激光與電解復(fù)合加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

王玉峰，楊 勇，張文武

（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 305201）

航空航天、新能源、交通、模具等領(lǐng)域裝備性能的提升和服役條件（超高溫、高壓、腐蝕環(huán)境等）的極端化發(fā)展， 對關(guān)鍵零部件的性能要求不斷提高。高表面完整性精密制造是保證零部件高可靠、長壽命服役性能的關(guān)鍵。 創(chuàng)新、提升核心零部件關(guān)鍵結(jié)構(gòu)制造方法和水平，對于提升我國高端裝備制造水平具有重要意義。

特種加工利用物理、化學(xué)能量場及相關(guān)能量場的復(fù)合/組合實現(xiàn)材料加工。 單晶高溫合金、金屬間化合物、鈦合金、復(fù)合材料等高性能難加工材料廣泛使用，對加工表面質(zhì)量和精度的要求提高，特種加工在難切削材料高效低成本加工、 復(fù)雜型面加工、大深徑比小孔加工、復(fù)雜型面加工、微細結(jié)構(gòu)加工等方面的技術(shù)優(yōu)勢隨之日益凸顯[1]。 例如，針對航空航天發(fā)動機上陣列小孔、異型孔、窄槽等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的高效率、高精度、高品質(zhì)極限加工需求，特種加工是最優(yōu)選擇[2]。

在實際加工過程中，單一能場往往具有一定的局限性。 例如，電火花加工、長脈沖激光加工等以熱方式去除材料的加工方法，可實現(xiàn)難加工材料的高效精密去除，但其加工表面往往存在再鑄層和熱影響問題，需對加工表面進行二次處理[3]；超短脈沖激光技術(shù)從理論上可實現(xiàn)無熱影響的“冷加工”，但在加工深度增大時由于等離子體排出困難，其加工效率急劇下降，加工表面仍可能存在重鑄層、微裂紋等問題[4]；電解加工可獲得較高的加工表面質(zhì)量，可實現(xiàn)無熱影響、無重鑄層、無微裂紋加工[5]，但電解加工精度受到雜散電流腐蝕效應(yīng)影響，其加工速率遠低于其他加工方法；超聲加工適用于硬脆材料的高效精密加工，但存在工具電極損耗且加工精度一致性不足[6]等問題。 現(xiàn)有特種加工方法往往存在加工效率與加工精度、表面質(zhì)量之間的矛盾。 如何克服單一能場制造的不足，充分利用其他類型能量場的優(yōu)勢和耦合效應(yīng)，實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量制造是制造領(lǐng)域的研究前沿和熱點。

多能場復(fù)合加工利用兩種或兩種以上能量場的綜合作用實現(xiàn)對工件材料的加工，可發(fā)揮各能量場的優(yōu)勢，避免單一能量場制造方法的不足，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。 國際生產(chǎn)工程科學(xué)院（CIRP）指出，復(fù)合加工方法可解決其他加工方法無法解決的難題，并有利于縮短加工鏈，降低加工成本[7]。 歐洲地平線（Horizon Europe）計劃中的“STIMULANT”項目也將復(fù)合加工視為提高加工效率和表面完整性、降低生產(chǎn)成本的重要解決方案，并推動其應(yīng)用于航空發(fā)動機關(guān)鍵高溫合金部件的制造。 中國國家自然科學(xué)基金委員會 《機械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報告 （2021～2035）》 將復(fù)合加工作為特種加工技術(shù)的重要組成部分，指出復(fù)合加工在航空航天等領(lǐng)域關(guān)鍵結(jié)構(gòu)高效、高精、高質(zhì)加工方面具有獨特優(yōu)勢，有望為國家重大需求提供技術(shù)支撐[2]。 中國科協(xié)將“特種能場輔助制造的科學(xué)原理” 列為2020年度十大前沿科學(xué)問題之一。 復(fù)合加工技術(shù)綜合不同能量場對材料進行加工，可通過對不同能量場參數(shù)的調(diào)控，擴展工藝參數(shù)窗口、提升制造工藝水平。

由于能量場形式及其組合/結(jié)合方式的多樣性，復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)“百花齊放”之勢。 針對不同加工需求和材料特點，國內(nèi)外研究者提出了不同復(fù)合加工方法。 針對航空制造領(lǐng)域高表面質(zhì)量、高光潔度的微小孔精密加工需求，Zhu 等[8]提出電解與磨削復(fù)合加工技術(shù)，利用帶磨粒工具電極對電化學(xué)鈍化表面進行磨削加工， 實現(xiàn)了最小直徑0.6 mm的微小孔無毛刺精密加工；針對航空發(fā)動機渦輪葉片無再鑄層氣膜冷卻孔高效加工需求， 徐正揚等[9]提出電火花-電解同步復(fù)合加工方法， 通過電火花加工和電化學(xué)溶解同步進行，實現(xiàn)小孔的高效無重鑄層制造； 針對短脈沖激光加工表面粗糙問題，新加坡國立大學(xué)Rashid 等[10]提出激光與電火花復(fù)合加工技術(shù)， 利用電火花加工提高加工表面質(zhì)量；針對帶熱障涂層工件微小孔加工難題，Thoe 等[11]提出超聲電火花復(fù)合加工技術(shù)，利用超聲加工、超聲輔助電火花加工去除非導(dǎo)電熱障涂層和基底材料。 其他復(fù)合加工技術(shù)還包括激光與電解復(fù)合加工、激光輔助機械加工、 磨料水射流與電火花復(fù)合加工、電解放電加工、水助激光加工技術(shù)等。 因此，復(fù)合加工技術(shù)具有多樣性、多學(xué)科交叉特點。 各種復(fù)合加工技術(shù)的多能量場耦合方式、材料去除機理和應(yīng)用領(lǐng)域都有其特點。

