钛合金激光砂带加工的离焦控制与表面形貌

　　摘 要：钛合金由于其优越的热机械特性(耐高温和耐腐蚀)而广泛应用于航空航天、核电领域，但其独特的低导热系数、高强度和加工硬化性能导致其加工困难，表面完整性难以保持。激光辅助加工方法可以有效地提高难切削材料的切削性能，提高其表面完整性。提出一种激光加工与砂带磨削融合的特种加工方法(激光砂带加工方法)，建立了激光砂带加工的焦点控制运动模型，通过对焦点的控制实现利用激光加热特性和砂带磨削柔性特性快速去除材料，在自行搭建的激光砂带加工实验平台进行了加工实验，对不同离焦量下激光砂带加工的钛合金样品的表面三维形貌、微观结构进行了分析和比较。结果表明，激光砂带加工过程中离焦量的大小极大程度影响了激光的能量分布，导致激光砂带加工机理发生变化，离焦量的减少导致表面粗糙度Sa先从8.07 μm减少到7.40 μm然后增加到22.1 μm，材料的气化和熔化去除现象更加明显。最后证明了激光砂带加工方法可以改善钛合金的加工性能，可以提升表面的耐磨损性能，具有广阔的应用前景。

　　本文源自肖贵坚; 刘帅; 贺毅; 刘岗; 朱升旺; 宋沙雨， 航空学报 发表时间：2021-07-22

　　关键词：钛合金材料;激光砂带;离焦控制;表面形貌;热机械特性

　　高强度材料(如钛合金)由于其优越的热机械特性(如耐高温和耐腐蚀)，即使在恶劣的工作环境中也能保持制造部件的稳定工作，在航空航天、核电医疗等高附加值行业中得到了广泛应用 [1-3]。然而，它们独特的性能，如低导热系数、和加工硬化，导致其加工困难(如刀具严重磨损、工件表面完整性不良和材料去除率低) [4-5]。激光辅助加工(Laserassisted Machining, LAM)作为提高难切削材料切削性能方法的经典代表，具有降低切削力[6]、抑制颤振[7]、提高生产率[8]、延长刀具寿命[9]等优点。砂带磨削作为一种柔性加工方法，应用于铣削、车削等加工方式的后处理加工，在提高工件表面完整性和加工效率方面有着不可比拟的优势，在复合加工方面有着巨大的潜力，却一直未被开发[10-12]。由此本文提出激光砂带加工方法，实现激光和砂带的优劣势互补，探究其材料去除机理和表面完整性的形成。

　　在激光辅助车削方面，Kannan等[13]对激光车削氧化铝材料进行了研究，其结果表明随着激光扫描速率增加，材料受照射时间减少，材料软化程度下降，切削力增大，最后得到了最优加工参数组合。Habrat等[14]利用Altin涂层刀具对Ti-6Al4V工件进行了激光辅助车削试验，研究了激光加热对切削力、切削温度、刀具磨损和组织变化的影响，结果表明马氏体相变发生在工件热影响区的顶部，激光光斑直径越小，马氏体区越厚，且分布均匀，降低的车削力值归因于激光加热的有益效果。Dandekar等[8]对比研究了车削和激光辅助车削Ti-6Al-4V的切削力、比切削能、表面粗糙度、显微组织和刀具磨损，激光辅助车削显著改善了钛合金Ti-6Al-4V的可加工性，降低了比切削能量，改善了表面粗糙度，最佳材料去除温度为 250 ℃，在此温度下激光辅助车削刀具寿命比常规加工提高1.7倍。

