摘要

       激光拋光是一種使金屬基底表面光滑的技術。拋光后的粗糙度不僅包含初始表面粗糙度的殘余，還包含由于拋光過程引入的表面結構而產生的新粗糙度。本出版物從實驗和數值上研究了激光宏觀拋光和激光微觀拋光產生這些結構的原因、影響參數以及如何減少它們對粗糙度的影響。可(ke)以看(kan)出，結(jie)構受工藝參(can)(can)數和工件材料的影響(xiang)。對于較低(di)的表面粗(cu)糙度，在某些情況下必須反向調整工藝參(can)(can)數，這意味著(zhu)不可(ke)能(neng)同(tong)時阻止(zhi)所(suo)有(you)結(jie)構，并且(qie)在激光拋光過程中始終會出現表面結(jie)構。必須調整工藝參(can)(can)數，以使所(suo)有(you)結(jie)構一起使表面粗(cu)糙度盡可(ke)能(neng)低(di)。

1介紹

       激光拋光是一種使金屬表面光滑的精加工工藝。與傳統拋光技術相比，該工(gong)藝不會燒(shao)蝕(shi)材(cai)料(liao)(liao)，而是重新分配(pei)材(cai)料(liao)(liao)。薄表面(mian)層(ceng)通(tong)過激光輻射熔化，熔池表面(mian)通(tong)過表面(mian)張(zhang)力平滑，熔融(rong)材(cai)料(liao)(liao)在平滑狀態(tai)下凝固。

激光(guang)拋光(guang)工(gong)藝(yi)原理圖。

        激光輻照金屬拋光有兩種工藝變體:連續激光輻照激光宏觀拋光和脈沖激光輻照激光微拋光。對于這(zhe)兩種(zhong)工藝變體(ti)，大多數情況下都使用波長在1030 nm和1064 nm之間的激光輻射(she)。

        在連續激光輻射的激光宏觀拋光過程中，當激光束被引導到表面上時，會產生一個連續的熔池。重熔深度可達200?μm，在大多數情況下，它介于30?μm和100?μm。然而，對于激光微拋光，使用脈沖激光輻射。熔池存在的時間通常比兩個激光脈沖之間的時間距離短得多，這意味著材料在下一個激光脈沖擊中表面之前會再溶解，從而形成離散的熔池。脈沖寬度對粗糙度有顯著影響：拋光后的表面粗糙度隨著脈沖寬度的增加而降低。通常，需要多次重(zhong)熔曲(qu)面的每個點，因為這會(hui)增(zeng)加平滑(hua)效果。因此，使用掃描速(su)度和軌跡偏(pian)移，確保(bao)重(zhong)熔點在掃描方向(xiang)(xiang)上重(zhong)疊并垂直(zhi)于(yu)掃描方向(xiang)(xiang)。激光(guang)微拋(pao)光(guang)的重(zhong)熔深度在幾微米范(fan)圍內。

激(ji)光(guang)(guang)(guang)拋光(guang)(guang)(guang)的目的是盡可能降低(di)表面粗(cu)糙度。理想的激(ji)光(guang)(guang)(guang)拋光(guang)(guang)(guang)工(gong)藝將使(shi)表面完全光(guang)(guang)(guang)滑，沒有任何粗(cu)糙度（圖1，頂部）。然而，在現實中(zhong)，激(ji)光(guang)(guang)(guang)拋光(guang)(guang)(guang)后(hou)總是存在粗(cu)糙度（圖1，中(zhong)間）。

圖1激光(guang)拋光(guang)后初(chu)始表(biao)面(mian)和表(biao)面(mian)形貌的示意圖。

        為了(le)盡可能平滑給(gei)定材(cai)(cai)料和初始表(biao)面的(de)表(biao)面，拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)過程本身引入的(de)表(biao)面粗糙度需要盡可能低。因此，必須了(le)解導致(zhi)該過程誘(you)導粗糙度形成的(de)機制。因此，本文研究(jiu)了(le)激(ji)光(guang)(guang)(guang)宏觀(guan)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)和激(ji)光(guang)(guang)(guang)微觀(guan)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)過程中工藝和材(cai)(cai)料誘(you)導表(biao)面結構的(de)影響。