激光與電解復(fù)合加工 （laser and electrochemical machining，LECM） 綜合了激光加工效率高、 加工精度高和電解加工表面質(zhì)量好等優(yōu)勢，通過激光與電化學(xué)能量場的時空耦合/組合方式調(diào)控，在高質(zhì)量、 高效率精密加工領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。本文介紹了激光與電解復(fù)合加工技術(shù)的內(nèi)涵及分類，對激光與電解同步復(fù)合加工技術(shù)、順序復(fù)合加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了分析和總結(jié)，還進一步闡述了激光與電解復(fù)合加工技術(shù)的優(yōu)勢和應(yīng)用前景，分析了激光與電解復(fù)合加工面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。

1 激光與電解復(fù)合加工技術(shù)內(nèi)涵

激光與電解復(fù)合加工是指綜合激光與電化學(xué)能量場，利用激光-材料相互作用、電解加工及其耦合效應(yīng)進行材料去除的加工方式。 其中，激光與材料相互作用，一方面可高效去除材料，另一方面也可提高加工區(qū)電解液局部溫度，并通過溫度梯度增強局部區(qū)域傳質(zhì)效率， 有利于提高電解加工速率；電解加工可實現(xiàn)高表面質(zhì)量加工。 通過激光加工與電解加工的合理結(jié)合/組合，可實現(xiàn)高質(zhì)、高效精密加工。

根據(jù)激光-材料相互作用、 電解加工是否同時參與材料加工過程，激光與電解復(fù)合加工可分為激光與電解同步復(fù)合加工和激光與電解異步/順序復(fù)合加工兩大類（圖1）。其中，激光與電解同步復(fù)合加工同時利用激光與電化學(xué)能量場對工件材料進行加工； 激光與電解順序復(fù)合加工連續(xù)利用激光-材料相互作用（增材、減材、表面處理等）、電解加工對工件材料進行加工，以達到高效率、高表面質(zhì)量精密加工的目的。

圖1 典型激光與電解復(fù)合加工分類示意圖

2 激光與電解同步復(fù)合加工

激光與電解同步復(fù)合加工同步利用激光加工、電解加工及其耦合效應(yīng)定域去除工件材料。 激光與電解同步復(fù)合加工的優(yōu)勢如圖2 所示[12]，主要包括：①電解加工可去除激光加工產(chǎn)生的再鑄層、降低熱影響和表面粗糙度；②激光對加工區(qū)的局部溫升效應(yīng)可減小電化學(xué)活化能[13]，提升局部電解液的電導(dǎo)率和電化學(xué)反應(yīng)界面的離子輸運效率，并提高電解加工速率和定域性[14]；③流動電解液對激光加工區(qū)具有一定的冷卻作用， 可及時排出激光加工產(chǎn)物，減少激光加工表面的熱影響和再鑄層，避免出現(xiàn)表面濺射[15]。

圖2 激光與電解同步復(fù)合加工技術(shù)優(yōu)勢[12]

當(dāng)脈沖激光作用于工件加工區(qū)時，加工區(qū)的最大局部溫升（ΔTmax）可表示為[13]：

式中：αL為激光吸收系數(shù)；EL為激光功率；r0為激光光斑半徑；ton為脈沖寬度；fp為重復(fù)頻率；ζ 為工件材料熱導(dǎo)率；ρ 為材料密度；Cp為比熱容。

由式（1）可知，激光功率越高，激光作用區(qū)的溫升越大。 激光誘導(dǎo)復(fù)合加工區(qū)溫升量可通過調(diào)節(jié)多個激光參數(shù)進行精確調(diào)節(jié)，調(diào)控激光與材料相互作用機理和復(fù)合加工材料去除過程。 激光溫升效應(yīng)對電解加工反應(yīng)電流密度的影響可表示為[16]：

式中：E0為電解加工活化能；T0為加工區(qū)初始溫度；i0為初始電流密度。

由式（2）可知，溫升越大，電解加工電流密度越大。 由法拉第定律可知，溫升越大，電解加工速率越大。 因此，激光同步作用于局部電解加工區(qū)，有利于提升激光聚焦區(qū)域的電解加工效率和定域性。