　　在激光辅助铣削方面，Kumar和Melkote[15]激光铣削A2工具钢时发现，相比于传统铣削，材料去除率提高6倍，切削力降低69%，毛刺更少，刀具损坏程度明显降低。Oh和Lee[16]研究了激光锐角铣削，通过控制预热距离和激光束焦点与刀具距离，以保持材料受热软化程度，从而降低切削力和刀具磨损，提高材料去除率，得出了最佳距离和锐角角度。Hedberg等[17]研究了激光辅助铣削Ti-6Al-4V(Ti-64)工件，实验表明进给方向和加工方向的切削力分别降低了30%和50%，刀具的总寿命没有下降，表面未产生有害的热影响区和相变。Bermingham等[18]比较了激光辅助铣削、干式铣削、溢流乳化液铣削、微量润滑铣削和微量润滑激光辅助铣削过程中的刀具寿命，常规冷却液可提供优异的刀具寿命，但在较高的切削速度下，冷却液会因热冲击/疲劳而降低刀具寿命;微量润滑可以减缓热相关磨损过程的速率，使激光辅助铣削刀具寿命提高5倍。

　　在激光辅助磨削方面，Hu等[19]研究了激光辅助微细磨削硬质合金，探究了聚焦位置、砂轮结合剂、激光变量和磨削参数对微磨削表面的影响，结果表明适当的激光能量可减少硬质合金微细磨削边的边缘裂纹和切削毛刺，降低表面粗糙度，提高表面质量;微细磨削表面粗糙度取决于工件熔点和磨削深度，主要影响因素是激光功率和磨削深度。Zhang等[20]开展了激光辅助磨削Ti6Al-4V性能研究，发现与常规磨削相比，激光辅助磨削的磨削力降低了45%~56%，磨削温度降低了41%~52%。Ma等[21]研究了激光辅助磨削氧化锆陶瓷的表面质量、表面形貌和亚表面损伤，结果表明，激光辅助磨削可以实现延性区域磨削，显著氧化锆陶瓷的表面完整性，改善氧化锆陶瓷的可加工性。Li等[22]研究了激光辅助磨削RB-SiC 陶瓷材料去除机理、磨削力比、工件表面温度和表面完整性，实验结果表明激光辅助磨削降低了磨削力、表面粗糙度和亚表面损伤，表面粗糙度和亚表面损伤深度均随激光功率和砂轮转速的增大而减小，随进给速度和切削深度的减小而减小。

　　尽管，激光辅助加工已经在难加工材料领域展现了极其巨大的应用潜力，但目前尚未有激光焦点远离加工平面对加工质量的影响研究，这限制了激光热效应的充分利用。此外，目前激光辅助加工过程中焦点控制的研究尚未完善，在激光砂带领域更是寥寥无几。因此，为了探究激光辅助加工中离焦量对加工机理和加工表面质量的影响，在上述研究的基础上，提出一种基于单颗粒砂带磨削模型的激光砂带离焦加工控制模型，通过不同离焦量下的加工实验，探究了离焦量对加工表面形貌和表面组织变化的影响。

　　1 激光砂带离焦加工原理

　　1.1 激光砂带加工原理及模型

　　激光砂带加工技术是基于激光加热特性和砂带磨削柔性特性快速去除材料而提出的新兴加工技术，其加工原理如图1所示。激光与砂带同时作用于加工区域，激光的热效应可以有效提升钛合金材料、高温合金材料等难加工材料的可加工性能，从而使材料砂带磨削后的表面质量得以提升。而由于砂带磨削时，磨削的区域为接触轮的下方，在激光垂直入射的情况下，难以实现激光砂带的同时有效作用于加工区域。在激光头处增加了一个反射镜来调节入射激光的角度，让激光和砂带同时偏置一定的角度，使得激光入射到砂带与加工表面接触的地方，达到激光与砂带共同作用加工区域的效果。同时，通过数控系统控制激光砂带的运动轨迹从而实现协同加工。