       我們使(shi)用機(ji)械拋(pao)光樣品(pin)進行(xing)了調查（Ra?=?0.01?μm），以消(xiao)除初(chu)始表面粗(cu)糙(cao)度的影響(xiang)。因(yin)此，拋(pao)光后的表面粗(cu)糙(cao)度是拋(pao)光過程引入(ru)的粗(cu)糙(cao)度，然后可以對其進行(xing)分析。

2激光宏觀拋光

表面結構（圖2）可分為兩類：

       由熔體(ti)和(he)(he)(he)凝固前沿動力學產生(sheng)的(de)表(biao)面(mian)(mian)結(jie)構（波(bo)紋、咬邊）以及由塑性變(bian)形和(he)(he)(he)微觀結(jie)構變(bian)化(hua)產生(sheng)的(de)表(biao)面(mian)(mian)結(jie)構（凸起、臺階(jie)結(jie)構和(he)(he)(he)馬氏體(ti)針狀物）。

圖2 在激光(guang)宏觀(guan)拋光(guang)過(guo)程中確(que)定表面(mian)結構。

       凝固(gu)(gu)過程中會出現(xian)波(bo)紋(wen)和(he)(he)咬邊。這些結(jie)構由熔池的(de)(de)幾(ji)何形狀以(yi)及熔融和(he)(he)凝固(gu)(gu)前沿的(de)(de)時空(kong)發展決定。這兩種結(jie)構都受材料特(te)性（如(ru)導(dao)熱(re)(re)系數(shu)(shu)、熱(re)(re)容(rong)和(he)(he)表(biao)面(mian)張力）、工(gong)藝(yi)參數(shu)(shu)（如(ru)激(ji)光功(gong)率和(he)(he)掃描(miao)速度(du)）以(yi)及工(gong)藝(yi)氣體的(de)(de)表(biao)面(mian)活性元(yuan)素的(de)(de)影響。未檢測到熱(re)(re)處理(li)和(he)(he)晶粒尺寸(cun)的(de)(de)影響。

       凸起、臺階結構和(he)馬氏體針狀物是(shi)塑(su)性變(bian)形和(he)顯微(wei)組織變(bian)化的(de)結果(guo)。在導熱(re)系數(shu)和(he)熱(re)容等材(cai)料性能中，微(wei)觀結構和(he)晶粒尺寸是(shi)影響這些結構的(de)最重要因素。

2.1波紋

       當熔(rong)(rong)池體積(ji)波動(dong)(dong)時(shi)，形成波紋。這些(xie)波動(dong)(dong)可由激光功率的波動(dong)(dong)和(he)材料的不均勻性(xing)引起。不均勻性(xing)會導(dao)致材料特性(xing)的變化(hua)(hua)，如熔(rong)(rong)化(hua)(hua)溫度(du)、吸收、導(dao)熱性(xing)以及熔(rong)(rong)化(hua)(hua)和(he)凝(ning)固(gu)前沿的容(rong)量。

       對于增加的熔池體積，由于熱膨脹和固液相變引起的密度跳躍，熔池表面會膨脹。

       詳細的模擬(ni)表(biao)(biao)明，系統(tong)通過阻(zu)尼振(zhen)蕩(dang)對熔池體積的波動作(zuo)出(chu)反應。由于凝固與凝固前沿垂直，因此在激光拋光表(biao)(biao)面的形貌中再(zai)現了(le)阻(zu)尼振(zhen)蕩(dang)。

