鋁合金化銑保護(hù)膠激光刻型形貌仿真研究

孟濤，鄭剛

（海軍裝備部）

0 引言

化學(xué)銑切簡稱化銑[1]，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空航天制造業(yè)中，是鋁合金、鈦合金等零部件減薄、減重的重要加工技術(shù)?；姳Ｗo(hù)膠刻型作為鋁合金零部件化銑工藝流程中的一個重要環(huán)節(jié)，其加工精度將直接影響到最終產(chǎn)品的質(zhì)量。在航空航天制造企業(yè)中，傳統(tǒng)的刻型工藝通過操作人員持手術(shù)刀借助化銑樣板、定位銷等工裝夾具手工完成[2]，需要經(jīng)過膜胎成型、畫線及手工開口等流程，工序復(fù)雜且加工周期較長。此外，人工刻型不但對操作人員的技術(shù)水平要求較高，同時人為的加工誤差極易在鋁合金基體表面留下切削痕跡，此類切削痕跡經(jīng)化學(xué)腐蝕后就會在零件表面產(chǎn)生缺陷。

近年來，脈沖激光精密加工技術(shù)[3-5]的高速發(fā)展為提高鋁合金化銑保護(hù)膠刻型質(zhì)量打開了新的方向。相對于傳統(tǒng)人工刻型，激光刻型采用非接觸的加工形式[6-8]，在于數(shù)控自動化技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上，可以獲得鋁合金化銑保護(hù)膠的優(yōu)質(zhì)高效刻型。從航空航天制造技術(shù)的發(fā)展角度來看，激光精密加工無疑是鋁合金零部件表面刻型的主流技術(shù)。目前國際上的主流航空制造企業(yè)，例如波音、空客和達(dá)索等都已經(jīng)將激光刻型成功應(yīng)用于鋁合金零部件化銑工藝流程中。國內(nèi)航空制造企業(yè)也開始從國外引進(jìn)或依托高校、研究所等科研機(jī)構(gòu)自主研發(fā)激光刻型設(shè)備，逐漸擺脫人工刻型的束縛，實現(xiàn)鋁合金化銑保護(hù)膠刻型的自動化。

鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型工藝中包含種眾多的加工參數(shù)[9,10]，大類可分為三種，分別是激光束參數(shù)、掃描參數(shù)以及材料參數(shù)。激光束參數(shù)具體包括：平均功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率、波長和光束束腰直徑等；掃描參數(shù)具體包括：激光束掃描速度、聚焦距離、入射角度、光斑重疊率和掃描次數(shù)等；材料參數(shù)具體包括：鋁合金化銑保護(hù)膠材質(zhì)、厚度及表面粗糙度等。種類繁多的激光加工參數(shù)在鋁合金化銑保護(hù)膠刻型工藝中共同決定著加工形貌、尺寸和分布。因此，需要針對鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型工藝展開計算仿真研究[11-14]，研究和完善多層材料表面脈沖激光刻蝕機(jī)理[15-17]，準(zhǔn)確地掌握表面刻型形貌的生成條件和演變規(guī)律[18-20]。

在鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型工藝的研究中，對于非透明材質(zhì)的化銑保護(hù)膠在激光刻型過程中的形貌演變規(guī)律分析，如果單獨借助于實驗手段，通常需要利用高速相機(jī)在線拍攝，或者在加工完成后利用顯微鏡進(jìn)行離線測量。在不破壞加工材料的前提下，這些分析測試方法只能觀測到加工平面邊緣區(qū)域，很難獲得底部及側(cè)壁形貌特征。另外，激光刻型的掃描速度很快，刻型形貌尺度又非常小，利用實驗測試方法無法獲取加工區(qū)域的溫度場分布。因此，本文借助仿真軟件對鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型形貌進(jìn)行理論研究，傳熱學(xué)分析可以直觀的展示化銑保護(hù)膠在激光輻照作用下的溫度場分布及變化過程，變形幾何功能的使用可以動態(tài)地顯示整個刻型過程中化銑保護(hù)膠的形貌演變規(guī)律。為實現(xiàn)鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型的大面積、高效、精準(zhǔn)加工提供基礎(chǔ)理論支持。

