本文的目的是为了发展一种革新的手段来通过稳态的磁场辅助的激光抛光技术来克服当前的瓶颈和获得光滑的表面。利用连续激光抛光表面达到0.2μm以下。

成果简介：

连续波（CW）激光被广泛地应用于激光抛光，但连续波激光，却很难将表面稳定的将表面初始粗糙度超过1.0μm的表面抛光到0.2μm以下。本文的目的是为了发展一种革新的手段来通过稳态的磁场辅助的激光抛光技术来克服当前的瓶颈和获得光滑的表面。两个实验来证实了假说：溶体在溶体的峰顶流向谷底时在激光抛光时会过流，从而造成二次粗糙，从而造成上述的质量瓶颈。为了要么减少或消除二次粗糙化，一个稳态的磁场用于CW激光抛光来抑制熔池的过流。采用三维表面轮廓仪、SEM和纳米压痕等表征和分析材料的显微组织和性能。实验结果表面由于稳态磁场所产生的洛伦兹力在一直溶体流动方面起到了重要的抑制作用，从而减少了二次粗糙化。

1.引言

激光抛光工具钢可以使用连续波（CW）激光抛光，也可以使用脉冲波激光来抛光。CW激光经常用来抛光光滑的表面。发表的文章中涉及到抛光工具钢的，表面粗糙度可以降低表面粗糙度的40—87%。如图1所示为脉冲式激光抛光工艺对粉末床制造的Co-Cr-Mo 合金进行抛光前后的对比图。

▲图1. 脉冲激光抛光前后的对比图：（没有进行抛光前为粉末床工艺制造的Co-Cr-Mo 合金）

在过去的10年里，采用CW激光抛光工具钢可以取得的成就，其最终的粗糙度很少有可以达到88%，但这一效果在采用CW激光抛光其他类型的金属和其他类型的激光抛光时均很容易实现。如Kumstel和Kirsch使用连续激光来抛光钛和镍基合金时，可以从初始的表面粗糙度Ra=1μm，对Ti6Al4V合金，抛光速度为7s/cm2时，粗糙度为0.16μm。而对In718高温合金的扫描速度为10 s/cm2的时候，可以达到的粗糙度为0.11μm。

▲图2. 连续（CW）激光进行抛光的机理示意图：（a）熔池的峰顶流向谷底；（b）CW激光抛光的机理

Bordatchev和Hafiz等人发现尽管可以采用连续激光来抛光获得较为光滑的表面，而在使用脉冲激光时可以使用更低的激光功率来操作而使得脉冲激光更具有吸引力，尤其是在抛光薄壁零件的时候更是如此。这就意味着在使用CW激光进行抛光时存在瓶颈，从而阻碍了连续激光抛光来获得更加光滑的表面，在本研究中，在使用CW激光抛光工具钢时，假设在熔池的峰顶流到谷底的实施过程中，由于强烈的表面延伸（这是由于马氏体形成增加造成的），造成二次粗糙。

▲图3. 激光抛光后的表面的3D形貌图：(a) 表面1和 (b) 表面2

除了对本领域的研究进行综述之外，当前工作的重点是以提出的革新方案的验证，CW激光抛光同时辅助所产生，作为溶体流动的驱动力，这一驱动的拉力则在抑制过流上起到非常重要的作用。

▲图4 在外加磁场的作用下激光抛光的示意图：(a)实验装置图；(b)磁场 ； (c)磁场的模拟结果

早期的研究已经探讨过熔池在激光熔化过程中，如激光焊接、激光熔覆时的激光熔化过程中的作用。Fritzsche等人的研究则表明，在电磁场的辅助下，熔池中产生的洛伦兹力会对抗重力，造成了对不规则下垂的成功抑制。Chen等人则发现洛伦兹力在X或Z方向的正向所产生时会影响焊接熔池边缘的溶体金属，弯曲了其流体的路径（它是一个长度方向的部件）。Qi和Chen则认为电磁力可以补偿熔池的不充分的表面张力，并且他们成功的用来防止了熔池根部的缺陷，如下垂和塌陷（激光焊接的材料为不锈钢）。Chen等人则发展了一个焊接熔池模型和洛伦兹力算法，并且他们认为自诱导的磁场的幅度和洛伦兹力可以达到0.1mT和1KN/m3，从而影响了熔池的行为。Wang等人则研究了稳态磁场对抑制熔池的影响（激光重熔），并且他们的实验结果表明由于稳态磁场所造成的洛伦兹力可以成为溶体流动时的拉力，从而显著的降低了溶体的流速。由此，表面波动起伏也由于稳态磁场而得到显著的压缩，从而可以通过激光再熔而实现表面光滑。

在本研究中，应用稳态磁场来抑制采用CW激光抛光时的熔池的过流和获得更加光滑的表面。

2. 研究结果

S136H工具钢进行了多道激光抛光实验。CW激光抛光时，在变化稳态磁场的强度时，对抛光后的形貌进行了研究。图5为在每一特定激光功率下抛光时的表面粗糙度。图6则为同一样品在不同的扫描速度下的研究结果。

▲图5. 在外加电磁场的作用下激光功率对激光抛光后的表面粗糙度的影响

当磁场强度从0增加到0.4T时，洛伦兹力在抑制造成的二次粗糙度的过流（体）上具有非常积极的作用。磁场的强度越大，激光抛光后的表面越光滑，图5和图6则表明当稳态磁场强度为0.4T时，同没有施加磁场时的激光抛光表面相比较，其表面粗糙度降低了约65%。然而，稳态磁场达到0.5T时则起到了负面的作用，这是因为额外的洛伦兹力不仅会阻碍溶体的过流，还会使得溶体的流动向相反的方向进行，由此造成了减少磁场的积极作用和使得粗糙度被重新建立起来。

