基于激光束全反射的激光與電解復(fù)合小孔加工技術(shù)研究

王玉峰，楊 峰，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 315201 ）

深小孔是一種廣泛應(yīng)用于航空航天、 精密機(jī)械、生物醫(yī)療等領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。 隨著系統(tǒng)與零部件性能的提高及服役條件的極端化，對深小孔的加工精度、 深度和表面質(zhì)量等提出了嚴(yán)格的設(shè)計要求，這對當(dāng)前深小孔的精密制造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

深小孔的制造方法主要有機(jī)械鉆、 電火花、電解、激光等，每種加工技術(shù)都有其優(yōu)勢與局限性。 基于熱效應(yīng)的加工技術(shù)，如電火花、激光、電子束等制造方式，易導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生熱影響層、再鑄層或微裂紋等缺陷，影響深小孔后續(xù)工作的可靠性與穩(wěn)定性[1]。 以電液束流為代表的電解加工技術(shù)在加工表面質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢，但其加工效率遠(yuǎn)低于其他加工方式，且加工精度較低。 以電解與電火花、激光與電解、超聲與電火花、電解磨削等為代表的復(fù)合加工技術(shù)， 綜合利用各種加工技術(shù)的優(yōu)勢，有望解決高表面質(zhì)量深小孔的高效制造難題中，是目前國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[2]。 其中，激光與電解復(fù)合加工技術(shù)（laser and electrochemical machining，LECM）綜合了激光加工效率高、精度高、電解加工表面完整性好的優(yōu)勢，有望在工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[3]。

Gutfeld 等[4]研究了KOH 溶液和鹽溶液中激光輻射對化學(xué)刻蝕的影響，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)刻蝕效率與激光能量正相關(guān)。 Tsao 等[5]研究了激光去除鈍化層以提高化學(xué)刻蝕定域性的機(jī)理， 實現(xiàn)了寬度2 μm 的微槽加工。Lescuras 等[6]研究了激光輔助電解加工效率和精度隨電流密度、噴口直徑的變化規(guī)律，研究表明激光的引入有利于提高電解加工的精度，且加工側(cè)面更加陡直。 Desilva 等[7-10]對激光電解復(fù)合加工方式進(jìn)行了系統(tǒng)研究，利用直徑0.1～0.3 mm 側(cè)面絕緣金屬噴口作為陰極對工件進(jìn)行加工，闡明了激光輔助提高電解加工定域性與效率的原理，并研究了不同參數(shù)對加工精度與效率的影響， 發(fā)現(xiàn)利用LECM 技術(shù)加工鋁合金和不銹鋼工件時加工效率和精度比電解加工分別提高54%和78%，加工結(jié)構(gòu)錐角可減小65%。 Zhang 等[11]研究了激光在中性鹽溶液中的傳輸特性，建立了射流激光電解加工數(shù)學(xué)模型，利用直徑0.5 mm 噴口和壓強(qiáng)0.5 MPa 的電解液射流， 在0.5 mm 厚的不銹鋼工件上加工出了直徑500 μm 的通孔， 加工表面的再鑄層比單純的激光加工減少了90%。 龍芋宏[12]對激光電化學(xué)刻蝕進(jìn)行了研究，在0.43 mm 厚的硅片上加工微小孔，結(jié)果表明低濃度電解液有利于提高材料去除效率。 張朝陽等[13]研究了激光熱力沖擊和氣泡折射對脈沖LECM 定域性的影響機(jī)制， 探討了不同加工參數(shù)對熱影響區(qū)和電化學(xué)雜散腐蝕的影響， 實現(xiàn)了高精度、高表面質(zhì)量微三維結(jié)構(gòu)的加工。

