す忸^，激光頭調整裝置對激光入射方向、光斑大小以及激光光斑與刀具距離等參數(shù)進行精確調整，激光頭調整裝置固定在車床的溜板上，能夠與刀具一起運動。利用激光頭調整裝置上的步進電機實現(xiàn)激光頭沿進給方向、徑向方向及圓周方向的準確調整。激光加熱過程中，利用紅外測溫儀對切削點處的溫度進行實時測量，實驗室虛擬儀器工程平臺Labview軟件將采集的溫度數(shù)據(jù)與設定的最優(yōu)切削溫度進行比對，并且實時調整。加工工件使用絕熱材料絕熱后裝夾在三爪卡盤上，工件加工后使用便攜式TR200表面粗糙度儀對表面粗糙度進行多次測量，取平均值以減少測量誤差。

圖1 激光加熱輔助車削試驗裝置圖Fig.1 Experimental setup of laser assisted machining

實驗所用材料為45% SiCp/4A11復合材料棒料，增強體顆粒大小為5 μm，均勻分布于4A11鋁合金基體中，顆粒及基體性能如表1所示。圖2為45% SiCp/4A11復合材料的透射電子顯微鏡圖，從中看到顆粒與基體界面結合良好，沒有明顯的反應物，說明實驗所用復合材料中的增強體與基體有良好的結合性能。

表1 SiC顆粒和鋁基體力學性能

圖2 45% SiCp/4A11復合材料的透射電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Transmission electron microscope photograph of 45% SiCp/4A11

2 結果與討論

2.1 45% SiCp/Al復合材料表面狀態(tài)對高斯激光吸收

激光器輸出的光束能量分布形式對于激光加熱時的溫度場有較大影響，進而影響加工效率和質量。實驗前使用Spricon SP620激光光束質量儀對激光光束質量進行檢測，將激光光束垂直照射進入激光探測器，高能激光束經過探測器內衰減片后進入Spricon SP620激光光束質量儀，檢測到激光光束能量分布如圖3所示。從圖3中發(fā)現(xiàn)，激光光束呈均勻的高斯分布，光束能量分布均勻性良好。

圖3 光束能量分布圖Fig.3 Laser beam energy distribution

當使用基模高斯光束照射在工件表面后，工件的表層材料吸收了激光絕大部分能量，原理如圖4所示，其中θp為縱模光束發(fā)散角的半角，θn為橫模光束發(fā)散角的半角。在接下來溫度場的研究中將激光加熱工件表面假設為一個表面熱源對工件表面進行加熱，該面熱源能量強度Q分布如(1)式所示：

(1)

式中:Pl為激光功率；A為激光吸收率；r為距光斑中心的距離；R為激光半徑。

圖4 半導體激光縱向和橫向模式與復合材料的相互作用Fig.4 Longitudinal and transverse modes of diode laser beam profile

理論上45% SiCp/Al復合材料表面中碳化硅顆粒的占比為45%，經砂紙精磨、拋光后組織形貌如圖5所示。從圖5中發(fā)現(xiàn)，有很多碳化硅陶瓷顆粒露出。為了分析顆粒與基體的溫度場，提取激光光斑照射區(qū)域的一部分。

圖5 45% SiCp/Al復合材料顯微組織形貌Fig.5 Microstructure of 45% SiCp/Al composite

圖6 半導體激光輻照復合材料時SiC顆粒、Al基體和45% SiCp/Al復合材料溫度隨時間變化曲線Fig.6 Time dependence of surface temperatures in SiC, aluminum matrix and composite irradiated by a diode laser

假設激光照射到材料表面時沒有相轉變發(fā)生，將45% SiCp/4A11復合材料中的Al基體、SiC增強體顆粒和SiCp/Al復合材料熱物性能參數(shù)代入熱傳導(2)式中進行計算得出圖6所示的變化規(guī)律，SiCp/4A11各組分熱物性能如表2所示。由于45% SiCp/Al復合材料中陶瓷增強體對激光吸收率遠大于鋁合金基體對激光的吸收率，當半導體激光束照射到復合材料表面時，碳化硅陶瓷顆粒吸收激光后升溫速率高于鋁合金基體，由圖6得出激光加熱5 μs時，鋁基體合金溫度達到300 ℃，而碳化硅陶瓷顆粒達到1 600 ℃，在較大的溫差及鋁合金較大的熱傳導系數(shù)條件下，碳化硅陶瓷顆粒和鋁基體之間會發(fā)生快速的熱傳導，數(shù)微秒使得熱量均勻化，45% SiCp/Al復合材料溫度接近500 ℃. 實際加工過程中，往往需要數(shù)秒的預熱，加工時間也遠遠大于幾微秒，因此，實際加工過程中可以忽略碳化硅顆粒和鋁基體間的溫差，假設溫度是均勻分布在整個激光照射區(qū)內。