1 激光加工模型建立

1.1 仿真模型材料及參數(shù)

脈沖激光刻型仿真建模中使用到的鋁合金基體材料材質(zhì)為2A12，化銑保護(hù)膠材質(zhì)為AC850，對應(yīng)厚度如表1 所示。計算仿真涉及到的參數(shù)較多，例如導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、恒壓熱容、楊氏模量、泊松比等。為了提高計算精度，這些參數(shù)均由Comsol Multiphysics 仿真軟件根據(jù)不同區(qū)間溫度的分段函數(shù)計算得出?？绦褪褂玫募す馄鳛楸本岽碳す饧夹g(shù)有限公司生產(chǎn)的R40 二氧化碳激光器，輸出波長、脈沖寬度、重復(fù)頻率等激光器參數(shù)如表2 所示。

表1 仿真計算材料Table 1 Simulation calculation material

表2 脈沖激光器參數(shù)Table 2 Pulse laser parameters

1.2 化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型有限元模型

由于使用的二氧化碳激光器輸出的激光屬于長脈沖激光，在長脈沖激光加工過程中，激光脈沖與材料的相互作用時間相對較長，材料的去除主要依靠光熱作用引起的熔化與氣化完成。長脈沖激光輻照于鋁合金化銑保護(hù)膠表面，當(dāng)激光功率密度高于材料燒蝕閾值時，材料在激光的作用下產(chǎn)生等離子體并伴隨溫度的迅速提升。由于化銑保護(hù)膠為彈性體材料，沒有明確的熔點。因此激光輻照區(qū)域溫度的升高會引起化銑保護(hù)膠發(fā)生裂解的同時劇烈氣化。隨著連續(xù)多個脈沖循環(huán)往復(fù)的掃描，輻照區(qū)域刻型寬度和深度逐漸加深，也就實現(xiàn)了化銑保護(hù)膠的脈沖激光刻型。

由于仿真計算中溫度場隨時間和熱物理參數(shù)的改變而變化，鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型過程仿真可視為非線性瞬態(tài)傳熱過程，熱平衡方程可以表示為：

式中：[C(T)]為比熱矩陣；{ }為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；[K(T)]為導(dǎo)熱矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)、輻射率以及形狀系數(shù)；{T}為節(jié)點的溫度向量；{Q(T,t)}為節(jié)點的熱流率向量，由溫度T和時間t的函數(shù)表示。

鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型過程仿真的初始條件表示為：

式中：T0為初始溫度，等于環(huán)境溫度25 ℃。

鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型過程仿真的邊界條件表示為：

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)；n為法線上的單位向量；q(x,y,z,t)為激光的熱流密度。

脈沖激光刻型仿真示意圖如圖1 所示。在仿真計算模型的建立中，通過利用模型的動網(wǎng)格設(shè)置來實現(xiàn)激光刻型材料去除過程的仿真模擬。采用的基模高斯光束以移動熱源的方式將脈沖激光加載到鋁合金化銑保護(hù)膠表面，當(dāng)吸收激光能量后溫度達(dá)到材料的升華熱時，材料模型表面與內(nèi)部網(wǎng)格產(chǎn)生與激光入射方向一致的變形，消失的材料被視為通過氣化形式去除，移動熱源繼續(xù)沿激光掃描方向加載到氣化材料的相鄰區(qū)域，隨激光脈沖循環(huán)往復(fù)上述過程，最終實現(xiàn)了整個刻型過程中化銑保護(hù)膠形貌演變的仿真模擬。

圖1 鋁合金化銑保護(hù)膠激光刻型仿真示意圖Fig.1 Laser engraving simulation diagram of aluminum alloy chemical milling protective adhesive

