激光工藝參數(shù)對(duì)鋁合金燒蝕特征尺寸的影響研究

梁民，徐濤，王夢(mèng)華，李曉明

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068）

0 引言

在日常生產(chǎn)中，為了保證后續(xù)的可追溯性，經(jīng)常在產(chǎn)品表面進(jìn)行標(biāo)記[1]，目前標(biāo)記的方法主要集中于人工標(biāo)記、噴墨標(biāo)記、氣動(dòng)沖打標(biāo)記、電腦刻字標(biāo)記與激光標(biāo)記等[2-4]。激光標(biāo)記技術(shù)與其他標(biāo)記方法相比，具有污染小、標(biāo)記成型速度快、質(zhì)量高、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，隨著激光技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)一步完善，其在軍事、醫(yī)學(xué)、通信、顯示技術(shù)等諸多領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，而激光標(biāo)記中激光與物質(zhì)之間的相互作用機(jī)理包含多個(gè)學(xué)科，激光燒蝕基材深度的機(jī)理在于激光作用在基材上，通過(guò)高能量密度的激光束將基材表面汽化、融化甚至電離，激光-材料相互作用引起的基材深度變化[5-7]，前人已經(jīng)做了大量的研究，F(xiàn)ox等[8]通過(guò)觀察質(zhì)量損失分析了激光燒蝕作用下的層裂現(xiàn)象；Pomeala等[9]對(duì)激光燒蝕鋁合金基材進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，獲得了部分激光工藝參數(shù)對(duì)鋁合金基材表面燒蝕深度的影響規(guī)律；張朋波等[10]進(jìn)行了納秒激光燒蝕鋁合金基材的二維數(shù)值仿真，計(jì)算得出了不同脈沖寬度時(shí)光斑大小對(duì)鋁合金基材溫度和燒蝕特征尺寸的影響規(guī)律；紀(jì)利平等[11]使用COMSOL軟件研究了激光半徑、能量和燒蝕深度與燒蝕面積之間的關(guān)系；金方圓等[12]研究了激光刻蝕材料融化過(guò)程，采用有限元方法與試驗(yàn)分析不同功率對(duì)硅膜的深度關(guān)系；Chan等[13]提出考慮相變機(jī)理的一維穩(wěn)態(tài)模型；目前本所內(nèi)產(chǎn)品材料大部分選擇鋁合金，然而激光燒蝕鋁合金基材的工藝參數(shù)選擇不合理，會(huì)使得激光燒蝕后刻蝕深度過(guò)淺最終導(dǎo)致在后續(xù)噴漆、多次轉(zhuǎn)運(yùn)后標(biāo)記不清晰、模糊的問(wèn)題。

因此本文通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究激光燒蝕鋁合金基材的工藝參數(shù)對(duì)燒蝕深度的影響，旨在提供一種滿(mǎn)足產(chǎn)品標(biāo)刻深度要求的激光工藝參數(shù)。

1 激光燒蝕鋁合金基材數(shù)值模擬

激光燒蝕鋁合金基材原理如圖1所示，當(dāng)強(qiáng)激光燒蝕鋁合金基材表面時(shí)，表面吸收能量后迅速升溫，發(fā)生熔化其至汽化反應(yīng)，由于產(chǎn)生的汽化蒸汽壓力遠(yuǎn)大于空氣中的壓力，當(dāng)激光的強(qiáng)度進(jìn)一步加大時(shí)，可使鋁原子形成等離子體，從而產(chǎn)生相爆炸[13-14]。

圖1 激光燒蝕鋁合金基材原理圖

激光燒蝕特征在鋁合金基材的激光能量隨時(shí)間和空間變化的表達(dá)式為

式中：R 為激光入射的損耗系數(shù)，μcff為基材對(duì)激光能量的吸收系數(shù)，F(xiàn)為激光入射時(shí)的能量密度，τ為激光的脈沖寬度，ρ為基材的密度。

激光隨著空間與時(shí)間分布的規(guī)律為：

采用二維熱傳導(dǎo)方程描述在激光輻射作用下鋁基材的熱量傳遞，其表達(dá)式為

初始條件為：

邊界條件為

式中：ρ為基材的密度，c為基材的比熱容，T為溫度，K為基材的熱導(dǎo)率，Q為激光燒蝕過(guò)程中的加載熱源。

激光燒蝕鋁合金基材反應(yīng)過(guò)程較為復(fù)雜，為了方便模擬，對(duì)燒蝕過(guò)程進(jìn)行以下假設(shè)：

1）燒蝕過(guò)程中鋁合金基材的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等參數(shù)不隨激光燒蝕過(guò)程中溫度變化；