(2)

式中：To為室溫(℃)；I為激光功率密度(W/cm3)；α為吸收系數(shù)；Ae為每一組分的吸收率；K為熱膨脹系數(shù)(K-1)；λ為熱導率(W/(m·℃))；t為激光與組分相互作用時間(s)。

表2 45% SiCp/4A11各組分熱物性能

圖7 硬質合金刀具車削45% SiCp/Al復合材料表面形貌和能譜分析Fig.7 Surface morphology of 45% SiCp/Al composite with WC and energy spectrum

激光加熱切削45% SiCp/Al復合材料過程中使用的切削刀具對于45% SiCp/Al復合材料成型表面有較大的影響，圖7和圖8分別為硬質合金刀具和PCD刀具車削45% SiCp/Al復合材料圓棒后的表面形貌。實驗采用的切削參數(shù)：切削深度0.75 mm，轉速500 r/min，進給量0.1 mm/r. 刀具參數(shù)如表3所示。

圖8 PCD刀具車削45% SiCp/Al復合材料表面形貌和能譜分析Fig.8 Surface morphology of 45% SiCp/Al composite with PCD and energy spectrum

表3 刀具參數(shù)

Tab.3 Tool parameters

刀具涂層基體涂層厚度/μm前角/(°)后角/(°)硬質合金TiAlNK10807PCD無合金無07

從圖7(a)中發(fā)現(xiàn)，使用普通硬質合金刀具進行激光加熱車削復合材料時，復合材料表面露出的碳化硅陶瓷顆粒很少，表面基本被鋁基體覆蓋；圖7(b)為表面元素含量的能譜圖，從中發(fā)現(xiàn)鋁硅元素含量的比值為1.187，大于材料中鋁硅元素理論含量的比值0.873，這一結果證實了硬質合金刀具切削復合材料后表面覆蓋一層鋁基體合金，影響了材料對激光的吸收率。接下來采用有限元仿真與測溫實驗結合的方法計算復合材料不同加工表面狀態(tài)對半導體激光的吸收率：首先利用紅外熱像儀測量半導體激光照射工件后的溫度變化曲線；然后采用有限元仿真的方法建立與實驗條件一致的溫度場模型，通過調整溫度場模型中的激光吸收率，擬合仿真溫度變化曲線與實驗測得的溫度變化曲線，兩個曲線擬合最好時有限元模型中使用的吸收率就是45% SiCp/Al復合材料對半導體激光的吸收率，實驗測量的溫度值與有限元仿真預測的溫度值隨時間變化曲線如圖9所示；最后得出此表面對半導體激光的吸收率為0.21.

圖9 實驗測量與仿真預測的溫度隨時間變化曲線Fig.9 Experimental and predicted temperatures at selected location

當使用PCD刀具進行激光加熱車削復合材料棒料時，切削后的表面形貌如圖8(a)所示，從中發(fā)現(xiàn)，復合材料表面基本被鋁合金覆蓋，材料表面露出的碳化硅顆粒較理論計算值少，較硬質合金刀具切削后露出的多；圖8(b)為表面元素含量的能譜圖，從中計算得出鋁/硅元素含量的比值為1.047，低于硬質合金刀具切削表面的鋁/硅元素含量比值1.187. 原因在于硬質合金刀具車削45% SiCp/Al復合材料很短時間后，刀具刀尖與后刀面受到硬度極大的碳化硅陶瓷顆粒沖擊作用導致發(fā)生劇烈的磨粒磨損，切削刃鈍圓半徑增大[17]，繼續(xù)使用大圓弧半徑的硬質合金刀具車削45% SiCp/Al復合材料，材料的變形去除過程由微切削去除轉變?yōu)閿D壓方式去除，此外，硬質合金刀具摩擦系數(shù)較PCD刀具大，隨著切削時間的增加，剪切變形區(qū)和加工后表面溫度上升的速度更快，導致鋁基體軟化，加工后材料表面更易于發(fā)生熨燙現(xiàn)象。在刀具的擠壓和熨燙共同作用下使得鋁合金基體越來越多覆蓋于加工后材料表面，增大了材料表面鋁/硅元素含量的比值；同時，由于切削刃鈍圓半徑增大導致實際的切削深度減小。而利用PCD刀具切削45% SiCp/Al復合材料，由于PCD刀具硬度較碳化硅陶瓷顆粒高，摩擦系數(shù)較低[18]，車削過程刀具發(fā)生磨粒磨損的速率遠低于硬質合金刀具，同時切削刃鈍圓半徑增大程度也小于硬質合金刀具。摩擦生熱較低，45% SiCp/Al復合材料變形過程為微切削和刻劃，顆粒與基體發(fā)生協(xié)同剪切變形，鋁合金基體材料被刀具擠壓到工件材料表面現(xiàn)象較少，導致復合材料表面鋁/硅元素含量的比值低。實驗測量的溫度值與有限元仿真預測的溫度值隨時間變化曲線如圖10所示，圖中實線代表實驗值，用虛線來表示不同α的仿真值。接下來采用有限元仿真計算與測溫實驗結合的方法得出45% SiCp/Al復合材料表面對于半導體激光的吸收率為0.23，略高于硬質合金刀具切削表面。