2 刻型形貌仿真計算

2.1 光斑重疊率不足對刻型形貌造成的影響

在化銑保護(hù)膠的脈沖激光加工中，過高的光斑重疊率會引起單位面積內(nèi)熱量積累嚴(yán)重，從而導(dǎo)致刻型區(qū)域出現(xiàn)明顯的熱影響區(qū)。但是，光斑重疊率并不是越低越好，過低的光斑重疊率會使得作用于材料表面的有效脈沖數(shù)目下降，這樣不僅直接影響刻型深度，而且也會影響刻型區(qū)域形貌。激光光斑重疊率計算公式表示為：

式中：D0為焦平面處激光光斑直徑，v為掃描速度，f為重復(fù)頻率。

為了凸顯光斑重疊率不足帶來的加工缺陷，假設(shè)光斑完全沒有重疊，也就是光斑重疊率為0%，光斑重疊率不足(20 W, 1 kHz, 10 m/min)對刻型形貌造成的影響如圖2 所示。過低的光斑重疊率使材料表面接受的激光能量不均，甚至出現(xiàn)光斑之間的分離現(xiàn)象，導(dǎo)致材料去除量的多少不一，因此加工區(qū)域邊緣及側(cè)壁呈現(xiàn)出鋸齒狀，并且這種形貌隨著光斑重疊率的降低更加明顯。重復(fù)頻率和掃描速度決定了激光光斑的重疊率。隨著重疊率的減少，相鄰脈沖之間的距離增加，加工后的形貌變得不平坦，當(dāng)光斑重疊率不足時會帶來的加工缺陷[21]。在激光刻型過程中，根據(jù)高斯熱源分布特點，保護(hù)膠最高溫度位置對應(yīng)于激光光斑輻照區(qū)域，該處熱流密度最大，兩側(cè)溫度逐漸降低。在激光光束高速掃描后，材料加工路徑上的溫度逐漸下降[22]。由于化銑保護(hù)膠的導(dǎo)熱系數(shù)較低，激光的高斯熱源作用于化銑保護(hù)膠表面后，材料迅速被氣化并去除，造成了仿真云圖溫度的分布較為集中。

圖2 光斑重疊率不足對刻型形貌造成的影響：(a) 刻蝕時間2 ms；(b) 刻蝕時間4 ms；(c) 刻蝕時間6 ms；(d) 刻蝕時間8 ms；Fig.2 The influence of insufficient spot overlap on the shape of engraving:(a) etching time 2 ms; (b) etching time 4 ms; (c) etching time 6 ms; (d) etching time 8 ms;

2.2 保護(hù)膠厚度不均對刻型形貌造成的影響

在鋁合金基體表面涂覆保護(hù)膠的工藝流程中，膠液由于自身重力的作用，干燥后在鋁合金基體表面會呈現(xiàn)出一定的薄厚不均的現(xiàn)象。為了研究此類問題給激光刻型帶來的影響，通過在化銑保護(hù)膠模型的平坦表面上添加凸起或凹陷結(jié)構(gòu)，并對該模型施加激光移動熱源，可以仿真模擬保護(hù)膠厚度不均對刻型形貌造成的影響(60 W, 100 kHz, 10 m/min)，模型中凸起高度約為75 μm，如圖3 所示。保護(hù)膠表面原始的表面粗糙度對激光刻型效果有顯著影響，激光照射在表面凸起或者凹陷的不同位置會導(dǎo)致材料對激光能量的不均勻吸收，從而造成保護(hù)膠刻型深度不一致。與之相對應(yīng)，在化銑保護(hù)膠的脈沖激光加工實驗中，保護(hù)膠厚度不均對將引起鋁合金基體表面的燒蝕或者保護(hù)膠未刻透的加工缺陷。

圖3 保護(hù)膠厚度不均對刻型形貌造成的影響：(a) 刻蝕時間2 ms；(b) 刻蝕時間4 ms；(c) 刻蝕時間6 ms；(d) 刻蝕時間8 ms；Fig.3 The influence of uneven thickness of protective adhesive on shape morphology:(a) etching time 2 ms; (b) etching time 4 ms; (c) etching time 6 ms; (d) etching time 8 ms;

