鈦合金激光砂帶加工的離焦控制與表面形貌

　　摘 要：鈦合金由于其優越的熱機械特性(耐高溫和耐腐蝕)而廣泛應用于航空航天、核電領域，但其獨特的低導熱系數、高強度和加工硬化性能導致其加工困難，表面完整性難以保持。激光輔助加工方法可以有效地提高難切削材料的切削性能，提高其表面完整性。提出一種激光加工與砂帶磨削融合的特種加工方法(激光砂帶加工方法)，建立了激光砂帶加工的焦點控制運動模型，通過對焦點的控制實現利用激光加熱特性和砂帶磨削柔性特性快速去除材料，在自行搭建的激光砂帶加工實驗平臺進行了加工實驗，對不同離焦量下激光砂帶加工的鈦合金樣品的表面三維形貌、微觀結構進行了分析和比較。結果表明，激光砂帶加工過程中離焦量的大小極大程度影響了激光的能量分布，導致激光砂帶加工機理發生變化，離焦量的減少導致表面粗糙度Sa先從8.07 μm減少到7.40 μm然后增加到22.1 μm，材料的氣化和熔化去除現象更加明顯。最后證明了激光砂帶加工方法可以改善鈦合金的加工性能，可以提升表面的耐磨損性能，具有廣闊的應用前景。

　　本文源自肖貴堅; 劉帥; 賀毅; 劉崗; 朱升旺; 宋沙雨， 航空學報 發表時間：2021-07-22

　　關鍵詞：鈦合金材料;激光砂帶;離焦控制;表面形貌;熱機械特性

　　高強度材料(如鈦合金)由于其優越的熱機械特性(如耐高溫和耐腐蝕)，即使在惡劣的工作環境中也能保持制造部件的穩定工作，在航空航天、核電醫療等高附加值行業中得到了廣泛應用 [1-3]。然而，它們獨特的性能，如低導熱系數、和加工硬化，導致其加工困難(如刀具嚴重磨損、工件表面完整性不良和材料去除率低) [4-5]。激光輔助加工(Laserassisted Machining, LAM)作為提高難切削材料切削性能方法的經典代表，具有降低切削力[6]、抑制顫振[7]、提高生產率[8]、延長刀具壽命[9]等優點。砂帶磨削作為一種柔性加工方法，應用于銑削、車削等加工方式的后處理加工，在提高工件表面完整性和加工效率方面有著不可比擬的優勢，在復合加工方面有著巨大的潛力，卻一直未被開發[10-12]。由此本文提出激光砂帶加工方法，實現激光和砂帶的優劣勢互補，探究其材料去除機理和表面完整性的形成。

　　在激光輔助車削方面，Kannan等[13]對激光車削氧化鋁材料進行了研究，其結果表明隨著激光掃描速率增加，材料受照射時間減少，材料軟化程度下降，切削力增大，最后得到了最優加工參數組合。Habrat等[14]利用Altin涂層刀具對Ti-6Al4V工件進行了激光輔助車削試驗，研究了激光加熱對切削力、切削溫度、刀具磨損和組織變化的影響，結果表明馬氏體相變發生在工件熱影響區的頂部，激光光斑直徑越小，馬氏體區越厚，且分布均勻，降低的車削力值歸因于激光加熱的有益效果。Dandekar等[8]對比研究了車削和激光輔助車削Ti-6Al-4V的切削力、比切削能、表面粗糙度、顯微組織和刀具磨損，激光輔助車削顯著改善了鈦合金Ti-6Al-4V的可加工性，降低了比切削能量，改善了表面粗糙度，最佳材料去除溫度為 250 ℃，在此溫度下激光輔助車削刀具壽命比常規加工提高1.7倍。