       表面的拋光是通過引導激光光束在一個蜿蜒的表面上，與軌道偏移小于光束直徑。因(yin)此，紋(wen)(wen)波(bo)部分(fen)被(bei)重(zhong)熔(圖3)。當掃描(miao)第一個軌(gui)道(dao)時，紋(wen)(wen)波(bo)A出現。第二個軌(gui)道(dao)和第一個軌(gui)道(dao)有(you)80%的重(zhong)疊。結果80%的紋(wen)(wen)波(bo)A被(bei)重(zhong)熔，只剩下(xia)沒有(you)重(zhong)熔的那部分(fen)紋(wen)(wen)波(bo)A，從而形成(cheng)了紋(wen)(wen)波(bo)碎片。只有(you)在最后的軌(gui)道(dao)上，漣漪才完(wan)全保留下(xia)來。

圖(tu)3 帶重疊的激光拋光軌(gui)道（頂部：光顯微(wei)照片，底部：示意圖(tu)），材料：1.2343，dL?=?250?μm，dy?=?40?μm。

       第一階段出現(xian)的波紋通(tong)常(chang)具有(you)高振幅(fu)，無法通(tong)過以下重熔軌跡或(huo)階段完全(quan)消除。因此(ci)，會(hui)保留“桔皮”（二次(ci)波紋）。

對波(bo)紋形成的最重(zhong)要影(ying)響可總結如(ru)下：

材(cai)料的不(bu)均(jun)勻(yun)性導(dao)致波紋；

在第(di)二階段(duan)，由于第(di)一(yi)階段(duan)導致的材料均勻化，因(yin)此波紋較少；和

波紋(wen)的(de)振幅隨(sui)著(zhu)掃描速度的(de)增加而增加。

2.2咬邊

        如果熔池(chi)的傾角小(xiao)于(yu)臨界(jie)角（取(qu)決(jue)于(yu)材料和表面(mian)張力），則熔融和凝固(gu)前沿之間過渡(du)區域的熔體由于(yu)毛細(xi)管(guan)力開始滑動(dong)（圖4）。熔體的滑動(dong)導致咬邊的形成(cheng)。

圖(tu)4 帶滑動面和傾角的熔(rong)池(chi)示意圖(tu)。

       熔池在高掃描速度下的傾角明顯小于低掃描速度下的傾角。因此，掃描速度對溝槽的形成有重要影響。對于材料1.2343，當掃描速度從100 mm s^?1增加到300 mm s^?1時，溝(gou)槽的形成(cheng)增加了(le)10倍。對于材料1.2782，下切口(kou)的形成(cheng)僅增加了(le)五(wu)倍。

       當(dang)表面(mian)在激光軌跡(ji)(ji)之(zhi)間以(yi)軌跡(ji)(ji)偏移dy進行(xing)拋光時，溝壑在軌跡(ji)(ji)偏移dy的距離內保(bao)持平行(xing)線(圖5)。因此，波紋圖案仍然存在。

圖5 頂部：帶有明顯咬邊的激光拋光場最后軌跡的白光干涉顯微照片（材料：1.2782）；底部：最后軌跡的輪廓。 

對咬(yao)邊(bian)形成的最(zui)重(zhong)要影響可總結如(ru)下：

由于傾角(jiao)增(zeng)大，導熱系(xi)數越高，咬(yao)邊越小；

咬(yao)邊的(de)幅度隨(sui)著掃描速度的(de)增加(jia)(jia)而增加(jia)(jia)。

2.3凸起

      重熔軌跡中的凸起可能是由于加熱材料膨脹和收縮時的塑性變形造成的。當(dang)材(cai)料受(shou)熱(re)時，它會試圖膨脹。周(zhou)圍(wei)(wei)的(de)(de)冷材(cai)料可(ke)防止(zhi)這些膨脹，從而產生(sheng)壓縮(suo)應(ying)力(li)。這些誘導(dao)壓應(ying)力(li)可(ke)在(zai)熔池(chi)邊緣(yuan)區(qu)域部分松弛(chi)。當(dang)膨脹的(de)(de)熔融(rong)材(cai)料向上推時，表面張力(li)使其變圓。拉伸應(ying)力(li)發生(sheng)在(zai)冷卻過程中，周(zhou)圍(wei)(wei)的(de)(de)固體材(cai)料可(ke)防止(zhi)材(cai)料的(de)(de)熱(re)收縮(suo)。如果超過材(cai)料的(de)(de)屈服(fu)點，材(cai)料開始流(liu)動，從而導(dao)致塑性變形。