目前，LECM 還存在激光難以高效率介入大深度加工區(qū)域、復(fù)合加工深度能力不足、加工精度一致性差等問題。 激光束一般直接聚焦于工件加工區(qū)域，加工精度受激光焦點(diǎn)位置影響大，加工錐度較大；隨著加工深度的增加，加工產(chǎn)物排出困難，激光能量損耗系數(shù)增大，復(fù)合加工效應(yīng)大幅減小。 本課題提出了基于激光束內(nèi)全反射耦合的LECM 技術(shù)，利用管電極電解加工 （shaped tube electrochemical machining，STEM）中管電極可深入材料內(nèi)部進(jìn)行加工的優(yōu)勢，激光束隨復(fù)合型管電極的進(jìn)給同步介入加工區(qū)域，實現(xiàn)加工區(qū)激光與電化學(xué)能量場的高效可控耦合，從而實現(xiàn)大深度激光介入加工，并將該技術(shù)稱為激光與管電極電解復(fù)合加工技術(shù) （Laser-STEM）。 本文對 Laser-STEM 的材料去除機(jī)理、激光傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行了研究，建立了加工試驗裝置并對加工結(jié)果進(jìn)行檢測， 證明了Laser-STEM 工藝的可行性與先進(jìn)性。

1 Laser-STEM 的加工機(jī)理

圖1 是Laser-STEM 加工機(jī)理圖， 采用中空金屬管作為工具電極，其中金屬管內(nèi)壁附著一層低折射率的含氟聚合物約束層。 電解液以一定壓力由金屬管內(nèi)孔流向端面加工區(qū)域，從側(cè)面間隙流出。 由于約束層的折射率小于電解液，當(dāng)激光由電解液以一定入射角射向含氟聚合物約束層時，激光束在電解液與約束層的界面發(fā)生全反射，進(jìn)而高效率傳輸至管電極端部加工區(qū)域。

圖1 激光與管電極電解復(fù)合加工機(jī)理圖

Laser-STEM 采用特殊的復(fù)合型工具電極進(jìn)行加工，工作電極由中間金屬毛細(xì)管層、金屬管內(nèi)壁低折射率含氟聚合物約束層和金屬管外壁絕緣層組成。 由于約束層的折射率（約1.29）小于電解液的折射率（約1.35），激光束會在射向約束層時在界面發(fā)生全反射，無法穿透約束層與電解液界面而被約束于復(fù)合型工具電極內(nèi)孔范圍內(nèi)傳導(dǎo)，從而使激光能量高效率傳導(dǎo)至復(fù)合型管電極端部正對復(fù)合加工區(qū)域。

在Laser-STEM 加工過程中， 復(fù)合型管電極的金屬毛細(xì)管和工件分別與高頻脈沖電源的負(fù)極和正極連接。 在端面加工間隙中實現(xiàn)了激光與電化學(xué)能量場的耦合，工件材料在陽極電化學(xué)溶解、激光-材料相互作用及其耦合效應(yīng)的綜合作用下被去除，以實現(xiàn)無再鑄層、微裂紋的小孔加工。 隨著管電極向工件內(nèi)部進(jìn)給，激光能量可同步介入工件材料內(nèi)部。 由于激光熱效應(yīng)產(chǎn)生的溫升有利于提高加工區(qū)域電解液溫度，因此也可提高加工區(qū)域電解刻蝕去除速率。

當(dāng)作用于工件加工區(qū)域的激光能量密度高于一定閾值時，激光可直接高效去除加工區(qū)域中心的材料，提高加工效率。 此外，加工區(qū)域溫度梯度會產(chǎn)生電解液微區(qū)攪拌效應(yīng)，有利于促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)界面的傳質(zhì)效應(yīng)，提高電化學(xué)反應(yīng)的電流密度，從而提高電解加工效率。 復(fù)合型管電極內(nèi)孔中的電解液的高速沖刷作用有利于快速去除加工間隙中產(chǎn)生的熱量、氣泡和其他加工產(chǎn)物，可確保激光高效傳輸至加工區(qū)域，保證加工的穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)行。 綜上分析，Laser-STEM 有望實現(xiàn)深小孔的高效、 高表面質(zhì)量加工。

2 激光與管電極耦合機(jī)理研究

2.1 基于幾何光學(xué)理論計算

圖2 是激光與管電極電解復(fù)合加工中激光束傳導(dǎo)示意。 激光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦于管電極入口中心位置，通過同軸CCD 視覺系統(tǒng)實時監(jiān)測激光焦點(diǎn)和管電極入口的相對位置，并通過多自由度光學(xué)位移平臺實現(xiàn)對激光焦點(diǎn)和管電極入口位置的控制。