圖10 實驗測量與仿真預測的溫度隨時間變化曲線Fig.10 Experimental and predicted temperatures at selected location

從以上研究發(fā)現(xiàn)，無論使用硬質合金刀具還是PCD刀具進行45% SiCp/Al復合材料的激光加熱車削，加工后的復合材料表面由于鋁基體合金的覆蓋使得復合材料對于激光的吸收率極低，為提高復合材料對半導體激光的吸收率，后續(xù)的激光加熱車削復合材料時，均在復合材料表面均勻涂覆了一層極薄的石墨，來增加45% SiCp/Al復合材料對激光的吸收率，涂覆石墨的45% SiCp/Al復合材料表面對于半導體激光的吸收率可達0.63，提高了激光能量的利用率。

2.2 激光加熱切削溫度場有限元仿真與分析

本文以傅里葉傳熱方程為基礎，采用有限元分析軟件Ansys建立LAM溫度場模型。首先將建好的幾何體模型離散成擴散熱傳導單元，然后以高斯激光熱流密度、對流和輻射邊界條件及初值，忽略切削過程、摩擦生成的熱量，求解熱傳導方程。加熱的45% SiCp/Al復合材料為各向同性材料，熱導率、比熱容隨溫度變化關系如圖11所示。建立過程中還充分考慮了激光加熱切削的特點，對模型以下方面進行優(yōu)化：

圖11 45% SiCp/Al復合材料的熱導率及比熱容Fig.11 Effect of temperature on thermal conductivity and specific heat of 45% SiCp/Al

1) 激光加熱工件表面后，表面溫度迅速升高，并且沿徑向具有極大的溫度梯度，該溫度梯度對于材料切削性、刀具磨損都有很大影響，為精確研究該層材料的溫度場，對該薄層材料單元進行了網(wǎng)格細化，以提高計算精度。

2) 激光光斑直徑相對于工件尺寸較小，且需要沿工件軸向運動。對于激光熱傳導區(qū)域以及工件軸向網(wǎng)格數(shù)量進行細化處理，以提高計算結果的精度。

通過有限元模型仿真得出激光加熱45% SiCp/Al復合材料時的溫度場有限元模型如圖12所示，某一時刻瞬態(tài)溫度場仿真結果如圖13所示。

圖12 溫度場有限元模型Fig.12 Finite element model for temperature field

圖13 瞬態(tài)溫度場仿真結果Fig.13 Temperature distribution for operating condition

采用Flirfdps- 150型紅外熱像儀進行工件表面溫度的測量，紅外熱像儀放置于水平處，激光束與紅外熱像儀沿周向呈35°角照射工件表面，為能夠準確測量工件表面溫度場分布，在工件表面沿軸線方向選擇了間距5 mm的3個點G1、G2、G3，后處理時提取3個點處溫度隨時間的變化值來分析參數(shù)對于激光加熱工件表面溫度場的影響規(guī)律，紅外熱像儀測溫位置如圖14所示，45% SiCp/Al復合材料的發(fā)射率設置為0.2.

圖14 紅外熱像儀測溫位置示意圖Fig.14 Locations of IR temperature measurement

在激光加熱過程中，激光功率Pl、激光光斑直徑Dl、激光軸向移動速度vl、激光與測溫點距離Ll以及預熱時間tp對于工件表面的溫度會產生較大的影響，因此，選擇5個參數(shù)進行溫度場的研究，實驗所使用參數(shù)如表4所示。

表4 實驗參數(shù)

將實驗測量得到的溫度與有限元模型預測的溫度場結果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)模型預測的結果存在一定的偏差，接下來對有限元模型參數(shù)進行修正。依據(jù)紅外測溫實驗對建立的有限元模型中的對流換熱系數(shù)進行修正，直到模型的仿真結果與實驗結果誤差在可控范圍內，修正后的對流換熱系數(shù)為88 W/(m2·℃)。

接下來選取對溫度場影響較大的激光功率和光斑直徑作為實驗變量，得到軸向3個不同位置G1、G2、G3溫度場仿真值與實驗值的曲線如圖15所示。從圖15中發(fā)現(xiàn)，3個測溫點溫度均先增加到最大值，而后隨著激光的遠離，溫度從最高點開始下降。由于激光加熱表層溫度升高后，熱流迅速向工件內部擴散，導致隨著軸向距離的增加，測溫點的最高溫度增加。