▲图6. 在不同的外加辅助磁场的作用下不同扫描速度条件下得到的激光抛光表面

不施加磁场时，激光表面抛光后所得到的最小表面粗糙度为Ra=0.514μm，而施加稳态的磁场（B=0.4T）时得到的最小粗糙度为Ra=0.168μm，此时的激光功率为400 W，扫描速度为600 mm/s。在图5中的点D和图6中的点E指出了在没有施加外加辅助磁场的时候表面抛光后的最小粗糙度，而图6中的点F则为施加外加磁场后所得到的最小表面粗糙度值。抛光后的点D-F见图7。

▲图7. 在磁场辅助时CW激光抛光的实物图的表面图

图8（a）显示的为表面抛光前的初始状态，图8（b）则显示的为在没有施加外加磁场的时候所得到的表面抛光后的形貌。采用CW激光抛光S136H工具钢，在不同的搭接率条件下进行提高表面粗糙度，可以从Ra=1.873μm减少到粗糙度Ra=0.514μm。其减少值可以达到72.5%，这一数值比早期的最佳值88%要低。非常明显，CW激光在没有施加外加磁场辅助的时候并不能克服实现表面粗糙度的降低的瓶颈而达到Ra=0.2μm。图8（c）显示的为在外加磁场辅助下所得到的结果。自熔池中产生的洛伦兹力抑制了熔池的过流和将表面粗糙度值降低值为91%，并且非常明显，在外加辅助电场作用下的激光抛光可以克服质量瓶颈，这一瓶颈一直是限制激光抛光的最大因素。

▲图8. 表面的3D形貌图：(a) 初始的表面形貌图, (b) 在没有外加辅助电磁场时的激光抛光表面； (c)在有外加辅助电磁场的时候激光抛光之后的表面

在外加磁场的辅助下，表面粗糙度可以降低的程度同没有施加磁场相比较，可以下降超过10%-45%，但表面粗糙度随着激光功率和扫描的变化程度几乎保持一致。这就意味着磁场并不会改变激光抛光所带来的趋势，有无磁场时对表面形貌的影响见图9所示。激光抛光对表面峰顶的降低在外加辅助磁场的作用下降低的非常明显。与此同时，在没有施加外加磁场的时候，其表面波形分布则比施加电磁场时要紊乱的多，这是因为电磁场所产生的洛伦兹力会以拉力的形式作用在溶体上并改变其表面差异，包括表面空间波形的改变。在稳态磁场作用下的洛伦兹力不仅会引致溶体过流而形成新的粗糙度的峰顶，同时还会缩短表面差异的空间波形。

▲图9. 在有无施加磁场时激光抛光之后的表面异常的对比图

B激光抛光表面的微观粗糙程度

图10比较了在外加磁场强度从0到0.4T时，在抛抛光前要高。进一步的，随着外加辅助电场强度的增加，抛光后的表面显微硬度同没有施加磁场的相比较，可以提高35%。在一个激光焊接研究中，Chen等人获得了相类似的结果和提出熔化区硬度的提高是由于基于Marangoni对流造成的电磁压缩。在连续激光抛光且有辅助电场时，不仅溶体的过流会得到抑制，马氏体相变的激活能也会得到抑制，促进了残余奥氏体向马氏体转变且均均匀的分布，因此，抛光后的表面显微组织就更加致密，由此提高了显微硬度。

▲图10. 激光抛光后的显微硬度的对比图

图11显示了抛光后的横截面的显微组织的SEM照片。图11（a）中，熔化区的深度和热影响区的深度分别为100μm和60μm。同熔化区相比较，热影响区和基材，其熔化区的马氏体的微观组织是最为致密的，见图11（b），从而导致了显微硬度的提升，其原因是马氏体的形成造成的。然而，随着深度的增加，其显微组织的致密度就会逐渐降低。这是因为马氏体相变逐渐变弱，最终被来自热影响区的原始奥氏体所覆盖，直至形成基材。较高的放大倍数，如图11（h）-11（d）所示，S136H的基材的显微硬度在不同的激光扫描模式下呈现出不同的显著的差异。

图11 激光抛光后的横截面的SEM照片：(a)激光抛光后总体的横截面图 ； (b) 熔化区的截面；(c) 热影响区的横截面照片, (d) 基材处的横截面照片

图12（a）和12（b）则为辅助电场B=0T和B=0.4T时的SEM图，以粗糙度的峰值和谷底的深度来表征的话，表面抛光后的光滑程度见图12（b）。在溶体过流的抑制过程中，磁场造成的洛伦兹力推动溶体过流到峰顶，如图2所示，溶体回流和降低了整个Marangoni的对流，从而降低了溶体的提高。在实验中磁场强度为B=0.4T的时候，表面抛光后两个显著的特征为：最小粗糙度值为Ra=0.168μm（见图8）和最大的硬度值为4.25GPa（见图10）。

▲图12. 在辅助的电磁场强度分别为B = (a) 0 T和 (b) 0.4 T时的SEM显微组织照片

结论

本研究的目的是为了探讨稳态的磁场对在CW激光抛光时熔池过流的影响。传统的CW激光抛光，由于熔池过流造成的二次粗糙会导致表面达到一定的粗糙度失败。在本研究中，辅以稳态磁场，洛伦兹力起到了积极的作用，抑制了熔池的过流和相应地使得该方法可以在CW激光抛光中实施。获得的粗糙度表面同原始表面相比较，显微硬度提高了112.5%。在磁场强度B=0.4T时，高的表面显微硬度和低的表面粗糙度可以同时实现。