　　在激光輔助銑削方面，Kumar和Melkote[15]激光銑削A2工具鋼時發現，相比于傳統銑削，材料去除率提高6倍，切削力降低69%，毛刺更少，刀具損壞程度明顯降低。Oh和Lee[16]研究了激光銳角銑削，通過控制預熱距離和激光束焦點與刀具距離，以保持材料受熱軟化程度，從而降低切削力和刀具磨損，提高材料去除率，得出了最佳距離和銳角角度。Hedberg等[17]研究了激光輔助銑削Ti-6Al-4V(Ti-64)工件，實驗表明進給方向和加工方向的切削力分別降低了30%和50%，刀具的總壽命沒有下降，表面未產生有害的熱影響區和相變。Bermingham等[18]比較了激光輔助銑削、干式銑削、溢流乳化液銑削、微量潤滑銑削和微量潤滑激光輔助銑削過程中的刀具壽命，常規冷卻液可提供優異的刀具壽命，但在較高的切削速度下，冷卻液會因熱沖擊/疲勞而降低刀具壽命;微量潤滑可以減緩熱相關磨損過程的速率，使激光輔助銑削刀具壽命提高5倍。

　　在激光輔助磨削方面，Hu等[19]研究了激光輔助微細磨削硬質合金，探究了聚焦位置、砂輪結合劑、激光變量和磨削參數對微磨削表面的影響，結果表明適當的激光能量可減少硬質合金微細磨削邊的邊緣裂紋和切削毛刺，降低表面粗糙度，提高表面質量;微細磨削表面粗糙度取決于工件熔點和磨削深度，主要影響因素是激光功率和磨削深度。Zhang等[20]開展了激光輔助磨削Ti6Al-4V性能研究，發現與常規磨削相比，激光輔助磨削的磨削力降低了45%~56%，磨削溫度降低了41%~52%。Ma等[21]研究了激光輔助磨削氧化鋯陶瓷的表面質量、表面形貌和亞表面損傷，結果表明，激光輔助磨削可以實現延性區域磨削，顯著氧化鋯陶瓷的表面完整性，改善氧化鋯陶瓷的可加工性。Li等[22]研究了激光輔助磨削RB-SiC 陶瓷材料去除機理、磨削力比、工件表面溫度和表面完整性，實驗結果表明激光輔助磨削降低了磨削力、表面粗糙度和亞表面損傷，表面粗糙度和亞表面損傷深度均隨激光功率和砂輪轉速的增大而減小，隨進給速度和切削深度的減小而減小。

　　盡管，激光輔助加工已經在難加工材料領域展現了極其巨大的應用潛力，但目前尚未有激光焦點遠離加工平面對加工質量的影響研究，這限制了激光熱效應的充分利用。此外，目前激光輔助加工過程中焦點控制的研究尚未完善，在激光砂帶領域更是寥寥無幾。因此，為了探究激光輔助加工中離焦量對加工機理和加工表面質量的影響，在上述研究的基礎上，提出一種基于單顆粒砂帶磨削模型的激光砂帶離焦加工控制模型，通過不同離焦量下的加工實驗，探究了離焦量對加工表面形貌和表面組織變化的影響。

　　1 激光砂帶離焦加工原理

　　1.1 激光砂帶加工原理及模型

　　激光砂帶加工技術是基于激光加熱特性和砂帶磨削柔性特性快速去除材料而提出的新興加工技術，其加工原理如圖1所示。激光與砂帶同時作用于加工區域，激光的熱效應可以有效提升鈦合金材料、高溫合金材料等難加工材料的可加工性能，從而使材料砂帶磨削后的表面質量得以提升。而由于砂帶磨削時，磨削的區域為接觸輪的下方，在激光垂直入射的情況下，難以實現激光砂帶的同時有效作用于加工區域。在激光頭處增加了一個反射鏡來調節入射激光的角度，讓激光和砂帶同時偏置一定的角度，使得激光入射到砂帶與加工表面接觸的地方，達到激光與砂帶共同作用加工區域的效果。同時，通過數控系統控制激光砂帶的運動軌跡從而實現協同加工。

　　由于激光的頻率和傳播速度大，在磨粒切削之前就已經照射到材料表面。對于金屬材料，材料表面的原子不斷地吸收激光光子，表面的溫度上升，形成一定的熱影響區域，磨粒在工件表面滑擦，產生塑性變形。而由于表面材料大量吸收光子后溫度急劇上升，表面部分材料會發生表面蒸發，并在加工的表面形成少量的等離子體。隨著時間的增加，表面的溫度逐漸上升，當達到材料的熔點時，材料發生熔化，形成熔池。此時材料的物理性能發生了變化，更容易被磨粒的切削去除。當激光作用到材料表面的時間達到一定程度后，激光在材料內穿過一定深度后最終會被工件全部吸收。激光能量被表層材料吸收后，在表層材料的上下表面均會發生氣化，上表面產生的氣體上升形成等離子體，同時氣體的反沖作用使表面材料受到一定的反沖壓力，使表層材料向下凹陷;下表面產生的氣體由于表層材料的阻礙而積聚在材料內部。因此，激光砂帶加工過程是極其復雜的，還需要進一步研究揭示其作用過程。