根據(jù)激光與電化學(xué)能量場耦合方式，激光與電解同步復(fù)合加工主要分為浸液式、射流輔助及工具電極導(dǎo)光式三類。

2.1 浸液式激光與電解復(fù)合加工

浸液式激光與電解復(fù)合加工將激光束聚焦于浸入溶液的工件加工區(qū)域，工具陰極同時和工件浸于電解液中（圖3）。 當(dāng)激光和電流同時作用于加工區(qū)時，工件材料在激光加工和電解加工的同步作用下被去除。

圖3 浸液式激光與電解復(fù)合加工原理示意圖

在國外， 美國IBM 沃森研究中心Gutfeld 等[17]首先研究表明電化學(xué)刻蝕效率與激光能量正相關(guān)，并將該技術(shù)應(yīng)用于微孔、微槽等結(jié)構(gòu)的加工。 麻省理工學(xué)院Tsao 等[18]闡明了激光輔助提高化學(xué)刻蝕定域性和速率的機理， 實現(xiàn)對寬度2 μm 的微槽的加工，發(fā)現(xiàn)采用適當(dāng)激光能量可使電解加工速率提高6 倍。 韓國光州大學(xué)Shin 等[19]利用聚焦激光束掃描磷酸溶液中的鈦合金工件，加工出懸臂梁、微孔、微槽等微細結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)加工精度與激光能量、電解液濃度相關(guān)。 英國曼徹斯特大學(xué)Li 等[20]利用波長532 nm 激光器對不銹鋼試件進行電化學(xué)輔助激光加工，實現(xiàn)了無再鑄層及熱影響層加工且將材料去除速率提高300%。 德國不來梅大學(xué)Eckert 等[21]利用激光熱化學(xué)加工實現(xiàn)了工件表面選擇性拋光加工（圖4），闡明了表面突起處的選擇性電化學(xué)刻蝕是實現(xiàn)表面拋光的主要原因。日本國家先進工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所Kasashima 等[22]利用電解加工同步去除激光加工產(chǎn)生的毛刺，加工出直徑120 μm，無毛刺高表面質(zhì)量血管支架。

圖4 激光熱化學(xué)拋光裝置及機理示意圖[21]

在國內(nèi)，桂林電子科技大學(xué)龍芋宏等[23-26]針對溶液輔助激光加工進行的系統(tǒng)研究表明，采用吸收率小、濃度較低的電解液和適當(dāng)厚度（～1 mm）的液膜，有利于減少激光能量損耗、提高材料去除效率，可加工出深度0.43 mm 的微小孔；在激光熱誘導(dǎo)電化學(xué)刻蝕中，激光照射微區(qū)內(nèi)形成了較大的溫度梯度，促成溶液局部微擾動和增強了傳質(zhì)，提高了光照區(qū)內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)速度。

江蘇大學(xué)張朝陽等[27-30]建立了激光電化學(xué)復(fù)合加工系統(tǒng)（圖5），闡明了納秒脈沖激光電化學(xué)復(fù)合加工的材料去除原理（圖6），發(fā)現(xiàn)電解液的冷卻作用和激光誘導(dǎo)沖擊波效應(yīng)可有效地去除再鑄層，有利于提高加工效率和加工質(zhì)量且激光力學(xué)效應(yīng)可去除鈍化膜，可提高電解加工精度；利用透光的氧化銦錫導(dǎo)電玻璃作為陰極，實現(xiàn)了電解液中激光與電化學(xué)能量場的同步耦合，利用激光熱力沖擊作用定域去除鈍化層， 可提高電化學(xué)反應(yīng)的定域性，并提高加工速率；建立了激光電化學(xué)復(fù)合加工溫度場與電場有限元仿真模型，闡明激光輻照高溫對提高電解加工效率的影響機理。

圖5 激光電化學(xué)復(fù)合加工系統(tǒng)示意圖[27]

圖6 浸液式激光與電解復(fù)合加工原理示意圖[28]

青島理工大學(xué)孫樹峰教授團隊[31-32]利用聚焦激光束對浸于復(fù)合溶液（4 mol/L NaNO3＋3 mol/L HCl）中的鎳基高溫合金進行打孔，利用激光誘導(dǎo)高溫電化學(xué)/化學(xué)效應(yīng)去除激光加工表面再鑄層，實現(xiàn)了小錐度、無再鑄層和熱影響小孔加工；研究了磷酸溶液中鈦工件的激光熱化學(xué)拋光加工機理，實現(xiàn)表面粗糙度為Ra55 nm。

浸液式激光與電解復(fù)合加工將激光聚焦于浸入電解液的工件加工表面， 其工藝操作較為簡單，可實現(xiàn)激光與電化學(xué)能量場的同步耦合。 由于激光束可聚焦至微米級（＜50 μm），浸液式激光與電解同步復(fù)合加工技術(shù)可實現(xiàn)微細結(jié)構(gòu)的高表面質(zhì)量、高效加工，用于微孔、微槽、微縫、微細三維結(jié)構(gòu)、表面微織構(gòu)的加工和表面拋光領(lǐng)域[33-34]。