2）燒蝕過(guò)程中鋁合金基材對(duì)激光的吸收系數(shù)保持不變，可以采用常數(shù)替代；

3）燒蝕過(guò)程中只考慮鋁合金的熔化過(guò)程，不考慮汽化過(guò)程；

4）燒蝕過(guò)程中激光入射時(shí)為平行光，忽略激光束角度。

根據(jù)以上假設(shè)，采用COMSOL軟件中二維固體傳熱模塊模擬激光燒蝕過(guò)程，燒蝕過(guò)程中平行的激光光束從垂直于基材長(zhǎng)度方向入射進(jìn)來(lái)，激光光束半徑為r，單位為mm，鋁基材厚度d為1 mm，計(jì)算域初始溫度為300 K，計(jì)算時(shí)忽略重力對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響。激光光強(qiáng)采用狄利克雷邊界條件，表1為鋁合金基材的基本物理參數(shù)。

表1 鋁合金基材的基本物性參數(shù)

簡(jiǎn)化后激光燒蝕模型圖如圖2所示，激光燒蝕采用高能量密度的激光束對(duì)目標(biāo)作用，使目標(biāo)表面發(fā)生物理或化學(xué)變化，造成材料迅速汽化，形成激光燒蝕區(qū)。

圖2 簡(jiǎn)化后激光燒蝕鋁合金基材原理圖

1.1 激光功率對(duì)燒蝕特征的影響

激光功率影響激光作用在鋁合金基材上的總輸入能量，從而影響鋁合金基材的燒蝕特征尺寸，因此本文中選擇激光頻率為20 kHz，脈沖寬度為500 ns，激光功率為40、60、80、90及100 W的激光燒蝕工藝參數(shù)，研究激光功率對(duì)鋁合金基材燒蝕特征尺寸的影響規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)激光功率為40 W時(shí)，激光燒蝕深度為70 μm，燒蝕最大寬度為400 μm，當(dāng)激光功率增加至100 kW時(shí)，鋁合金燒蝕深度達(dá)到170 μm，燒蝕最大寬度為800 μm，從圖中可以看出，隨著激光功率增大，激光燒蝕鋁合金基材的深度與寬度增大，產(chǎn)生這種結(jié)果的原因在于激光功率與激光作用于鋁合金基材上的總輸入能量成正比，激光功率增大，作用在鋁合金基材表面的總能量增加，造成鋁合金基材表面被汽化的部分增加，其最終使得鋁合金基材燒蝕特征尺寸增加。

圖3 激光功率對(duì)燒蝕特征的影響結(jié)果圖

1.2 激光脈沖寬度對(duì)燒蝕特征的影響

激光脈沖寬度同樣是影響鋁合金被燒蝕特征尺寸的關(guān)鍵參數(shù)之一，因此本文研究了激光脈沖寬度為100、200、300、400及500 ns時(shí)對(duì)鋁合金燒蝕特征的影響，其他參數(shù)如1.1節(jié)內(nèi)容所述，激光脈沖寬度對(duì)鋁合金燒蝕特征尺寸的結(jié)果如圖4所示。

圖4 激光脈沖寬度對(duì)燒蝕特征的影響結(jié)果圖

由圖4可知，當(dāng)激光脈沖寬度為100 ns時(shí)，燒蝕深度為12 μm，燒蝕寬度為120 μm，當(dāng)激光脈沖寬度為500 ns時(shí)，燒蝕深度為136 μm，燒蝕寬度為500 μm，隨著激光脈沖寬度增加，鋁合金基材被燒蝕深度與寬度增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于激光脈沖周期相同，激光脈沖寬度增加，單周期內(nèi)激光持續(xù)作用在基材上的時(shí)間增加，使得激光作用于鋁合金基材表面的總輸入能量增加，最終導(dǎo)致鋁合金基材被燒蝕特征尺寸增加。

1.3 激光脈沖頻率對(duì)燒蝕特征的影響

為了探究激光脈沖頻率對(duì)鋁合金基材燒蝕特征的影響，本文研究了脈沖頻率為20、30、40、60及80 kHz時(shí)對(duì)鋁合金燒蝕特征的影響，其他參數(shù)同1.1節(jié)，激光脈沖頻率對(duì)鋁合金基材燒蝕特征尺寸的結(jié)果如圖5所示。

圖5 激光脈沖頻率對(duì)燒蝕特征的影響結(jié)果圖

由圖5可知，當(dāng)激光脈沖頻率為20 kHz時(shí)，鋁合金燒蝕深度為159 μm，燒蝕寬度為579 μm，當(dāng)激光脈沖頻率為80 kHz時(shí)，鋁合金燒蝕深度為320 μm，燒蝕寬度為990 μm，隨著激光脈沖頻率增加，鋁合金基材燒蝕的深度與寬度增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于激光頻率增加，單位時(shí)間內(nèi)作用于鋁合金基材的脈沖次數(shù)增加，使得單位時(shí)間作用于鋁合金基材表面的總能量增加，最終導(dǎo)致鋁合金基材被燒蝕的特征尺寸增加。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬中激光工藝參數(shù)對(duì)鋁合金基材燒蝕特征影響規(guī)律的正確性，采用現(xiàn)有的激光打標(biāo)機(jī)（購(gòu)自大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，型號(hào)為HM50）對(duì)鋁合金基材表面進(jìn)行燒蝕，所購(gòu)買(mǎi)的激光打標(biāo)機(jī)主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及工作臺(tái)系統(tǒng)4部分組成。