　　1.2 離焦加工控制模型

　　由于激光能量分布為高斯分布，焦點中心區域的能量密度最高，沿四周方向逐漸減弱，激光加工過程中焦點中心和四周的作用效果并不相同。而激光砂帶加工技術主要利用了激光的加熱特性，激光能量的非均勻分布對激光的熱作用會造成一定的影響。最初加工時，激光焦點處于所加工材料的表面，但持續一段時間后，由于表面材料被去除，材料的待加工表面會處在一個有一定離焦量的加工情況下。在該情況下，由于激光的離焦，其實際材料表面激光的能量分布會發生變化，導致加工去除量和加工表面的變化。在入射激光能量密度較高時，材料表面會發生融化、沸騰、蒸發等熱現象，但這些熱現象在材料表面產生的閾值不同即發生燒蝕的能量密度不同。當激光以不同的離焦量照射在表面時，材料表面照射激光的能量分布密度也會不同，導致表面發生的熱現象也不同。因此有必要對激光砂帶加工過程中的激光離焦量進行控制，并研究不同離焦量下，激光砂帶加工表面完整性的變化。

　　圖2所示為激光砂帶離焦加工示意圖，當加工平面與焦點的距離不同時，其表面能量的分布密度也會不同，由此劃分為了3種加工狀態：當加工平面處于紅色的虛線之內時材料發生氣化去除、在紅色虛線和藍色虛線之內時為熔化去除、超過藍色虛線之外后表面不發生燒蝕，只存在材料表面的溫度變化。隨著時間的推移，表面會出現三種情況：仍處于氣化的能量范圍、處于融化的范圍、處于加熱的范圍。但到達一定時間后，由于加工過后的表面去除厚度超過了激光加工熔化的區間，材料表面將處于不燒蝕的范圍。

　　對激光砂帶加工過程進行了數學建模，如圖 3所示。取垂直于砂帶磨削磨具系統軸線的橫剖面圖進行分析，假設磨粒均勻分布于砂帶上，激光初始焦點P與磨粒尖端A重合。砂帶與激光水平方向夾角分別為α和β，磨具系統以線速度 s v 繞著接觸輪中心進行旋轉，工件以線速度 p v 沿x軸方向做勻速進給運動。在運動經過時間 AB t 時，砂帶上的磨粒旋轉由A點轉動到B點，再經過時間 BC t 時，砂帶上的磨粒由B點運動到C點。接觸輪半徑為 0 r ，磨粒尖端與接觸輪圓弧的距離為H，坐標系原點為接觸輪圓心O。

　　由該模型可得，開始時激光焦點與磨粒尖端重合，此時激光離焦量為零，倘若激光焦點隨著砂帶磨削材料去除過程而一直與磨削磨粒尖端重合，則整個激光加工過程中的離焦量為零。因此，需要對整個材料去除過程中磨削磨粒尖端的運動軌跡進行求解，即圖3中的圓弧AB和線段 BC。

　　首先對ABC的坐標進行求解，由圖中的幾何關系可知，點A為 (0,− − H r0 ) 。假設點B為 ( x z B B , ),假設點C為 ( x r C ,− 0 ) 。則有： sin cos B OB B OB x l z l ??? = ?? = − (1) cos C B BC x x l BCD = + ? (2) B 點 和 C 點也是磨粒的尖端，因此 OB OA OC = 0 l l l r H = = + , 將其代入式 (1) ， 可 以得到： 0 x r H B = + ( )sin? (3) 0 ( )cos B z r H = − + ? (4) 三角形OBA和三角形CDB為相似三角形，所以? = ? = BCD AOB ? ,將其代入式(2)，則有： 0 ( )sin cos C BC x r H l = + + ? ? (5) 三角形CDB為直角三角形，根據直角三角形的性質，可知： 0 sin B BC z r l ? − − = (6) 聯立式(4)~式(6)求解可以得到： 0 (1 cos ) sin C r H x ?? − + = (7)