　　由于激光的频率和传播速度大，在磨粒切削之前就已经照射到材料表面。对于金属材料，材料表面的原子不断地吸收激光光子，表面的温度上升，形成一定的热影响区域，磨粒在工件表面滑擦，产生塑性变形。而由于表面材料大量吸收光子后温度急剧上升，表面部分材料会发生表面蒸发，并在加工的表面形成少量的等离子体。随着时间的增加，表面的温度逐渐上升，当达到材料的熔点时，材料发生熔化，形成熔池。此时材料的物理性能发生了变化，更容易被磨粒的切削去除。当激光作用到材料表面的时间达到一定程度后，激光在材料内穿过一定深度后最终会被工件全部吸收。激光能量被表层材料吸收后，在表层材料的上下表面均会发生气化，上表面产生的气体上升形成等离子体，同时气体的反冲作用使表面材料受到一定的反冲压力，使表层材料向下凹陷;下表面产生的气体由于表层材料的阻碍而积聚在材料内部。因此，激光砂带加工过程是极其复杂的，还需要进一步研究揭示其作用过程。

　　1.2 离焦加工控制模型

　　由于激光能量分布为高斯分布，焦点中心区域的能量密度最高，沿四周方向逐渐减弱，激光加工过程中焦点中心和四周的作用效果并不相同。而激光砂带加工技术主要利用了激光的加热特性，激光能量的非均匀分布对激光的热作用会造成一定的影响。最初加工时，激光焦点处于所加工材料的表面，但持续一段时间后，由于表面材料被去除，材料的待加工表面会处在一个有一定离焦量的加工情况下。在该情况下，由于激光的离焦，其实际材料表面激光的能量分布会发生变化，导致加工去除量和加工表面的变化。在入射激光能量密度较高时，材料表面会发生融化、沸腾、蒸发等热现象，但这些热现象在材料表面产生的阈值不同即发生烧蚀的能量密度不同。当激光以不同的离焦量照射在表面时，材料表面照射激光的能量分布密度也会不同，导致表面发生的热现象也不同。因此有必要对激光砂带加工过程中的激光离焦量进行控制，并研究不同离焦量下，激光砂带加工表面完整性的变化。

　　图2所示为激光砂带离焦加工示意图，当加工平面与焦点的距离不同时，其表面能量的分布密度也会不同，由此划分为了3种加工状态：当加工平面处于红色的虚线之内时材料发生气化去除、在红色虚线和蓝色虚线之内时为熔化去除、超过蓝色虚线之外后表面不发生烧蚀，只存在材料表面的温度变化。随着时间的推移，表面会出现三种情况：仍处于气化的能量范围、处于融化的范围、处于加热的范围。但到达一定时间后，由于加工过后的表面去除厚度超过了激光加工熔化的区间，材料表面将处于不烧蚀的范围。

　　对激光砂带加工过程进行了数学建模，如图 3所示。取垂直于砂带磨削磨具系统轴线的横剖面图进行分析，假设磨粒均匀分布于砂带上，激光初始焦点P与磨粒尖端A重合。砂带与激光水平方向夹角分别为α和β，磨具系统以线速度 s v 绕着接触轮中心进行旋转，工件以线速度 p v 沿x轴方向做匀速进给运动。在运动经过时间 AB t 时，砂带上的磨粒旋转由A点转动到B点，再经过时间 BC t 时，砂带上的磨粒由B点运动到C点。接触轮半径为 0 r ，磨粒尖端与接触轮圆弧的距离为H，坐标系原点为接触轮圆心O。

　　由该模型可得，开始时激光焦点与磨粒尖端重合，此时激光离焦量为零，倘若激光焦点随着砂带磨削材料去除过程而一直与磨削磨粒尖端重合，则整个激光加工过程中的离焦量为零。因此，需要对整个材料去除过程中磨削磨粒尖端的运动轨迹进行求解，即图3中的圆弧AB和线段 BC。