1）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換接口電路以及打標(biāo)控制軟件。D/A轉(zhuǎn)換接口電路將計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)部件按照打標(biāo)控制軟件所設(shè)定的相關(guān)參數(shù)動(dòng)作，發(fā)出脈沖激光，從而將標(biāo)記內(nèi)容燒蝕到基材表面。

2）光學(xué)系統(tǒng)主要由激光器擴(kuò)束器、振鏡掃描系統(tǒng)和聚焦透鏡等部件組成。激光器輸出的激光束照射在振鏡掃描系統(tǒng)的反射鏡上，反射鏡片的偏轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)激光束在基材不同加工位置形成指定圖形或文字。

3）冷卻系統(tǒng)主要采用簡(jiǎn)單的風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，保障光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

4）工作臺(tái)系統(tǒng)主要由XYZ軸伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成。

在進(jìn)行激光燒蝕鋁合金實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)，激光打標(biāo)機(jī)中可以改變的工藝參數(shù)選擇與數(shù)值模擬中相同的激光功率、激光脈沖寬度及激光脈沖頻率。

在進(jìn)行激光燒蝕鋁合金基材之前，需要對(duì)鋁合金基材表面進(jìn)行清洗，清洗方法采用超聲波清洗30 min，然后將鋁合金表面用酒精擦拭干凈，放入烘箱中烘干表面殘留液體，隨后采用激光打標(biāo)機(jī)對(duì)鋁合金表面進(jìn)行燒蝕。

2.1 激光功率對(duì)燒蝕特征的影響

為了驗(yàn)證激光功率對(duì)燒蝕特征的影響規(guī)律，選擇激光頻率為20 kHz，脈沖寬度為500 ns，激光功率為40、60、80、90、100 kHz的工藝參數(shù)對(duì)鋁合金基材進(jìn)行燒蝕，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著激光功率的增加，鋁合金基材燒蝕的深度與寬度均增加，當(dāng)脈沖寬度為100 W時(shí)，燒蝕深度與寬度較數(shù)值模擬結(jié)果都較小，這主要是由于數(shù)值模擬中假設(shè)了激光屬于平行光，總能量全部聚集在鋁合金基材表面，在實(shí)際工況中，激光束存在角度，在燒蝕過(guò)程中存在能量損失，但是結(jié)論趨勢(shì)與數(shù)值模擬吻合。

2.2 激光脈沖寬度對(duì)燒蝕特征的影響

為了驗(yàn)證激光脈沖寬度對(duì)燒蝕特征的影響規(guī)律，選擇激光功率60 W，激光脈沖頻率40 kHz，脈沖寬度100、200、300、400及500 ns時(shí)對(duì)鋁合金基材進(jìn)行燒蝕，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 激光脈沖寬度對(duì)燒蝕特征的驗(yàn)證結(jié)果圖

由圖7可知，激光脈沖寬度越寬，燒蝕產(chǎn)生的深度越深、寬度越寬。在與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相同的參數(shù)下，數(shù)值模擬結(jié)果產(chǎn)生的鋁合金基材燒蝕特征尺寸均大于試驗(yàn)研究。產(chǎn)生該種原因的解釋與2.2節(jié)解釋內(nèi)容相同。

2.3 激光脈沖頻率對(duì)燒蝕特征的影響

為了驗(yàn)證激光脈沖頻率對(duì)燒蝕特征的影響規(guī)律，選擇激光功率為80 W，激光脈沖頻率為20、30、40、60及80 kHz時(shí)對(duì)鋁合金基材進(jìn)行燒蝕，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 激光脈沖頻率對(duì)燒蝕特征的驗(yàn)證結(jié)果圖

由圖8可知，激光脈沖頻率越大，激光燒蝕鋁合金基材表面產(chǎn)生的深度越深、寬度越寬，該趨勢(shì)與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)應(yīng)，較好地驗(yàn)證了激光脈沖頻率對(duì)燒蝕特征尺寸的影響規(guī)律，在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，激光脈沖頻率與功率均過(guò)大時(shí)，容易在鋁合金基材表面形成不期望的燒蝕多余物，且難以去除。因此在進(jìn)行產(chǎn)品標(biāo)記時(shí)，為了減少其他的工作，應(yīng)選擇合適的激光頻率與激光功率。

3 結(jié)論

本文針對(duì)激光打標(biāo)機(jī)在進(jìn)行產(chǎn)品標(biāo)記過(guò)程中參數(shù)選擇不合理影響后續(xù)產(chǎn)品識(shí)別的問(wèn)題，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)探究對(duì)激光相關(guān)參數(shù)影響鋁合金基材燒蝕特征規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明：激光功率越大，激光燒蝕特征尺寸越大，激光脈沖頻率、激光脈沖寬度與激光燒蝕特征尺寸成正比，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，激光脈沖頻率與激光功率過(guò)大，容易在鋁合金基材表面產(chǎn)生多余的非期望多余物，因此在實(shí)際應(yīng)用中推薦選擇激光功率60 W、脈沖頻率40 kHz、脈沖寬度500 ns作為激光標(biāo)記參數(shù)。