但是，浸液式激光與電解復(fù)合加工存在以下問題：①激光受溶液流動特性影響較大，特別是激光焦點位置易受電解液流動狀態(tài)、加工區(qū)的氣泡及其他產(chǎn)物的折射或散射影響， 存在焦點漂移問題，導(dǎo)致加工精度一致性較低[35]； ②隨著加工深度的增大，激光或電解加工產(chǎn)物排出效率下降，激光能量損耗增大，復(fù)合加工作用隨之下降，會導(dǎo)致浸液式激光與電解復(fù)合加工的深度一般小于0.5 mm。

2.2 射流輔助激光與電解復(fù)合加工

射流輔助激光與電解復(fù)合加工中激光通過電解液射流聚焦于加工區(qū)，以金屬噴口為陰極、工件為陽極（圖7）。負極性化電解液高速沖擊加工區(qū)，具有以下作用： ①實現(xiàn)對工件材料的電化學(xué)溶解，同步去除激光加工表面再鑄層和降低熱影響；②提高加工區(qū)傳質(zhì)效率，提高電解加工效率，減小加工產(chǎn)物引起的激光能量損耗，增大復(fù)合加工深度；③減少激光加工表面濺射， 對激光加工區(qū)及時冷卻，降低激光的熱影響。

圖7 射流輔助激光與電解復(fù)合加工原理示意圖

美國IBM 沃森研究中心Datta 等[36]開展的研究表明，在使用非鈍化性電解液時，低功率同軸分布激光可提升射流電解加工速率，提高加工精度。 法國國家科學(xué)院Lescuras 等[37]的研究表明，激光束有利于提高射流電解加工精度， 使加工側(cè)面更加陡直，并將射流激光電解復(fù)合加工應(yīng)用于表面微溝槽的精密加工。 德國不來梅應(yīng)用技術(shù)研究所Stephen等[38-39]的研究表明，激光輔助可大幅提升射流電解加工精度和表面質(zhì)量，利用該工藝加工出熱敏記憶合金微鑷子（圖8）；試驗結(jié)果顯示，提升電解液流速有利于提升加工質(zhì)量（深寬比、表面粗糙度、邊緣銳度等方面）。 印度拉夫里科技大學(xué)Malik 等[40]利用灰色關(guān)聯(lián)度分析和正交試驗方法優(yōu)化了激光輔助射流電解加工工藝參數(shù)，相較于電解加工的效率提升29%、錐度減小48%、表面粗糙度減小37%；建立了射流激光電解加工試驗系統(tǒng)（圖9），并加工出深度0.7 mm 小孔，但加工深度小于1.0 mm。

圖8 射流激光電解復(fù)合加工示意圖及加工微型鑷子[38]

圖9 激光輔助射流電解加工小孔[40]

英國愛丁堡大學(xué)闡明了激光輻射對提高電解加工定域性和效率的原理[41]（圖10），基于能量守恒定律建立射流激光與電解復(fù)合加工的數(shù)學(xué)模型[42]，研究了加工參數(shù)對加工精度和效率的影響。 實驗表明：相比于射流電解加工，射流激光電解復(fù)合加工可使加工效率提高55%、加工精度提高78%、加工結(jié)構(gòu)錐度減小65%[43]， 并且激光加工熱影響不會對加工表面質(zhì)量產(chǎn)生影響[41]。

圖10 射流激光與電解復(fù)合加工原理示意圖[41]

在國內(nèi)，南京航空航天大學(xué)徐家文教授團隊對射流激光與電解復(fù)合加工進行了系統(tǒng)研究，研究了激光在溶液中的衰減特性[44]，揭示了激光熱力效應(yīng)對激光電解復(fù)合加工材料去除的影響機理[45]，建立了射流激光與電解復(fù)合加工數(shù)學(xué)模型，研制出射流激光與電解復(fù)合加工試驗系統(tǒng)， 在厚度0.5 mm 的不銹鋼工件上加工出直徑0.5 mm 的通孔， 相比于激光加工，其表面濺射減少超過95%、再鑄層減少超過90%[46]。 因此，在復(fù)合加工過程中，“陰極化”噴射液束的電解作用能有效在線去除激光加工產(chǎn)生的再鑄層，提高激光加工的質(zhì)量。 Yuan 等[47]利用小直徑噴口和激光在電液束中全反射傳導(dǎo)的激光能量（圖12），實現(xiàn)了無表面濺射、無再鑄層小孔加工以及表面陣列盲孔、表面微結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量加工。

圖11 小孔入口邊緣質(zhì)量對比[42]

圖12 激光全反射傳導(dǎo)射流激光與電解復(fù)合加工原理以及加工表面質(zhì)量和表面微結(jié)構(gòu)[47]