       圖6顯示了具有典型凸起的單軌。凸(tu)起區域1重新(xin)熔化(hua)。區域2和3未重新(xin)熔化(hua)，但由于熱影響區中的感應(ying)(ying)應(ying)(ying)力而變(bian)形(xing)。對于非變(bian)形(xing)鋼，整個變(bian)形(xing)區域的積(ji)分為零。

圖6 左：無(wu)咬邊的單個凸起(qi)軌跡的白光(guang)干涉測量和光(guang)顯(xian)微照(zhao)片；右：單軌縱斷(duan)面(mian)

       對于轉變(bian)鋼，如材(cai)料(liao)1.2343，有限熱(re)膨脹(zhang)/收(shou)縮產生的(de)(de)(de)塑性變(bian)形可能與微(wei)(wei)觀(guan)結構(gou)變(bian)化引起的(de)(de)(de)密(mi)度(du)變(bian)化重疊。在這種情況(kuang)下(xia)，凸起的(de)(de)(de)幅度(du)取決(jue)于熱(re)處(chu)理或初始材(cai)料(liao)中馬氏(shi)體(ti)的(de)(de)(de)比例。在重熔(rong)區，由(you)于高冷卻速率，形成(cheng)馬氏(shi)體(ti)微(wei)(wei)觀(guan)結構(gou)。熱(re)影(ying)響區的(de)(de)(de)微(wei)(wei)觀(guan)結構(gou)根(gen)據初始材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)觀(guan)結構(gou)和溫度(du)進行硬化或退火。不(bu)同的(de)(de)(de)微(wei)(wei)觀(guan)結構(gou)導(dao)致不(bu)同的(de)(de)(de)密(mi)度(du)。珠光體(ti)和馬氏(shi)體(ti)之間的(de)(de)(de)密(mi)度(du)差異最大，為4%。因此(ci)，凸起的(de)(de)(de)幅度(du)取決(jue)于初始材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)微(wei)(wei)觀(guan)結構(gou)。

       后續軌道導致對先前軌道進行熱處理。之前硬化的履帶經過退火處理。圖7顯示了材料1.2343上激光拋光場的橫截面。

圖(tu)7 頂部：重(zhong)熔激光軌跡的橫(heng)截(jie)面(mian)；低(di)底(di)：硬(ying)度剖面(mian)。

       單軌間(jian)的(de)(de)軌距dy = 200 μm。硬化區(qu)和退火(huo)區(qu)在腐蝕后的(de)(de)顏色不同，可以區(qu)分。硬化區(qu)是(shi)明(ming)亮的(de)(de)，而退火(huo)區(qu)看(kan)起(qi)來較暗。硬度在深度為50 μm時測量，在490至650 HV之間(jian)波動(dong)。僅對軌跡偏移小的(de)(de)重熔區(qu)(dy≤50 μm, dL = 250 μm)進行連(lian)續退火(huo)。

圖8 頂部(bu)：具(ju)有不同(tong)軌跡(ji)偏移的(de)(de)(de)兩個激光(guang)(guang)拋光(guang)(guang)表面(mian)的(de)(de)(de)三維(wei)輪廓；底部(bu)：沿標(biao)記線的(de)(de)(de)字(zi)段(duan)輪廓。