　　通過上述公式的推導，可以得到點A、B、C 的坐標值,又由于AB為圓弧，BC為線段，因此磨粒的磨削軌跡可以求出。而磨粒的軌跡是隨時間變化的，若要保證激光砂帶加工過程中離焦量始終為0，則不僅需要焦點軌跡與磨粒尖端軌跡重合，且時間特性一致，因此需對磨粒尖端軌跡進行時間范圍的求解。假設磨粒尖端點為動點F，在一個材料去除周期內，當運動時間 AB t t ?時，點 F 在圓弧 AB 上 運 動 ; 當 運 動 時 間 AB AB BC t t t t ? ? + 時，點F在線段BC上運動，因此需要將軌跡分成兩段進行討論。

　　t t ?時，點F的坐標為 0 x r H FOA F = + ? ( )sin (8) 0 ( )cos F z r H FOA = − + ? (9) 已知接觸輪轉速為n，則有? = FOA nt 2π ，將其代入式(8)和式(9)，可得： x r H nt F = + ( )sin 2 0 ( π ) (10) z r H nt F = − + ( )cos 2 0 ( π ) (11) 而當 AB AB BC t t t t ? ? + 時，點F的坐標為 cos F B BF x x l = + ? (12) z z l F B BF = + sin? (13) 而 l nr t t BF AB = − 2π 0 ( ) ,代入式(12)和式(13)可得： ( )sin 2 0 0 π ( )cos F AB x r H nr t t = + + − ? ? (14) ( )cos 2 0 0 π ( )sin F AB z r H nr t t = − + + − ? ? (15) 此外，還需對時間條件 AB t 和 BC t 進行求解，已知其分別為磨粒由A點轉動到B點和B點運動到 C點的時間，則有： 2π AB t n ? = (16) 0 2π BC BC l t nr = (17) 聯立式(4)和(6)可以對 BC l 進行求解， ( ) 0 cos 1 cos sin BC r H l ? ?? − + = (18) 將式(18)代入式(17)可得：t nr ? ?? − + = (19)

　　則一個時間周期內動點F的運動軌跡可以由式(10)、式(11)、式(14)、式(15)表示。激光砂帶加工過程中焦點只需控制在周期內與動點F重合即可保證離焦量始終為0，然后不斷重復周期即可，因此焦點運動控制軌跡與點F一致，而要得到不同的離焦量，只需將運動軌跡偏置相應的距離即可得到，具體的控制流程如圖4所示。

　　2 實 驗

　　如圖5所示，采用一臺集成了皮秒激光器系統和砂帶磨削系統的激光砂帶加工實驗平臺進行實驗。該實驗平臺的激光發生系統采用波長1064 nm皮秒激光器，可以提供各種不同脈沖能量、脈沖重復頻率的激光，激光通過一系列透鏡聚焦和掃描鏡傳輸到平面上進行加工。由于砂帶加工時，磨削的區域為接觸輪的下方，在激光垂直入射的情況下，難以實現激光砂帶的同時加工。為了實現這一功能，在激光頭處增加了一個反射鏡來調節入射激光的角度，使激光入射到砂帶與加工表面接觸的地方。該平臺的X、Y軸導軌提供運動平臺在平面上的運動，Z軸控制激光的運動，U 軸控制砂帶磨頭的運動，配備的深度檢測系統可以進行亞微米級的深度檢測。該平臺的技術參數如表1所示，實驗在參數表里進行了選取，采用直徑30 mm寬10 mm的接觸輪安裝氧化鋁砂帶和最大功率12 W的皮秒激光器系統進行鈦合金激光砂帶離焦加工實驗。

　　研究所用TC17鈦合金尺寸為170 mm×100 mm，厚度為2 mm。其化學成分如表2所示。 TC17鈦合金(名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo4Cr)是一種富β穩定元素的兩相(α+β)鈦合金，具有良好的抗疲勞、斷裂韌度、淬透性、耐腐蝕性能、以及良好的加工性能，能夠制造各種形狀復雜的零部件，在宇航、核能、石油工業中獲得了極為廣泛的應用。