2.3 激光入射角對刻型形貌的影響

對于傳統(tǒng)機(jī)械鉆削的接觸加工方法來說，在材料表面加工斜孔，特別是斜角度較大而直徑又較小的斜孔是極其困難的。加工中容易產(chǎn)生打滑難以入鉆，甚至發(fā)生鉆頭折斷。在異型孔的激光加工中，可以通過改變光束入射角度的加工方式調(diào)控孔的錐度，激光通過傾斜旋切的方式也可以加工圓柱度較好的高質(zhì)量通孔。與之原理相類似，在鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型工藝研究中，同樣可以通過控制激光光束相對于材料的入射角度調(diào)整刻型切縫的垂直度。圖4 為不同入射角對刻型形貌造成的影響，激光光束相對于材料表面的入射角度分別為90°、60°、45°(60 W, 100 kHz,10 m/min)。由于激光光斑能量呈高斯分布，當(dāng)激光光束相對于材料表面的入射角度分別為90°時，刻型切縫呈左右對稱的V 形。隨著激光入射角度的減小，激光光斑能量呈雙橢球分布，刻型切縫一側(cè)傾斜程度增大，另一側(cè)傾斜程度減小。

圖4 不同入射角對刻型形貌造成的影響，刻蝕時間，入射角度分別為：(a1) 1 ms, 90°; (a2) 3 ms,90°;(a3) 5 ms,90°; (b1) 1 ms, 60°; (b2) 3 ms, 60°; (b3) 5 ms, 60°; (c1) 1ms, 45°; (c2) 3 ms, 45°; (c3) 5 ms, 45°Fig.4 The effect of different angles of incidence on the morphology of the engraving , etching time and incident angle are respectively: (a1) 1 ms, 90°; (a2) 3 ms,90°; (a3) 5 ms,90°; (b1) 1 ms, 60°; (b2) 3 ms, 60°; (b3) 5 ms, 60°;(c1) 1ms, 45°; (c2) 3 ms, 45°; (c3) 5 ms, 45°

2.4 重復(fù)頻率對刻型形貌的影響

在激光光斑大小一致的情況下，重復(fù)頻率和掃描速度直接決定了光斑的重疊率。圖5 為不同重復(fù)頻率對刻型形貌造成的影響，激光重復(fù)頻率分別為100 kHz、80 kHz、60 kHz(60 W, 10 m/min），對應(yīng)的光斑重疊率分別為98.80%、98.60%、98.10%。根據(jù)仿真結(jié)果可知，光斑重疊率對鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型質(zhì)量具有很大影響。在化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型過程中，當(dāng)激光光斑重疊率下降時，由于作用于材料表面的有效脈沖數(shù)目隨之減少，因此直接影響到刻型寬度及深度。但是，隨著光斑重疊率的增大，相鄰脈沖之間的距離減小，單位區(qū)域內(nèi)所積累的熱量也越多，導(dǎo)致熱影響區(qū)的擴(kuò)大[22]。為了獲得更好的刻型質(zhì)量，需要通過合理調(diào)節(jié)激光的重復(fù)頻率和掃描速度來控制光斑的重疊率，避免加工區(qū)域邊緣及側(cè)壁出現(xiàn)鋸齒狀形貌。

圖5 不同重復(fù)頻率對刻型形貌造成的影響，刻蝕時間，重復(fù)頻率分別為：(a1) 1 ms, 100 kHz; (a2) 3 ms,100 kHz;(a3) 5 ms,100 kHz; (b1) 1 ms, 80 kHz; (b2) 3 ms, 80 kHz; (b3) 5 ms, 80 kHz; (c1) 1ms, 60 kHz; (c2) 3 ms, 60 kHz;(c3) 5 ms, 60 kHzFig.5 Influence of different repetition rates on stereotyped morphology, etching time and repetition frequency are respectively:(a1) 1 ms, 100 kHz; (a2) 3 ms,100 kHz; (a3) 5 ms,100 kHz; (b1) 1 ms, 80 kHz; (b2) 3 ms, 80 kHz; (b3) 5 ms, 80 kHz;(c1) 1ms, 60 kHz; (c2) 3 ms, 60 kHz; (c3) 5 ms, 60 kHz