射流輔助激光與電解復(fù)合加工可通過射流增強加工區(qū)傳質(zhì)效率、促進加工產(chǎn)物排出，有利于提升加工效率、增加加工深度。 射流電解加工可同步去除激光加工表面再鑄層和熱影響， 提高表面質(zhì)量。 但是，射流激光與電解復(fù)合加工存在以下問題：①當(dāng)加工深度增大時，激光焦點難以持續(xù)作用于加工區(qū)，射流傳質(zhì)效應(yīng)減弱，導(dǎo)致復(fù)合加工深度有限（通常低于2 mm）； ②由于噴頭與工件間的間隙一般大于3 mm，加工電壓較高（100～600 V）；③加工輪廓與激光焦點位置和電流密度分布相關(guān)，加工錐度控制困難；④電解液返流干涉射流狀態(tài)，影響激光耦合可靠性和穩(wěn)定性。

2.3 工具電極導(dǎo)光式激光與電解復(fù)合加工

工具電極導(dǎo)光式激光與電解復(fù)合加工中的復(fù)合工具電極同時起到工具陰極、傳導(dǎo)激光、傳輸電解液的作用。 與射流激光電解復(fù)合加工相比，工具電極與工件間隙較小，激光傳導(dǎo)效率和穩(wěn)定性受射流影響小，激光可隨著工具電極同步進給至大深度加工區(qū)，有利于增加復(fù)合加工深度。

中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所在國際上首先提出基于液核光纖的激光與管電極電解同步復(fù)合加工技術(shù)，使電解液通過工具電極內(nèi)孔流向加工區(qū)，同時利用激光在工具電極內(nèi)孔中的內(nèi)全反射效應(yīng)將激光高效傳導(dǎo)至加工區(qū)（圖13），從而實現(xiàn)激光與電化學(xué)能量場的同軸高效耦合[48]。 Wang 等[49-50]構(gòu)建出“低折射率約束層-金屬導(dǎo)電層-絕緣層”結(jié)構(gòu)的液核光纖工具電極，通過聚焦系統(tǒng)將激光耦合進工具電極內(nèi)孔中，建立了激光在工具電極實現(xiàn)內(nèi)全發(fā)射傳導(dǎo)的光學(xué)模型，研究了激光能量損耗系數(shù)隨電解液濃度和激光功率的變化規(guī)律，在質(zhì)量分數(shù)12.5%溶液中實現(xiàn)激光傳導(dǎo)效率超過70%； 研制出激光與管電極電解同步復(fù)合加工試驗平臺 （圖14a），研究了激光功率、電壓等參數(shù)對加工效率、加工精度的影響規(guī)律， 加工出深度5～103 mm、 直徑0.8～1.35 mm、無再鑄層的精密小孔（圖14c），實現(xiàn)加工效率提升118%、加工精度提升67%。Yang 等[51-52]提出“收縮式”液核工具電極，優(yōu)化調(diào)控復(fù)合加工區(qū)電流密度分布，減小激光與電解加工過渡區(qū)域殘留面積和高度， 將工具電極進給速率提升至4.1 mm/min， 進一步提升了激光與電解復(fù)合加工速率；還通過控制液核光纖工具電極的平面運動，利用激光與管電極電解同步復(fù)合加工實現(xiàn)了微槽等結(jié)構(gòu)的高質(zhì)、高效加工，提升了微槽加工效率和精度，實現(xiàn)了深度6.5 mm、寬度1.8 mm 的微槽高效加工。

圖13 激光與管電極電解同步復(fù)合加工原理示意圖

圖14 激光與管電極電解同步復(fù)合加工平臺及加工結(jié)果[50]

如圖15 所示，比利時魯汶大學(xué)的Saxena 等[53-55]利用工具電極內(nèi)同軸石英毛細管壁面反射傳導(dǎo)激光的復(fù)合工藝，得到的激光傳導(dǎo)能量效率約30%,并利用該工藝在鎳基高溫合金工件上加工出直徑約1.5 mm、深度0.3 mm 的凹坑[51]，但未實現(xiàn)介入式加工，導(dǎo)致加工深度較??；研究發(fā)現(xiàn)激光束在石英毛細管壁面的折射效應(yīng)引起能量損耗，導(dǎo)致采用玻璃毛細管傳導(dǎo)激光能量的效率較低；建立了基于同軸石英毛細管工具電極的激光與電解復(fù)合加工多物理場耦合模型，闡明了激光熱效應(yīng)對加工區(qū)溫度和電流密度的分布影響規(guī)律；利用高速攝像機和大規(guī)模粒子圖像測速儀（LPIV）實時觀測復(fù)合加工間隙內(nèi)加工產(chǎn)物和氣泡的產(chǎn)生和運動規(guī)律。

圖15 基于同軸石英毛細管工具電極的激光與電解復(fù)合加工原理示意圖及加工結(jié)果[53]

綜上分析，我國在工具電極導(dǎo)光式激光與電解復(fù)合加工方面具有一定的領(lǐng)先優(yōu)勢。 由于工具電極端面與加工表面間隙較?。?.1～1 mm），加工電壓較?。?～20 V）。 隨著工具電極的進給，工具電極可深入工件內(nèi)部， 實現(xiàn)介入式激光與電解復(fù)合加工，進而有利于實現(xiàn)大深度復(fù)合加工。 但是，工具電極導(dǎo)光式激光與電解復(fù)合加工研究尚處于起始階段，仍存在如下問題：①工具電極結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，復(fù)合工具電極直徑較大（≥1.0 mm），加工小孔、微坑的直徑也較大； ②還需建立激光與微小工具電極的高效、高可靠耦合方法，以精確調(diào)控加工區(qū)激光能量分布，控制復(fù)合加工成形特征。