       圖8左側的軌道偏移等于梁直徑。因此(ci)，在曲(qu)面中表(biao)示單個(ge)凸(tu)(tu)起(qi)。圖案的高(gao)度對應(ying)于(yu)凸(tu)(tu)起(qi)的幅(fu)度。減少軌跡(ji)(ji)偏移會(hui)導致陣列高(gao)度降低，因為單個(ge)軌跡(ji)(ji)會(hui)相互合并。軌道偏移量為dy時?=?50?μm，凸(tu)(tu)起(qi)不再控制粗糙度。

對(dui)凸起形成的最(zui)重要影響可總結如(ru)下：

材料(liao)性質(zhi)：相變塑(su)性、彈性模(mo)量、膨脹系數(shu)；

凸(tu)起的幅度(du)隨著激光功率(lv)的增(zeng)加和(he)掃(sao)描速度(du)的降低而(er)增(zeng)大；凸(tu)起的形成取決于熱處理或馬氏體(ti)的比(bi)例(li)。

2.4臺階結構

        除了表層的塑性變形導致凸起外，這種變形還導致另一種稱為臺階結構的表面結構。此類臺(tai)階(jie)形(xing)成于表面附近(jin)晶粒的(de)晶界處，高(gao)度(du)可達5?μm（圖2，中下(xia)部）。對(dui)非相(xiang)變材料(liao)1.2782和1.4571的(de)臺(tai)階(jie)結構(gou)進行了研究，因為這(zhe)(zhe)些材料(liao)的(de)臺(tai)階(jie)結構(gou)沒有被其他表面結構(gou)（如馬氏體針）覆(fu)蓋。這(zhe)(zhe)兩(liang)種材料(liao)都有兩(liang)種不同的(de)粒度(du)。

       零件的塑性變形是單個晶粒變形的結果。當達到滑(hua)(hua)動(dong)(dong)面的臨(lin)界剪切應力時，晶(jing)粒(li)開(kai)始變(bian)形。原子層(ceng)在(zai)滑(hua)(hua)動(dong)(dong)面上(shang)(shang)滑(hua)(hua)動(dong)(dong)。局部剪應力的尺寸由(you)施密特定(ding)律描述，本質(zhi)上(shang)(shang)取決于(yu)滑(hua)(hua)動(dong)(dong)面對拉應力的方向。

       晶格或滑動面的不(bu)同(tong)(tong)方向導致單個晶粒的不(bu)同(tong)(tong)變形（圖9）。這會在曲面上產生臺階(jie)。

 圖9 受(shou)現有(you)拉伸應力變形(xing)不同的表面(mian)附近晶粒的示意(yi)圖。

       臺(tai)階(jie)結(jie)構引起(qi)的(de)(de)粗糙度隨(sui)著(zhu)加(jia)(jia)工階(jie)段的(de)(de)數量和軌跡之間的(de)(de)小(xiao)軌跡偏移而(er)增加(jia)(jia)。如果(guo)材(cai)料(liao)先凝(ning)固(gu)，則每個重(zhong)熔過(guo)程都會引起(qi)新的(de)(de)塑性(xing)(xing)變(bian)(bian)形。這意(yi)味著(zhu)塑性(xing)(xing)變(bian)(bian)形和由此產生的(de)(de)步驟可以隨(sui)著(zhu)每次(ci)重(zhong)熔而(er)逐漸增加(jia)(jia)。此外，臺(tai)階(jie)結(jie)構的(de)(de)形成(cheng)受初始(shi)材(cai)料(liao)的(de)(de)晶粒尺寸或(huo)在凝(ning)固(gu)過(guo)程中顯示晶粒非外延生長的(de)(de)材(cai)料(liao)的(de)(de)細化晶粒尺寸的(de)(de)影(ying)響(xiang)。

對臺階結構形成的最重要影響可總結如下：

       材料性(xing)(xing)質：相(xiang)變塑性(xing)(xing)、彈性(xing)(xing)模量、膨脹(zhang)系數；階躍幅(fu)度隨(sui)級數的增加而增大(da)，隨(sui)軌道偏移量和掃描速(su)度的減(jian)小(xiao)而減(jian)小(xiao)；以(yi)及初始材料的晶粒尺寸和熔化區中晶粒的生長