圖15 有限元模型預測的溫度場與實驗測量結果對比分析Fig.15 Comparisons of the IR camera measurements and the thermal model predictions in LAM

2.3 45% SiCp/Al復合材料激光加熱溫度經驗公式

激光束照射到45% SiCp/Al復合材料圓柱件表面后，影響溫度的主要因素有激光功率Pl、激光直徑Dl、激光頭移動速度vl、距激光光斑中心距離Ll和轉速n. 采用上述建立的溫度場有限元模型仿真分析激光加熱45% SiCp/Al復合材料圓柱件過程中參數(shù)對溫度場的影響規(guī)律，仿真分析采用5因素4水平進行，參數(shù)和極差分析結果如表5所示。

表5 正交參數(shù)溫度仿真結果及分析

注：Ki(i=1,2,3,4)為影響溫度的第i個因素的水平之和；Tc為切削點溫度。

從表5極差分析結果中得出影響激光加熱溫度大小的參數(shù)順序為：激光功率Pl大于激光移動速度vl，vl大于激光光斑直徑Dl，Dl大于距激光光斑中心距離Ll，Ll大于轉速n.

根據(jù)激光和切削參數(shù)對加熱溫度的影響規(guī)律，提出工件表面切削點處的溫度可用經驗公式(3)式表示：

(3)

式中：CT為溫度系數(shù)；a1、a2、a3、a4、a5為指數(shù)。

將(3)式兩邊取對數(shù)，并且通過多元線性回歸法得出切削點處溫度公式：

(4)

(4)式推導的切削點處溫度公式相關系數(shù)為0.996，說明推導出的經驗公式能夠較準確地描述切削溫度與激光和切削參數(shù)的關系。通過(4)式能夠快速分析出工藝參數(shù)對切削點位置溫度的影響規(guī)律，對于初選工藝參數(shù)及減少仿真計算量有較大益處。

3 結論

1) 本文研究了硬質合金刀具與PCD刀具切削45% SiCp/Al復合材料后不同表面對半導體高斯激光的吸收規(guī)律，結果表明：使用硬質合金刀具進行激光加熱輔助車削得到的45% SiCp/Al復合材料表面鋁/硅元素含量比值為1.187，對半導體激光的吸收率為0.21；而采用PCD刀具進行激光加熱車削獲得的表面鋁/硅元素含量比值為1.047，激光吸收率達到0.23. 主要原因在于使用PCD刀具車削后的45% SiCp/Al復合材料表面露出的碳化硅顆粒較硬質合金刀具切削后露出的多，而碳化硅顆粒對于激光吸收率遠大于鋁合金基體。

2) 根據(jù)碳化硅和鋁基體的熱物性參數(shù)和熱傳導公式，采用數(shù)值計算方法獲得了激光加熱過程45% SiCp/Al復合材料、碳化硅陶瓷顆粒、鋁基體的溫度隨時間的變化規(guī)律，結果顯示：碳化硅顆粒升溫速率遠大于45% SiCp/Al復合材料和鋁基體。利用有限元仿真的方法建立了LAM 45% SiCp/Al復合材料的溫度場預測模型，通過仿真分析獲得了影響激光加熱溫度程度的參數(shù)順序由大到小依次為：激光功率Pl、激光移動速度vl、激光光斑直徑Dl、距激光光斑中心距離Ll、轉速n. 結合切削參量對加熱溫度的影響規(guī)律，建立工件表面切削點處溫度的經驗公式，對于初選工藝參數(shù)及減少仿真計算量有較大益處。

連續(xù)的高斯激光與45% SiCp/Al復合材料相互作用過程中，涉及光子學、物理學、材料學、熱力學等多個學科知識，這些交叉學科知識的發(fā)展和應用對于45% SiCp/Al復合材料的激光打孔、切割等激光微細加工具有非常重要的指導意義。本文研究工作還存在一些待解決的問題，需要在實際應用中不斷積累和完善，后續(xù)需要在以下兩個方面進行更加深入的研究：

1) 溫度場有限元仿真過程中45% SiCp/Al復合材料使用的是整體均質材料，熱力學性能與真實45% SiCp/Al復合材料有差別，應考慮建立更加符合真實結構的三維多面體顆粒增強復合材料，進行溫度場仿真研究。

2) 將激光系統(tǒng)與加工中心進行優(yōu)化和集成，研制具備自動控制、溫度實時監(jiān)測與反饋功能的激光復合機械的集成裝備，適應未來各種復雜精細件的增減材集成加工制造，實現(xiàn)激光復合機械加工技術的大規(guī)模工業(yè)化應用。