3 激光與電解異步復(fù)合加工

激光與電解異步復(fù)合加工是以先采用激光加工（工序1）、再采用電化學(xué)去除加工（工序2）的順序，實現(xiàn)材料的高效、高精及高質(zhì)量加工。根據(jù)圖16所示激光-材料相互作用及電解加工作用的原理，激光與電解異步復(fù)合加工主要分為激光掩膜電解加工、激光-電解順序加工、激光增材-電解加工順序復(fù)合加工以及帶涂層工件激光-電解順序復(fù)合加工等幾類。

圖16 激光與電解異步復(fù)合加工示意圖

3.1 激光掩膜電解加工

激光掩膜電解加工是先利用激光制備掩膜板、再利用選擇性電化學(xué)陽極溶解去除選定區(qū)域的工件材料，實現(xiàn)工件表面微坑、微流道、微三維結(jié)構(gòu)等的高效精密加工。 根據(jù)激光制備掩膜方式，激光掩膜電解加工主要分為兩種情況：①激光對工件表面特定區(qū)域進行改性處理，對特定區(qū)域工件表面進行氧化處理或改變組織電化學(xué)刻蝕性能，進而再利用電化學(xué)加工選擇性去除處理或未處理區(qū)域，實現(xiàn)特定表面結(jié)構(gòu)的加工（圖17a）；②通過激光加工在薄膜或薄板絕緣材料掩膜上加工出特定輪廓結(jié)構(gòu)，進而將加工后的模板安裝于工件表面，再利用電解加工去除暴露于電解液中的工件材料區(qū)域，實現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)的電解加工。

在國外， 瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Landolt 教授團隊[56-57]首先提出激光掩膜電解加工技術(shù)，首先利用硫酸溶液在工件表面形成厚度250 nm 的氧化層， 然后利用XeCl 準(zhǔn)分子激光在表面去除特定區(qū)域氧化層，形成氧化層掩膜板，進而利用電解加工選擇性去除未被氧化層保護區(qū)域，在鈦合金平面和曲面工件表面高效加工出微三維結(jié)構(gòu)和微織構(gòu)。 韓國國立首爾大學(xué)CN Chu 教授團隊[58-59]通過激光處理在工件表面形成氧化層并改變了表面晶粒的結(jié)構(gòu)（圖17b），通過電解加工定域去除激光未處理區(qū)域，實現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)加工；利用多層激光掩膜電解加工，實現(xiàn)微三維結(jié)構(gòu)的高效加工。日本北海道大學(xué)Kikuchi 等[60]利用激光掩膜電解加工在鋁合金表面加工出寬度60 μm、 深度25 μm 的微流道陣列，并通過超聲加工去除表面殘余氧化層。

圖17 激光掩膜電解復(fù)合加工原理及加工結(jié)果

在國內(nèi)，佳木斯大學(xué)李小海教授團隊[61]利用光纖激光對不銹鋼工件表面進行選擇性重熔改性處理，增強激光處理區(qū)域的耐電化學(xué)腐蝕性，形成激光掩膜，進而利用電解加工出深度20 μm 的微腔。

掩膜電解加工（through mask ECM）通常采用非導(dǎo)電光刻膠作為掩膜板，需利用涂膠、曝光、顯影等一系列復(fù)雜工藝加工出掩膜板上微結(jié)構(gòu)，進而利用電解加工在工件上加工微結(jié)構(gòu)[62]。針對群孔、柵網(wǎng)等的加工，可采用機械鉆孔等方式加工出帶群孔的掩膜板[63]。超短脈沖激光加工具有加工精度高、加工效率高、材料適應(yīng)性好、無需曝光等優(yōu)勢，在掩膜板微細結(jié)構(gòu)的高效精密加工方面具有良好應(yīng)用前景，但目前相關(guān)研究報道較少。

激光掩膜電解加工具有加工效率高、 精度高、成本低等優(yōu)勢，但可加工深度較?。ǎ?00 μm），通常應(yīng)用于凹坑陣列、表面三維結(jié)構(gòu)、表面微織構(gòu)的高效精密加工。

3.2 激光-電解順序復(fù)合加工

激光-電解順序復(fù)合加工是先利用激光進行高效粗加工，再利用電解加工提高加工表面質(zhì)量和加工精度，實現(xiàn)高質(zhì)量小孔等結(jié)構(gòu)的高效精密加工。