2.5馬氏體針

       由于(yu)工具鋼激光(guang)拋(pao)光(guang)工藝(yi)的(de)(de)高冷卻速度(du)(du)，熔化表(biao)面會形成馬氏(shi)體(ti)結構(gou)（圖2，右下角）。因(yin)此，馬氏(shi)體(ti)針狀物也是工藝(yi)誘導的(de)(de)表(biao)面結構(gou)，它影響短波區的(de)(de)粗(cu)糙度(du)(du)，稱為微粗(cu)糙度(du)(du)（λ<10?μm）。

對馬氏(shi)體結(jie)構形成(cheng)的最重要(yao)影(ying)響可總結(jie)如(ru)下：

       只有轉變鋼才能形成馬氏體(ti)(ti)組織(zhi)；表層脫碳可完全阻止馬氏體(ti)(ti)的形成；而CO2作為工藝氣體(ti)(ti)，大量(liang)的級數和較小的軌(gui)道偏移導(dao)致脫碳。

3激光微拋光

3.1實驗方法

       采用X38CrMoV5–1鋼（1.2343，AISI H11）和Ti6Al4V進行激光微(wei)拋(pao)光研究。重疊重熔(rong)點的激光拋(pao)光實(shi)驗（彎(wan)曲模式試驗場(chang)的拋(pao)光）表明，在單脈(mo)沖重熔(rong)過(guo)程中出現的結(jie)構在下一個點的重熔(rong)過(guo)程中部分或完全平(ping)滑。

       采用白光(guang)干(gan)涉儀（WLI）、光(guang)學(xue)顯微(wei)鏡(jing)和掃描電子顯微(wei)鏡(jing)（SEM）對重熔區進行了分析。實驗中可以識別出六種不(bu)同的(de)表面(mian)結(jie)(jie)構。圖10給出了這(zhe)些結(jie)(jie)構的(de)概述。雖然其中三(san)種結(jie)(jie)構是由工(gong)藝本身產(chan)(chan)生的(de)（“工(gong)藝誘導(dao)表面(mian)結(jie)(jie)構”），因此(ci)，在激光(guang)微(wei)拋光(guang)過程中總是會(hui)出現，但(dan)其他三(san)種結(jie)(jie)構是由所用材料產(chan)(chan)生的(de)（“材料誘導(dao)表面(mian)結(jie)(jie)構”）。這(zhe)意味著它們僅(jin)在材料具有(you)特定(ding)特性時(shi)發(fa)生，例如離(li)析或(huo)夾雜物。

圖(tu)10 確定的表面結構；上圖(tu)：過(guo)程誘導(dao)的表面結構；下(xia)圖(tu)：材料誘導(dao)的表面結構。

3.2微波紋度

       單個激光(guang)脈沖(chong)擊中表面后，粗糙度(du)始終可見(jian)，高于(yu)機(ji)械拋光(guang)樣品的初(chu)始表面粗糙度(du)。振幅(fu)在以(yi)下(xia)范圍(wei)內≈0.3?μm，這意味著(zhu)微波紋度(du)對表面形(xing)(xing)貌的影(ying)響與咬(yao)邊差不(bu)多。激光(guang)束的強度(du)分布(bu)不(bu)是完美(mei)的形(xing)(xing)狀（例如高斯(si)分布(bu)或(huo)頂(ding)帽分布(bu)），但總是存在局(ju)部(bu)誤差（局(ju)部(bu)不(bu)均勻性）。

圖11 由(you)單個激(ji)(ji)光光斑重熔的區域(yu)中(zhong)心的表面粗糙度Ra取(qu)決于入(ru)射激(ji)(ji)光通量。

圖11顯(xian)示了(le)單個激光光斑重熔(rong)區(qu)域中心的(de)粗糙(cao)度(du)，該粗糙(cao)度(du)取決于(yu)入射通量。可以區(qu)分四(si)種不同(tong)的(de)制度(du)：