　　首先对ABC的坐标进行求解，由图中的几何关系可知，点A为 (0,− − H r0 ) 。假设点B为 ( x z B B , ),假设点C为 ( x r C ,− 0 ) 。则有： sin cos B OB B OB x l z l  =  = − (1) cos C B BC x x l BCD = +  (2) B 点 和 C 点也是磨粒的尖端，因此 OB OA OC = 0 l l l r H = = + , 将其代入式 (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为相似三角形，所以 =  = BCD AOB  ,将其代入式(2)，则有： 0 ( )sin cos C BC x r H l = + +   (5) 三角形CDB为直角三角形，根据直角三角形的性质，可知： 0 sin B BC z r l  − − = (6) 联立式(4)~式(6)求解可以得到： 0 (1 cos ) sin C r H x  − + = (7)

　　通过上述公式的推导，可以得到点A、B、C 的坐标值,又由于AB为圆弧，BC为线段，因此磨粒的磨削轨迹可以求出。而磨粒的轨迹是随时间变化的，若要保证激光砂带加工过程中离焦量始终为0，则不仅需要焦点轨迹与磨粒尖端轨迹重合，且时间特性一致，因此需对磨粒尖端轨迹进行时间范围的求解。假设磨粒尖端点为动点F，在一个材料去除周期内，当运动时间 AB t t 时，点 F 在圆弧 AB 上 运 动 ; 当 运 动 时 间 AB AB BC t t t t   + 时，点F在线段BC上运动，因此需要将轨迹分成两段进行讨论。

　　t t 时，点F的坐标为 0 x r H FOA F = +  ( )sin (8) 0 ( )cos F z r H FOA = − +  (9) 已知接触轮转速为n，则有 = FOA nt 2π ，将其代入式(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) 而当 AB AB BC t t t t   + 时，点F的坐标为 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，还需对时间条件 AB t 和 BC t 进行求解，已知其分别为磨粒由A点转动到B点和B点运动到 C点的时间，则有： 2π AB t n  = (16) 0 2π BC BC l t nr = (17) 联立式(4)和(6)可以对 BC l 进行求解， ( ) 0 cos 1 cos sin BC r H l   − + = (18) 将式(18)代入式(17)可得：t nr   − + = (19)

　　则一个时间周期内动点F的运动轨迹可以由式(10)、式(11)、式(14)、式(15)表示。激光砂带加工过程中焦点只需控制在周期内与动点F重合即可保证离焦量始终为0，然后不断重复周期即可，因此焦点运动控制轨迹与点F一致，而要得到不同的离焦量，只需将运动轨迹偏置相应的距离即可得到，具体的控制流程如图4所示。

　　2 实 验

　　如图5所示，采用一台集成了皮秒激光器系统和砂带磨削系统的激光砂带加工实验平台进行实验。该实验平台的激光发生系统采用波长1064 nm皮秒激光器，可以提供各种不同脉冲能量、脉冲重复频率的激光，激光通过一系列透镜聚焦和扫描镜传输到平面上进行加工。由于砂带加工时，磨削的区域为接触轮的下方，在激光垂直入射的情况下，难以实现激光砂带的同时加工。为了实现这一功能，在激光头处增加了一个反射镜来调节入射激光的角度，使激光入射到砂带与加工表面接触的地方。该平台的X、Y轴导轨提供运动平台在平面上的运动，Z轴控制激光的运动，U 轴控制砂带磨头的运动，配备的深度检测系统可以进行亚微米级的深度检测。该平台的技术参数如表1所示，实验在参数表里进行了选取，采用直径30 mm宽10 mm的接触轮安装氧化铝砂带和最大功率12 W的皮秒激光器系统进行钛合金激光砂带离焦加工实验。

　　研究所用TC17钛合金尺寸为170 mm×100 mm，厚度为2 mm。其化学成分如表2所示。 TC17钛合金(名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo4Cr)是一种富β稳定元素的两相(α+β)钛合金，具有良好的抗疲劳、断裂韧度、淬透性、耐腐蚀性能、以及良好的加工性能，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业中获得了极为广泛的应用。