2.5 激光功率對刻型形貌的影響

在化銑保護(hù)膠的脈沖激光加工中，保護(hù)膠層吸收激光能量，最終通過裂解并氣化完成刻型的效果。當(dāng)使用的激光功率過低時，保護(hù)膠層不能被完全切透。較高的重復(fù)頻率和激光功率有利于提高加工效率，但當(dāng)激光功率過高時，保護(hù)膠層表面的熱積累會越來越顯著。這種熱效應(yīng)在激光刻型中是不利的，直接造成加工精度和加工表面質(zhì)量的下降，導(dǎo)致保護(hù)膠層切縫邊緣燒焦。圖6為不同功率對刻型形貌造成的影響，激光功率分別為70 W、60 W、50 W (100 kHz, 10 m/min)。可以看出，隨著激光功率的增大，保護(hù)膠表面單位面積所吸收的激光能量隨之增加，刻型寬度及深度也隨之增加。但是與此同時，保護(hù)膠表面熱影響區(qū)面積也在不斷擴(kuò)大。

圖6 不同功率對刻型形貌造成的影響，刻蝕時間，激光功率分別為：(a1) 1 ms, 70 W; (a2) 3 ms,70 W; (a3) 5 ms,70 W;(b1) 1 ms, 60 W; (b2) 3 ms, 60 W; (b3) 5 ms, 60 W; (c1) 1ms, 50 W; (c2) 3 ms, 50 W; (c3) 5 ms, 50 WFig.6 Influence of different powers on the morphology of the engraving , etching time and laser power are respectively:(a1) 1 ms, 70 W; (a2) 3 ms,70 W; (a3) 5 ms,70 W; (b1) 1 ms, 60 W; (b2) 3 ms, 60 W; (b3) 5 ms, 60 W; (c1) 1ms, 50 W;(c2) 3 ms, 50 W; (c3) 5 ms, 50 W

2.6 掃描速度對刻型形貌的影響

在激光功率、重復(fù)頻率及入射角度相同的前提下，激光刻型時的掃描速度直接影響掃描軌跡單位長度范圍內(nèi)保護(hù)膠所吸收能量的多少。圖7為不同掃描速度對刻型形貌造成的影響，激光掃描速度分別為12 m/min、10 m/min、8 m/min (60 W,10 m/min)，對應(yīng)的光斑重疊率分別為98.60%、98.90%、99.10%。當(dāng)使用的激光掃描速度過高時，保護(hù)膠層不能被完全切透。隨著激光掃描速度的減小，掃描軌跡單位長度范圍內(nèi)保護(hù)膠所吸收的激光能量增多，刻型寬度及深度尺寸隨之增大。但是，值得注意的是較慢掃描速度帶來較大材料去除量的同時，也導(dǎo)致切縫的熱影響區(qū)范圍較大，同樣會造成加工精度和加工表面質(zhì)量的下降，導(dǎo)致保護(hù)膠層切縫邊緣燒焦。

圖7 不同掃描速度對刻型形貌造成的影響，刻蝕時間，掃描速度分別為：(a1) 1 ms, 12 m/min; (a2) 3 ms,12 m/min;(a3) 5 ms,12 m/min; (b1) 1 ms, 10 m/min; (b2) 3 ms, 10 m/min; (b3) 5 ms, 10 m/min; (c1) 1ms, 8 m/min;(c2) 3 ms, 8 m/min; (c3) 5 ms, 8 m/minFig.7 Influence of different scanning speeds on engraved morphology, etching time and scan speed are respectively:(a1) 1 ms, 12 m/min; (a2) 3 ms,12 m/min; (a3) 5 ms,12 m/min; (b1) 1 ms, 10 m/min; (b2) 3 ms, 10 m/min;(b3) 5 ms, 10 m/min; (c1) 1ms, 8 m/min; (c2) 3 ms, 8 m/min; (c3) 5 ms, 8 m/min