固體狀態：對于低激光注(zhu)量，注(zhu)量太低，無(wu)法熔(rong)化表面。在這(zhe)種情(qing)況(kuang)下，與初始(shi)粗糙度相比，粗糙度不會(hui)改變。

熔化狀態：對于較高的激(ji)光(guang)注(zhu)量，表面被激(ji)光(guang)輻射(she)熔化(hua)，并發生平(ping)滑。

熔化?+?局部蒸發區：為(wei)了進一步(bu)增加(jia)激(ji)光注(zhu)量，粗糙度(du)會(hui)(hui)急劇增加(jia)。如果由(you)于熔體池的(de)溫(wen)度(du)不均勻，局(ju)部溫(wen)度(du)超過(guo)表(biao)面(mian)的(de)蒸(zheng)發溫(wen)度(du)，則會(hui)(hui)發生蒸(zheng)發，并且表(biao)面(mian)這(zhe)些部分的(de)蒸(zheng)氣(qi)壓(ya)會(hui)(hui)強烈增加(jia)。

蒸發狀態:對于(yu)非常高的激光通(tong)量，在整個(ge)熔(rong)池上方存在蒸發，這導致表面粗(cu)糙度介于(yu)熔(rong)化(hua)狀(zhuang)態和熔(rong)化(hua)+蒸發狀(zhuang)態之間。

計(ji)算圖11所(suo)示的粗(cu)糙度(du)時，不考(kao)慮(lv)熔(rong)池邊緣。尤其(qi)是在蒸發(fa)狀態下，材料(liao)重新(xin)分配并導(dao)致邊界膨脹，這增加了激光(guang)微拋光(guang)表面的粗(cu)糙度(du)，因(yin)此(ci)產生的表面粗(cu)糙度(du)高于(yu)熔(rong)化狀態?+?蒸發(fa)狀態。

總的來說，這種微波紋是由于材料的局部不均勻強度和吸收造成的。為了獲得較低的微粗糙度，強度分布和材料必須盡可能均勻。

3.3邊緣凸起

       只有(you)(you)在使用高通(tong)量時，才會出現邊(bian)界膨脹。在這(zhe)種(zhong)情況下(xia)，在拋光(guang)過程(cheng)中可以(yi)(yi)看到(dao)強烈的等離子(zi)體(ti)形成，這(zhe)表(biao)明材(cai)(cai)料正在蒸發。在表(biao)面與一個激光(guang)脈沖相互作用后(hou)，材(cai)(cai)料重新分布在重熔區(qu)域(yu)：部(bu)分材(cai)(cai)料從熔池中心推到(dao)邊(bian)緣(yuan)。凸起(qi)的高度可以(yi)(yi)是幾(ji)微米。在某些通(tong)量非常(chang)高的情況下(xia)，甚至可以(yi)(yi)看到(dao)材(cai)(cai)料飛濺出激光(guang)/材(cai)(cai)料相互作用區(qu)（圖12）。由(you)于材(cai)(cai)料的徑(jing)向(xiang)移(yi)動，在這(zhe)種(zhong)情況下(xia)，有(you)(you)效激光(guang)束直徑(jing)增(zeng)加。

圖12重熔點顯微圖(X38CrMoV5-1);左:重熔，通量E = 12.45 J cm^?2;右:重熔，通量E =24.05 J cm^?2。 

       總(zong)的(de)來(lai)說(shuo)，當使用高激光通量時，會(hui)發生邊界膨脹，導致材(cai)料蒸(zheng)發。這(zhe)意味(wei)著可以通過在(zai)熔(rong)融狀(zhuang)態下拋(pao)光來(lai)防止邊界膨脹。