西安交通大學(xué)梅雪松教授團隊針對激光加工微小孔孔壁存在再鑄層和微裂紋的問題， 對激光-電解順序加工進行了一系列研究[64-66]，首先利用同軸吹氣高能激光快速加工出預(yù)制孔，再利用絲狀或管狀工具電極作用工具陰極，對激光加工小孔的壁面進行電解加工處理，去除激光加工產(chǎn)生的再鑄層和微裂紋，實現(xiàn)了無再鑄層氣膜冷卻孔的高效高質(zhì)加工，其單孔加工總時長約為30 s，加工效率遠高于超快激光加工。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)李強[67]利用入口輔助陽極射流電解加工方法去除激光打孔產(chǎn)生的重鑄層和熱影響，提高激光打孔表面質(zhì)量，實現(xiàn)少無微裂紋、無熱影響微小孔的精密加工。 南京理工大學(xué)Sun 等[68-69]先利用毫秒激光高速預(yù)打孔，再利用管電極電解加工去除激光加工產(chǎn)生的再鑄層，實現(xiàn)直徑0.69 mm、無再鑄層小孔的精密加工，其復(fù)合加工效率和加工精度相較于電解加工分別提高51.4%和30.4%。 沈陽理工大學(xué)劉亞杰[70]針對電解加工無法加工非導(dǎo)電陶瓷材料的問題，開展帶熱障涂層鎳基合金深微孔激光電解組合加工研究，先采用紫外納秒脈沖激光旋切加工陶瓷涂層，再在相同位置電解加工高溫合金的深微孔，去除了激光加工產(chǎn)生的再鑄層。

激光-電解順序復(fù)合加工無需研制激光穩(wěn)定耦合裝置， 單一工藝材料去除機理研究較為成熟，可通過電解加工提高加工表面質(zhì)量和控制加工精度。但在激光-電解順序復(fù)合加工過程中需更換加工頭，要將絲狀或管狀微細工具電極精確定位至激光預(yù)制孔中心。 工具電極與激光預(yù)制孔之間存在對中偏差， 加上激光加工產(chǎn)生的重鑄層分布不均勻，易引起孔壁電解速率的差異及孔壁的起伏，使微小孔加工精度一致性控制存在困難。 此外，由于激光打孔深度有限，該技術(shù)在深度加工方面的能力有限。

圖18 高品質(zhì)小孔激光-電解順序復(fù)合加工[66]

3.3 激光增材-電解順序復(fù)合加工

激光增材制造基于堆積離散原理，以激光作為熱源將粉末材料熔化逐層堆積成形，無需采用傳統(tǒng)刀具和多道加工工序，可實現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)零部件的高效、低成本精密加工[71]。 在航空航天領(lǐng)域，渦輪葉片、燃油噴嘴、燃燒室導(dǎo)流襯套等激光增材制造部件已獲得工程應(yīng)用[72]。與此同時，激光增材制造零件表面仍存在表面/內(nèi)表面粗糙、 表面黏附粉末顆粒、表面不規(guī)則等問題[73]。電解加工作為一種高表面質(zhì)量加工方法， 可對激光增材制造工件的表面、內(nèi)表面進行定域拋光、去除表面粉末顆粒，提高加工表面質(zhì)量， 也可用于激光增材制造部件表面微溝槽、深小孔、表面微織構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)的高表面質(zhì)量加工（圖19），以滿足特定領(lǐng)域制造需求。

圖19 激光增材-電解順序復(fù)合加工示意圖

據(jù)報道[74]，美國Voxel 公司采用脈沖電解加工技術(shù)對激光增材制造部件的不同區(qū)域進行了定域拋光， 以滿足增材制造零部件不同部分的功能需求。 圖20 是電化學(xué)定域拋光處理后的渦輪葉片和人體植入關(guān)節(jié)。 以植入關(guān)節(jié)為例，其拋光部分可增強耐磨性，而未拋光部分可增強零部件的骨整合性能；Voxel 公司還將脈沖激光拋光應(yīng)用于提高航天發(fā)動機微流道熱交換器表面質(zhì)量，以滿足航天發(fā)動機高效換熱需求。 路易斯維爾大學(xué)Lassell[75]的研究表明， 激光增材制造鈦合金零件經(jīng)過電解拋光后，可顯著降低表面粗糙度，提高疲勞強度。 東北大學(xué)Zhang 等[76]采用0.4 mol/L 的NaCl 溶液對激光增材制造Ti-6Al-4V 試樣進行電解拋光處理，使其表面粗糙度值降低75.04%，并在表面生成氧化膜，提高了耐腐蝕性。

圖20 激光增材制造部件表面定域電解拋光零部件[74]

南京航空航天大學(xué)王芯蒂等[77-78]開展的激光增材制造Inconel 718 試件電化學(xué)溶解特性研究表明：溶解后的表面形貌呈各向異性，在豎直面上出現(xiàn)條紋狀的層帶結(jié)構(gòu)；利用管電極電解加工在激光增材制造毛坯件上加工出孔、槽結(jié)構(gòu)，并通過電解加工提高了表面平整度。南方科技大學(xué)Lu 等[79]利用射流電解加工在激光增材制造試件上加工出三維微細結(jié)構(gòu)，用于觀測試件的缺陷、顯微結(jié)構(gòu)和晶體特征。南京航空航天大學(xué)Cheng 等[80]利用射流電解加工去除激光增材制造試件表面的缺陷，使表面粗糙度值減小53%，并通過電沉積方法制備表面涂層以提高耐腐蝕性。 針對激光增材制造表面黏附未完全熔化金屬粉末顆粒及孔壁、彎曲內(nèi)通道拋光問題，南京航空航天大學(xué)Zhao 等[81]提出柔性電極往復(fù)運動電解加工方法（圖21），實現(xiàn)了內(nèi)通道黏附顆粒的完全去除，表面粗糙度由Sa15.5 μm 減小至Sa8.1 μm。