2.7 刻型形貌演變規(guī)律

從以上仿真結(jié)果可以看到，重復(fù)頻率、入射角度、激光功率以及掃描速度等參數(shù)共同決定著鋁合金化銑保護(hù)膠刻型工藝中的加工形貌，與之相對應(yīng)的刻型尺寸演變規(guī)律如圖8 所示。圖8(a)為鋁合金化銑保護(hù)膠切縫尺寸隨激光功率的變化曲線。提高激光功率可以使材料表面的熱積累作用顯著增強(qiáng)，隨著激光功率的升高，保護(hù)膠刻型寬度及深度尺寸明顯增加，較高的激光功率有利于提高加工效率。圖8(b)為鋁合金化銑保護(hù)膠切縫尺寸隨激光掃描速度的變化曲線。激光刻型時的掃描速度直接影響掃描軌跡單位長度范圍內(nèi)保護(hù)膠所吸收能量的多少。隨著激光掃描速度的增加，掃描軌跡單位長度范圍內(nèi)保護(hù)膠所吸收的激光能量減弱，刻型寬度及深度尺寸隨之減小。圖8(c)為鋁合金化銑保護(hù)膠切縫尺寸隨激光入射角度的變化曲線。當(dāng)激光光束相對于材料表面的入射角度分由90°逐漸減小，激光光斑能量由高斯分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡p橢球分布?？绦颓锌p的寬度基本維持不變，但是深度隨之減小。圖8(d)為鋁合金化銑保護(hù)膠切縫尺寸隨激光重復(fù)頻率的變化曲線。在化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型過程中，當(dāng)激光重復(fù)頻率增大時，作用于保護(hù)膠表面的有效脈沖數(shù)目增多，因此，刻形槽深隨之增大，刻型切縫的寬度基本沒有變化。

圖8 不同參數(shù)下刻型尺寸演變規(guī)律：(a) 激光功率；(b) 掃描速度；(c) 入射角度；(d) 重復(fù)頻率Fig.8 Evolution of engraved size under different parameters:(a) laser power; (b) scan speed; (c) incidence angle; (d) repetition frequency

3 結(jié)論

本文針對鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型工藝展開了計算仿真研究，改變的主要參數(shù)包括激光功率、重復(fù)頻率、入射角度以及掃描速度，直觀地展示了化銑保護(hù)膠在激光輻照作用下加工形貌演變規(guī)律及其對應(yīng)溫度場分布。通過分析鋁合金化銑保護(hù)膠脈沖激光刻型的仿真結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

(1) 過高的光斑重疊率會引起單位面積內(nèi)熱量積累嚴(yán)重，從而導(dǎo)致刻型區(qū)域出現(xiàn)明顯的熱影響區(qū)。過低的光斑重疊率使材料表面接受的激光能量不均，導(dǎo)致加工區(qū)域邊緣及側(cè)壁呈現(xiàn)出鋸齒狀。

(2) 保護(hù)膠表面原始的表面粗糙度對激光刻型效果有顯著影響，表面凸起或者凹陷的位置保護(hù)膠厚度不同，同時由于凸起或者凹陷導(dǎo)致材料對激光能量的不均勻吸收，從而造成保護(hù)膠刻型深度不一致。

(3) 重復(fù)頻率、入射角度、激光功率以及掃描速度等參數(shù)共同決定著鋁合金化銑保護(hù)膠刻型工藝中的加工形貌。通過控制激光光束相對于材料的入射角度調(diào)整刻型切縫的垂直度。脈沖激光的重復(fù)頻率、功率以及掃描速度則直接影響刻型寬度及深度。