3.5孔

       對一些非重熔材料進行拋光后，表面會出現坑狀結構（孔）。孔(kong)(kong)洞源于(yu)硫化(hua)物和氧化(hua)夾雜物；氮夾雜物對孔(kong)(kong)洞的形(xing)成沒有影響。硫化(hua)物包裹體(ti)(ti)或其(qi)分(fen)解產(chan)物強烈(lie)吸收激光輻射，而氧化(hua)包裹體(ti)(ti)由于(yu)導熱率低而導致熱量積聚(ju)。在這兩種情況下，材(cai)料在表(biao)面(mian)的這些部分(fen)被強烈(lie)加(jia)熱，材(cai)料發生爆炸狀蒸發，形(xing)成火(huo)山(shan)口狀結構（孔(kong)(kong)）。

        圖13顯示了不同鋼材和批次的激光微拋光表面的光顯微照片，以及符合DIN 50602的純度K1水平。純度(du)K1的水平取決于夾雜物的類型(xing)、大小和數量。

圖13 根據DIN 50602，純度等級為K1的不同鋼材料和批(pi)次的激光(guang)微拋光(guang)表(biao)面的光(guang)學顯微照片。

        還有一種選擇是在激光(guang)(guang)微拋光(guang)(guang)之前(qian)，使用連續激光(guang)(guang)輻射（激光(guang)(guang)宏(hong)觀拋光(guang)(guang)）對表(biao)面進行(xing)重熔(rong)，以(yi)獲得少量甚(shen)至無孔的表(biao)面。

3.6微觀結構

        在X38CrMoV5–1的激光(guang)(guang)微拋光(guang)(guang)后(hou)，微結(jie)構(gou)(gou)會出現，其能量密度通常太低，無法有效平(ping)滑表面。結(jie)構(gou)(gou)的橫向尺寸(cun)約為0.5–2?μm。EDX測(ce)量表明，這些(xie)結(jie)構(gou)(gou)中存在高濃度的碳。當使(shi)用(yong)較高的激光(guang)(guang)注量（在拋光(guang)(guang)和有效平(ping)滑的常用(yong)注量范圍內）時，不(bu)會出現微結(jie)構(gou)(gou)。

        碳的濃度表明其結構為碳化物包裹體。此類(lei)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)熔(rong)化溫(wen)度通常高(gao)于母(mu)材(cai)的(de)(de)熔(rong)化溫(wen)度。如果熔(rong)池(chi)(chi)的(de)(de)溫(wen)度介(jie)于母(mu)材(cai)的(de)(de)熔(rong)化溫(wen)度和(he)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)熔(rong)化溫(wen)度之間，則會產(chan)生(sheng)母(mu)材(cai)的(de)(de)熔(rong)池(chi)(chi)，但(dan)碳化物(wu)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)仍為(wei)固(gu)態(tai)。凝固(gu)后，可以將其視為(wei)微觀結(jie)構。如果由于較高(gao)的(de)(de)激光注(zhu)量，熔(rong)池(chi)(chi)溫(wen)度超過(guo)夾(jia)雜(za)(za)物(wu)的(de)(de)熔(rong)化溫(wen)度，則碳化物(wu)溶解在(zai)熔(rong)池(chi)(chi)中(zhong)，因此凝固(gu)后不存(cun)在(zai)微觀結(jie)構。

        由于微結構僅在使用較低的注量時出現，這在激光微拋光中并不常見（沒有有效的平滑），因此使用較高的注量會阻止這些結構的形成。

4結論

        我們確定了在連續激光輻射的激光宏觀拋光和脈沖激光輻射的激光微觀拋光過程中出現的不同表面結構。結(jie)(jie)構受拋光過程(cheng)(cheng)本身（過程(cheng)(cheng)誘導結(jie)(jie)構）或材料(liao)（材料(liao)誘導結(jie)(jie)構）的影響。對于所分析(xi)的每個(ge)結(jie)(jie)構，都可以(yi)確定(ding)這種結(jie)(jie)構發(fa)生的機制。此(ci)外，還(huan)建議如何減少結(jie)(jie)構對粗糙度的影響。

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