　　通過單因素實驗，研究不同離焦量下激光砂帶加工鈦合金表面完整性的形成機理，探索工件表面形貌、微觀組織的變化，待工件冷卻后測試其表面形貌、微觀組織。在本研究中，采用超景深三維顯微系統對砂帶形貌進行了測量和分析，采用白光干涉儀對工件的表面形貌進行了測量和分析，并用掃描電子顯微鏡和能譜分析技術評價了表層組織的變化，通過磨損實驗對表面的耐磨損性能進行了檢測。

　　3 實驗結果分析

　　3.1 表面三維形貌分析

　　圖6所示是離焦量分別為0.15、0.10、0.05、 0 mm時激光砂帶加工的樣品表面形貌。可以看到明顯的砂帶磨削作用和激光燒蝕作用，兩者融合作用于樣品表面，這一點可以由圖7中的磨削劃痕和激光燒蝕留下的峰證明。而隨著離焦量的增加，激光砂帶的融合作用機理不會發生明顯的變化，這一點可以從圖6(a)~圖6(d)的對比分析可以得到。激光砂帶加工的微觀表面形貌呈現各向異性，峰值和谷值沿進給方向的變化更加劇烈，而在磨削方向上幾乎沒有變化。在磨削方向上可以觀察到砂帶磨削加工與激光砂帶加工形成的半圓弧形分界線，兩者在峰值和谷值上存在著本質區別。激光砂帶加工區域在進給方向上峰值和谷值變化趨勢跟砂帶磨削區域是相似的，但峰值和谷值普遍要低幾十微米，這是由于激光高熱量使材料軟化導致材料更容易去除，材料的去除深度增大所引起的。

　　從圖6(b)中的砂帶磨削區域可以觀察到的顆粒物表面缺陷，整個砂帶磨削區域在進給方向上呈現高低不平的溝壑，而在激光砂帶加工區域呈現密集的峰狀形貌，沒有顆粒狀的表面缺陷，在進給方向上峰值和谷值的差比砂帶磨削區域小，這是由于激光的熱影響作用材料后使得材料軟化，材料去除量更大，磨削所需的磨削力更小 [8]，在進給方向上受到磨削力的影響更小，此外材料更加均勻地軟化，導致進給方向上的表面不平整度一定程度減小。

　　激光砂帶加工樣品表面形貌的高度參數值如圖7和圖8所示，其中均方根偏差(Sq)和算術平均偏差(Sa)是兩個主要的表面粗糙度參數。當激光離焦量從0.15 mm降低到0.1 mm時，樣品表面的 Sq和Sa的值略微減小，而后隨著離焦量的減少急劇上升，這是因為隨著離焦量的減少，熱量的積累增加，材料的軟化程度增大，材料去除更加均勻，而隨著激光離焦量的進一步減少，砂帶表面的磨粒受到熱影響而磨損，磨粒的磨損導致Sq和 Sa的值急劇增加。表面粗糙度參數直接影響表面的功能，如磨損和疲勞性能，表面粗糙度值越小，其抗變形能力越強。

　　采用偏度(Ssk)和峰度(Sku)來描述樣品表面形貌的高度分布規律，偏度是曲面偏離平均平面的不對稱程度的指標，如果偏斜度為零，則高度分布是對稱的;否則，曲面的高度分布不對稱，負的偏斜度表明在平均平面下出現了大量的凹槽，這意味著表面具有較高的流體保持能力或承載特性。圖7顯示，0.1 mm和0.05 mm離焦量下激光砂帶加工的表面偏度為負值，其余表面的偏斜度均為正值。采用峰度來表征表面形貌的銳度，當峰度值為3時，曲面的高度分布是以正態分布為特征的高斯曲面。峰度值大于3時，表面形貌呈中心分布，且相對陡峭;峰度小于3時，表面鋪展均勻，相對平緩。圖7還顯示，隨著離焦量的減小，樣品表面的峰度會減小，這表明離焦量越小樣品表面越平緩。隨著激光離焦量的減少，表面的偏斜度和峰度都會減小。本文還采用最大峰高 Sp、凹坑高度Sv和總高度Sz來表征表面形貌的末端，這些要素是孤立的峰或谷，實際上并不代表整個曲面。