圖21 柔性電極往復(fù)運動電解加工原理示意圖及激光增材制造的內(nèi)通道電解加工結(jié)果[80]

隨著人們對激光增材制造零部件性能及表面質(zhì)量等要求的提高， 電解加工作為一種高表面質(zhì)量、無應(yīng)力、非接觸式加工方式[82]，在激光增材制造零部件內(nèi)外表面拋光、表面微細結(jié)構(gòu)加工、缺陷消除等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 工藝對比及應(yīng)用分析

激光與電解復(fù)合加工通過控制激光與電化學(xué)能量場的相互作用，綜合激光加工、電解加工及其耦合效應(yīng)來定域加工工件材料， 是一種高質(zhì)量、高效率、高精度加工方法，在高性能零部件制造領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。 表1 是不同類別激光與電解復(fù)合加工方法的工藝優(yōu)缺點及典型應(yīng)用對比的情況。

表1 典型激光與電解復(fù)合加工工藝對比

經(jīng)過多年的發(fā)展，激光與電解復(fù)合加工已用于表面微細結(jié)構(gòu)、高品質(zhì)精密小孔、表面精密拋光和表面缺陷去除等加工領(lǐng)域，其典型應(yīng)用見圖22。 面向當(dāng)前的極端環(huán)境服役高性能零部件制造的需求，激光與電解復(fù)合加工在高表面質(zhì)量、高效率加工方面的優(yōu)勢更加明顯。本研究在“Web of Science”數(shù)據(jù)庫以“l(fā)aser and electrochemical machining”為關(guān)鍵詞進行搜索，共檢索到835 篇論文及專利文獻。 從圖23 所示論文發(fā)表和引用數(shù)量的年份分布可知，激光與電解復(fù)合加工相關(guān)的研究在近十年來得到快速發(fā)展，相關(guān)研究報道逐年增加。 隨著激光技術(shù)、電解加工技術(shù)及相關(guān)控制技術(shù)的進步，激光與電解復(fù)合加工技術(shù)必將迎來更大的發(fā)展， 應(yīng)用于更多高質(zhì)量、高效率、高精度加工領(lǐng)域，更好地服務(wù)于國家重大需求和國民經(jīng)濟發(fā)展。

圖22 激光與電解復(fù)合加工典型應(yīng)用

圖23 激光與電解復(fù)合加工發(fā)表及引用論文數(shù)量變化

5 展望

隨著激光與電化學(xué)能量場耦合時空協(xié)同調(diào)控方法的不斷演進和發(fā)展，新型激光與電解復(fù)合加工方法將不斷涌現(xiàn)，以應(yīng)對日益增多的難加工材料高品質(zhì)高效精密加工需求。 激光與電解復(fù)合加工已在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但要進一步考慮如何提高工藝穩(wěn)定性、精度一致性，如何提升綜合加工效率、降低加工成本、加強加工質(zhì)量和性能檢測、開展工藝裝備研發(fā)和工業(yè)應(yīng)用推廣。

針對激光與電解復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展，仍需在以下方面開展深入研究：

（1）激光與電化學(xué)能量場耦合時空協(xié)同作用機理及調(diào)控方法。 激光、電化學(xué)及其他能量場的耦合機制是開展激光與電解復(fù)合加工研究的關(guān)鍵，與材料去除機理密切相關(guān)，需研究多能量場耦合高效高可靠穩(wěn)定耦合方法和機制，實現(xiàn)工藝可控。

（2）加工過程建模與多物理場耦合仿真。 激光與電解復(fù)合加工過程復(fù)雜，涉及光場、流場、電化學(xué)溶解場、熱場等多物理場的復(fù)雜耦合，加工產(chǎn)物、氣泡、 等離子體等在加工間隙內(nèi)分布規(guī)律尚不明確，使得激光與電解復(fù)合加工過程建模較為困難。 試驗中的部分過程參量數(shù)據(jù)難以監(jiān)測，建模和仿真優(yōu)化工藝將為加工過程智能化控制提供支撐，并提高加工過程的可控性和可預(yù)測性。

（3）激光與電解復(fù)合加工裝備的研發(fā)及加工質(zhì)量和性能評價。 專用工藝裝備研發(fā)較為滯后，需根據(jù)激光與電解復(fù)合加工特點，開發(fā)專用工藝裝備及控制方法，加強工藝規(guī)律及驗證研究，提升技術(shù)成熟度等級。 針對不同領(lǐng)域關(guān)鍵零部件加工需求，開展加工質(zhì)量和性能評價研究，促進激光與電解復(fù)合加工技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。