　　通过单因素实验，研究不同离焦量下激光砂带加工钛合金表面完整性的形成机理，探索工件表面形貌、微观组织的变化，待工件冷却后测试其表面形貌、微观组织。在本研究中，采用超景深三维显微系统对砂带形貌进行了测量和分析，采用白光干涉仪对工件的表面形貌进行了测量和分析，并用扫描电子显微镜和能谱分析技术评价了表层组织的变化，通过磨损实验对表面的耐磨损性能进行了检测。

　　3 实验结果分析

　　3.1 表面三维形貌分析

　　图6所示是离焦量分别为0.15、0.10、0.05、 0 mm时激光砂带加工的样品表面形貌。可以看到明显的砂带磨削作用和激光烧蚀作用，两者融合作用于样品表面，这一点可以由图7中的磨削划痕和激光烧蚀留下的峰证明。而随着离焦量的增加，激光砂带的融合作用机理不会发生明显的变化，这一点可以从图6(a)~图6(d)的对比分析可以得到。激光砂带加工的微观表面形貌呈现各向异性，峰值和谷值沿进给方向的变化更加剧烈，而在磨削方向上几乎没有变化。在磨削方向上可以观察到砂带磨削加工与激光砂带加工形成的半圆弧形分界线，两者在峰值和谷值上存在着本质区别。激光砂带加工区域在进给方向上峰值和谷值变化趋势跟砂带磨削区域是相似的，但峰值和谷值普遍要低几十微米，这是由于激光高热量使材料软化导致材料更容易去除，材料的去除深度增大所引起的。

　　从图6(b)中的砂带磨削区域可以观察到的颗粒物表面缺陷，整个砂带磨削区域在进给方向上呈现高低不平的沟壑，而在激光砂带加工区域呈现密集的峰状形貌，没有颗粒状的表面缺陷，在进给方向上峰值和谷值的差比砂带磨削区域小，这是由于激光的热影响作用材料后使得材料软化，材料去除量更大，磨削所需的磨削力更小 [8]，在进给方向上受到磨削力的影响更小，此外材料更加均匀地软化，导致进给方向上的表面不平整度一定程度减小。

　　激光砂带加工样品表面形貌的高度参数值如图7和图8所示，其中均方根偏差(Sq)和算术平均偏差(Sa)是两个主要的表面粗糙度参数。当激光离焦量从0.15 mm降低到0.1 mm时，样品表面的 Sq和Sa的值略微减小，而后随着离焦量的减少急剧上升，这是因为随着离焦量的减少，热量的积累增加，材料的软化程度增大，材料去除更加均匀，而随着激光离焦量的进一步减少，砂带表面的磨粒受到热影响而磨损，磨粒的磨损导致Sq和 Sa的值急剧增加。表面粗糙度参数直接影响表面的功能，如磨损和疲劳性能，表面粗糙度值越小，其抗变形能力越强。

　　采用偏度(Ssk)和峰度(Sku)来描述样品表面形貌的高度分布规律，偏度是曲面偏离平均平面的不对称程度的指标，如果偏斜度为零，则高度分布是对称的;否则，曲面的高度分布不对称，负的偏斜度表明在平均平面下出现了大量的凹槽，这意味着表面具有较高的流体保持能力或承载特性。图7显示，0.1 mm和0.05 mm离焦量下激光砂带加工的表面偏度为负值，其余表面的偏斜度均为正值。采用峰度来表征表面形貌的锐度，当峰度值为3时，曲面的高度分布是以正态分布为特征的高斯曲面。峰度值大于3时，表面形貌呈中心分布，且相对陡峭;峰度小于3时，表面铺展均匀，相对平缓。图7还显示，随着离焦量的减小，样品表面的峰度会减小，这表明离焦量越小样品表面越平缓。随着激光离焦量的减少，表面的偏斜度和峰度都会减小。本文还采用最大峰高 Sp、凹坑高度Sv和总高度Sz来表征表面形貌的末端，这些要素是孤立的峰或谷，实际上并不代表整个曲面。