　　3.2 表面微觀組織分析

　　圖9所示為不同離焦量下激光砂帶加工鈦合金表面SEM圖，其中圖9(a)離焦量為0.15 mm，b 圖為0 mm。可以看到，不同離焦量時激光砂帶加工表面均存在大量明顯的磨痕，說明材料去除過程主要為磨粒的塑性去除，即在滑動磨粒前方的工件材料由于塑性變形的堆積產生斷裂而形成切屑去除，這與Ma等的研究是一致的[21]。在圖9(b) 中觀察到白色的球狀物，這可能是鈦合金材料受激光能量影響而熔化再凝固過程中與空氣中大量氧氣反應產生的氧化物。在圖9(a) 和圖9(b)中均可以觀察到激光高能量導致的重熔區，但圖9(b) 的重熔區面積更大。這是由于離焦量減小，激光能量呈高斯分布導致材料去除區域能量更高，區域受熱更集中，材料熔化和氣化程度增加。此外，在圖9(a) 和圖9(b)中還觀察到了晶粒細化的現象，這是由于激光瞬態的高能量導致鈦合金熔化，而熔池內的液態金屬以極大的冷卻速度凝固，在表面形成了極細小的β轉變組織，這與陳博等人的研究結論是一致的[23]。而圖9(b)中晶粒細化現象更加顯著，這證明了離焦量減小可以使能量更加集中于加工區域。

　　為了進一步揭示激光砂帶加工過程中材料表面的組織變化，對表面上球狀物和原始材料進行了能譜分析，如圖10所示，其中圖10(a)為原始材料元素，圖10(b)為球狀氧化物元素。對比分析發現，球狀物中 C 元素占 20.13% ， O 元 素 占 40.61%，比原始材料中C、O元素含量多，這說明球狀物為鈦合金在激光砂帶加工過程中因高熱量導致材料熔化，液態金屬與空氣發生反應而形成的化合物。而其球狀是熔融后液態金屬凝固過程中受到液體的表面張力的影響導致的。這也證明了激光砂帶加工過程中的熔化材料去除過程。

　　3.3 表面耐磨損性能

　　分別對不同離焦量下激光砂帶加工的樣品表面和同等參數砂帶磨削的樣品表面進行了磨損實驗，樣品表面每分鐘中損失質量如圖11所示。從圖11可知，砂帶磨削樣品表面每分鐘磨損質量均高于激光砂帶磨削樣品表面，這說明激光砂帶加工樣品表面具有較好的耐磨損性能。砂帶磨削樣品第一分鐘損失的質量最多，為58 mg，第2、 3、4分鐘磨損損失質量逐漸減少，最終穩定在34 mg左右。而離焦量為0.1 mm時激光砂帶加工的樣品表面平均磨損損失質量是最少的，最小質量損失為第3、4分鐘時的5 mg，最大質量損失為第 5分鐘的11 mg。

　　從磨損質量隨時間的變化趨勢上看，離焦量為0.1 mm和0.15 mm時激光砂帶加工的樣品表面磨損質量變化趨勢是一致的，而離焦量為0.05 mm和0 mm時激光砂帶加工的樣品表面磨損質量變化趨勢是類似的，這可能是不同離焦量時激光砂帶加工樣品表面粗糙度差異導致的。第5分鐘時，砂帶磨削、離焦量為0 mm、離焦量為0.05 mm的樣品表面磨損質量都接近35 mg，這可能是由于加工的表面特征被磨損掉，表面磨損速率接近材料本身的磨損速率。

　　4 結 論

　　1)針對鈦合金難加工問題，提出一種激光砂帶加工方法，針對加工過程中的離焦現象，本文進行了激光砂帶離焦加工的運動過程建模，實現了離焦距離的精準控制。

　　2)當激光砂帶加工離焦量從0.15 mm減少到 0 mm時，表面粗糙度Sa先從8.07 μm減少到7.40 μm然后增加到22.1 μm，最大峰高Sp從23.2 μm增加到45.4 μm，這是離焦量不同引起激光能量分布不同導致的。

　　3)通過對表面微觀組織的分析發現，激光砂帶加工過程中除了磨粒磨削的材料塑性去除，還伴隨著材料的氣化和熔化去除。隨著離焦量的減少，材料氣化和熔化去除現象越明顯,去除區域的能量越集中。通過磨損實驗證明了激光砂帶加工方法可以提升表面的耐磨損性能。