圖2 LECM 中激光束的傳輸

質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaCl 電解液折射率為1.351，而本文采用的低折射率約束層的折射率約為1.29，由上述分析可知激光與液核光纖耦合角臨界值θc=arcsin（1.29/1.351）=72.72°，即激光在液核光纖端部的最大入射角應(yīng)小于17.28°。如圖2 所示，當(dāng)選用特定的聚焦透鏡進(jìn)行激光光束與液核光纖耦合時，激光束入射角θa可表示為：

根據(jù)斯涅耳定律，激光束的實際耦合角2θe、聚焦透鏡至玻璃窗口上表面的距離ha， 可分別表示為：

式中：d 為激光束直徑；f 為聚焦透鏡焦距；fb為聚焦透鏡后截距；θg為窗口片折射角；θe為電解液入射角；na為空氣的折射率；ng為窗口片的折射率；ne為電解液的折射率；hg為窗口片厚度；he為電解液的高度。

當(dāng)激光光束直徑為6 mm， 石英玻璃窗口片厚度為1 mm， 管電極上端面和石英玻璃窗口片表面的距離為 18 mm 時，2θe、ha在不同聚焦透鏡條件下的理論值見表1。

表1 不同焦距時耦合角和透鏡與窗口間的距離

2.2 光學(xué)仿真分析

為驗證激光束的全反射傳導(dǎo)特性，采用光學(xué)仿真軟件分析Laser-STEM 中激光束在復(fù)合型管電極內(nèi)孔中的傳導(dǎo)特性及管電極出口端面的激光能量分布規(guī)律，得到的結(jié)果見圖3。當(dāng)采用焦距為75 mm的聚焦透鏡時，激光束可在管電極內(nèi)壁含氟聚合物與電解液界面形成全反射，激光束被約束在液核光纖內(nèi)傳輸至端面加工間隙；同時，由激光強(qiáng)度探測分析可知，激光能量在端面正對中心加工區(qū)域能量密度較大，外圍激光強(qiáng)度相對較小。

2.3 激光傳輸能量損耗試驗研究

電解液主要由離子、水分子和其他懸浮顆粒組成，激光光束在電解液中的傳輸能量損耗包括溶液對激光能量的吸收、溶液中粒子對激光光束的散射效應(yīng)。 假設(shè)激光損耗系數(shù)為μ（λ），則當(dāng)激光在液核光纖中的傳輸距離為x 時，激光能量Ix（λ）可表示為：

式中：I0（λ）為激光入射能量。

激光損耗系數(shù)為μ（λ）為吸收系數(shù)α（λ）和散射系數(shù) β（λ）之和，即：

試驗研究了激光損耗系數(shù)與電解液濃度、激光能量之間的關(guān)系，其測量方法及裝置見圖4，通過光學(xué)窗口片，使用功率計測量耦合功率。 圖5 是激光損耗系數(shù)隨電解液濃度和激光能量的變化曲線，可見，激光損耗系數(shù)隨著電解液濃度和激光能量的增大而增大，這是由于電解液濃度的提高，離子數(shù)量增加，導(dǎo)致激光散射能量損耗增大。

圖3 激光束的全反射傳輸和能量分布特性

圖4 激光損耗系數(shù)的測量方法及裝置

3 Laser-STEM 試驗結(jié)果與討論

3.1 Laser-STEM 試驗裝置

圖5 激光損耗系數(shù)隨電解液濃度和激光能量的變化

圖6 是本文設(shè)計的Laser-STEM 試驗裝置，主要包括激光器、激光束傳導(dǎo)系統(tǒng)、三維精密運(yùn)動系統(tǒng)、激光與管電極耦合單元及位置調(diào)節(jié)裝置、電解液輸運(yùn)及處理系統(tǒng)、 高頻直流脈沖電源、CCD 視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。 光源采用波長532 nm 的納秒激光器， 以減小激光能量在電解液傳導(dǎo)過程中的損耗，提高激光能量利用率。 激光束通過激光束傳導(dǎo)系統(tǒng)和聚焦透鏡聚焦于管電極入口中心區(qū)域，進(jìn)而在復(fù)合型管電極內(nèi)孔中以全反射形式傳導(dǎo)至加工區(qū)域，通過三維精密運(yùn)動系統(tǒng)控制工件的運(yùn)行軌跡和速率， 實現(xiàn)管電極相對于工件表面的軸向進(jìn)給，從而實現(xiàn)深小孔的激光與電解復(fù)合加工。