　　3.2 表面微观组织分析

　　图9所示为不同离焦量下激光砂带加工钛合金表面SEM图，其中图9(a)离焦量为0.15 mm，b 图为0 mm。可以看到，不同离焦量时激光砂带加工表面均存在大量明显的磨痕，说明材料去除过程主要为磨粒的塑性去除，即在滑动磨粒前方的工件材料由于塑性变形的堆积产生断裂而形成切屑去除，这与Ma等的研究是一致的[21]。在图9(b) 中观察到白色的球状物，这可能是钛合金材料受激光能量影响而熔化再凝固过程中与空气中大量氧气反应产生的氧化物。在图9(a) 和图9(b)中均可以观察到激光高能量导致的重熔区，但图9(b) 的重熔区面积更大。这是由于离焦量减小，激光能量呈高斯分布导致材料去除区域能量更高，区域受热更集中，材料熔化和气化程度增加。此外，在图9(a) 和图9(b)中还观察到了晶粒细化的现象，这是由于激光瞬态的高能量导致钛合金熔化，而熔池内的液态金属以极大的冷却速度凝固，在表面形成了极细小的β转变组织，这与陈博等人的研究结论是一致的[23]。而图9(b)中晶粒细化现象更加显著，这证明了离焦量减小可以使能量更加集中于加工区域。

　　为了进一步揭示激光砂带加工过程中材料表面的组织变化，对表面上球状物和原始材料进行了能谱分析，如图10所示，其中图10(a)为原始材料元素，图10(b)为球状氧化物元素。对比分析发现，球状物中 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，这说明球状物为钛合金在激光砂带加工过程中因高热量导致材料熔化，液态金属与空气发生反应而形成的化合物。而其球状是熔融后液态金属凝固过程中受到液体的表面张力的影响导致的。这也证明了激光砂带加工过程中的熔化材料去除过程。

　　3.3 表面耐磨损性能

　　分别对不同离焦量下激光砂带加工的样品表面和同等参数砂带磨削的样品表面进行了磨损实验，样品表面每分钟中损失质量如图11所示。从图11可知，砂带磨削样品表面每分钟磨损质量均高于激光砂带磨削样品表面，这说明激光砂带加工样品表面具有较好的耐磨损性能。砂带磨削样品第一分钟损失的质量最多，为58 mg，第2、 3、4分钟磨损损失质量逐渐减少，最终稳定在34 mg左右。而离焦量为0.1 mm时激光砂带加工的样品表面平均磨损损失质量是最少的，最小质量损失为第3、4分钟时的5 mg，最大质量损失为第 5分钟的11 mg。

　　从磨损质量随时间的变化趋势上看，离焦量为0.1 mm和0.15 mm时激光砂带加工的样品表面磨损质量变化趋势是一致的，而离焦量为0.05 mm和0 mm时激光砂带加工的样品表面磨损质量变化趋势是类似的，这可能是不同离焦量时激光砂带加工样品表面粗糙度差异导致的。第5分钟时，砂带磨削、离焦量为0 mm、离焦量为0.05 mm的样品表面磨损质量都接近35 mg，这可能是由于加工的表面特征被磨损掉，表面磨损速率接近材料本身的磨损速率。

　　4 结 论

　　1)针对钛合金难加工问题，提出一种激光砂带加工方法，针对加工过程中的离焦现象，本文进行了激光砂带离焦加工的运动过程建模，实现了离焦距离的精准控制。

　　2)当激光砂带加工离焦量从0.15 mm减少到 0 mm时，表面粗糙度Sa先从8.07 μm减少到7.40 μm然后增加到22.1 μm，最大峰高Sp从23.2 μm增加到45.4 μm，这是离焦量不同引起激光能量分布不同导致的。

　　3)通过对表面微观组织的分析发现，激光砂带加工过程中除了磨粒磨削的材料塑性去除，还伴随着材料的气化和熔化去除。随着离焦量的减少，材料气化和熔化去除现象越明显,去除区域的能量越集中。通过磨损实验证明了激光砂带加工方法可以提升表面的耐磨损性能。