圖6 Laser-STEM 試驗裝置

3.2 Laser-STEM 試驗驗證

為驗證Laser-STEM 的材料去除機(jī)理和可行性，采用不同參數(shù)進(jìn)行了小孔加工試驗研究，加工工件為厚度2 mm 的7075 鋁合金板材， 試驗條件為：激光功率19 W、電解液壓力0.4 MPa、工件進(jìn)給速率0.6 mm/min，其他試驗參數(shù)見表2。

表2 LECM 試驗參數(shù)

圖7 是工件向管電極進(jìn)給0.2 mm 時的加工結(jié)果。 分析表明，加工區(qū)域邊緣部分被電解加工去除，而中間區(qū)域在激光與電化學(xué)綜合作用下被高效去除， 產(chǎn)生深度約0.8 mm 的微坑結(jié)構(gòu)。 因此，Laser-STEM 加工可使端面間隙中的材料在激光加工、電解加工及相互耦合作用下被高效去除，保證了加工的高效率；而邊緣部分主要由電解加工去除，保證了加工的高表面質(zhì)量和低損傷。

圖7 LECM 加工結(jié)果

3.3 Laser-STEM 與電解加工對比試驗

圖8 是Laser-STEM 材料去除速率和加工間隙隨激光功率的變化曲線。 由圖可見，隨著激光功率的提高，Laser-STEM 材料去除速率逐漸增大， 這是由于隨著激光功率的增大，激光直接去除材料體積增大，且激光的溫升效應(yīng)增大，從而使得材料去除速率增大；此外，隨著激光功率的提高，Laser-STEM的側(cè)面加工間隙呈逐漸減小的趨勢，從而提高了加工精度。

由法拉第定律可知，電解加工的材料去除速率與加工脈沖電壓密切相關(guān)，本文研究了加工電壓對Laser-STEM 去除速率和側(cè)面加工間隙的影響規(guī)律。選取脈沖電壓的頻率為10 kHz， 占空比為50%，液核光纖出口端面激光功率為20 W。 由圖9 可見，隨著加工電壓增大，激光與管電極電解復(fù)合加工材料去除速率增大，但是加工間隙也隨之增大，導(dǎo)致加工精度降低。

圖8 激光功率對Laser-STEM 性能的影響

圖9 加工電壓對Laser-STEM 性能的影響

圖10 是電解加工和Laser-STEM 加工小孔的對比，孔深均為2 mm，可見Laser-STEM 加工的小孔比電解加工的精度更高、質(zhì)量更好。

圖10 Laser-STEM 與電解加工的小孔對比

圖11 是采用激光功率20 W、 加工電壓18 V、電壓脈沖頻率10 kHz、占空比50%、工件進(jìn)給速率1.25 mm/min， 在厚度為5 mm 工件上加工直徑為1.2 mm 的小孔， 所得孔的入口直徑為1.45 mm，出口直徑為1.25 mm，復(fù)合型管電極內(nèi)徑為0.25 mm，外徑為0.53 mm。 利用SEM 掃描電子顯微鏡對加工小孔表面的質(zhì)量進(jìn)行了檢測和分析，加工表面無再鑄層和熱影響區(qū)。

圖11 Laser-STEM 加工深度5 mm 小孔

4 結(jié)束語

采用光學(xué)仿真分析和理論計算對激光與復(fù)合型管電極的耦合機(jī)制進(jìn)行了研究，揭示了管電極正對加工區(qū)域的激光能量密度空間分布特性，基于建立的Laser-STEM 加工試驗平臺， 初步進(jìn)行了激光復(fù)合加工試驗研究，并探討了激光功率和加工電壓對材料去除速率與加工精度的影響規(guī)律。 研究表明， 隨著激光功率提高，Laser-STEM 加工材料去除速率增大，側(cè)面加工間隙呈減小趨勢，加工精度提高；隨著加工電壓增大，材料去除速率增大，但加工間隙也增大，導(dǎo)致加工精度降低。 基于理論和試驗規(guī)律研究， 利用Laser-STEM 技術(shù)實現(xiàn)深度5 mm、直徑1.2 mm 的小孔高效加工， 加工表面無再鑄層和熱影響區(qū)， 初步證明了Laser-STEM 技術(shù)的可行性和先進(jìn)性。