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化學銑切簡稱為化銑，被廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器鋁合金、鈦合金蒙皮類構(gòu)件的減薄、減重工藝中?？绦妥鳛楹娇蘸教旌辖饦?gòu)件化銑生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，其加工質(zhì)量直接關(guān)系到整個化銑工藝的優(yōu)劣和最終產(chǎn)品的精度及質(zhì)量。激光加工技術(shù)具有非接觸、適應(yīng)材料廣、加工質(zhì)量高、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在航空航天、能源裝備、汽車制造、電子信息等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，尤其是在航空航天合金構(gòu)件刻型環(huán)節(jié)中。目前國際上主流的航空制造企業(yè)已將激光刻型工藝成功地應(yīng)用到合金構(gòu)件化銑生產(chǎn)中，例如：波音、空客、達索等。國內(nèi)航空制造企業(yè)也通過引進或自主研發(fā)激光刻型專用裝備，逐漸實現(xiàn)了合金構(gòu)件化銑工藝中自動化激光刻型，升級迭代傳統(tǒng)手工刻型。

對于鋁合金化銑保護膠的激光刻型，由于保護膠與合金基體的比熱容、導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)的不同，刻型過程中會產(chǎn)生溫度梯度，且切縫內(nèi)存在氣化以及等離子體沖擊波，該現(xiàn)象易使保護膠層與合金基體的結(jié)合部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力，進而生成界面裂紋。在熱應(yīng)力的持續(xù)作用下，裂紋逐漸生長、延伸，最終導致護膠層的開裂和脫落，進而影響航空航天合金構(gòu)件化銑生產(chǎn)過程的后續(xù)環(huán)節(jié)。因此，從機理上分析激光加工過程中涂層與基體材料的熱應(yīng)力分布及演變過程，受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛重視。基于上述問題，WU針對熱障涂層的制備過程，建立了激光熔覆的溫度場模型，探索了熔覆過程中應(yīng)力場的變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)激光熔覆后期，殘余應(yīng)力主要分布在熱障涂層與基體材料相結(jié)合的界面處，該區(qū)域更易出現(xiàn)開裂、脫層現(xiàn)象; 激光熔覆后的殘余應(yīng)力受到涂層與基體的熱膨脹系數(shù)的共同影響，熱膨脹系數(shù)差值越大，熔覆層殘余應(yīng)力越大。LIAO等人結(jié)合有限元仿真技術(shù)探究在持續(xù)的熱載荷下，熱障涂層產(chǎn)生裂紋和剝落的失效機制，發(fā)現(xiàn)高孔隙率的熱障涂層具備優(yōu)于低孔隙率的服役壽命。RAD等人通過計算機仿真軟件模擬了實際的涂層缺陷，發(fā)現(xiàn)較粘結(jié)層的孔隙，陶瓷層材料的孔隙對應(yīng)力分布的影響更加顯著，但粘結(jié)層的孔隙更易導致材料產(chǎn)生裂紋并失效。WANG等人建立熱機械耦合模型，探究激光加工過程中，帶熱障涂層的鎳合金的熱應(yīng)力的產(chǎn)生機制和微孔的生成機制，發(fā)現(xiàn)造成涂層產(chǎn)生裂紋和失效的主要原因是界面層附近的應(yīng)力突變和熱應(yīng)力沖擊。

本文作者憑借仿真軟件對鋁合金化銑保護膠脈沖激光刻型工藝進行理論研究，通過熱應(yīng)力耦合分析直觀地展示了溫度場引起的應(yīng)力變化及保護膠和鋁合金界面處的應(yīng)力細節(jié)，并借助仿真軟件的變形幾何功能動態(tài)地顯示刻型過程中化銑保護膠的形貌演變規(guī)律，可為航空航天鋁合金構(gòu)件化銑保護膠激光刻型工藝的優(yōu)化提供理論支撐與參考。

1.   激光加工模型建立

       在激光刻蝕鋁合金化銑保護膠的工藝研究中，一般需要通過實驗手段來獲得良好的加工效果，但因刻蝕的微槽結(jié)構(gòu)具有細、長、深等特點，無論是高速相機的同步拍攝, 還是顯微鏡的離線測量，都只能得到表面微結(jié)構(gòu)的變化情況，而無法獲得微槽底部和側(cè)壁的形貌特征。更重要的是，只能得到激光刻蝕過程中微結(jié)構(gòu)的宏觀變化規(guī)律，而無法準確把握材料內(nèi)部特征的變化機理，尤其溫度場與熱應(yīng)力的變化規(guī)律及其對加工過程的影響。在此基礎(chǔ)上，本文作者借助COMSOL Multiphysics仿真軟件對鋁合金化銑保護膠脈沖激光刻型工藝進行熱應(yīng)力耦合理論研究，傳熱學分析可以直觀地展示化銑保護膠在激光輻照作用下的溫度場分布情況及變化過程，應(yīng)力分析可以直觀展示激光加工過程中保護膠和鋁合金界面處的應(yīng)力細節(jié)，此外，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膠的形貌演變規(guī)律。

1.1   仿真模型材料及參數(shù)

鋁合金化銑保護膠激光刻型熱應(yīng)力耦合分析建模中使用到的化銑保護膠材質(zhì)為AC850，鋁合金基體材料材質(zhì)為2A12，材料對應(yīng)的厚度如表 1所示。鋁合金化銑保護膠激光刻型使用的脈沖激光器為北京熱刺激光技術(shù)有限公司生產(chǎn)的R40二氧化碳激光器，其輸出波長、脈沖寬度、重復(fù)頻率等參數(shù)如表 2所示。

表 1  模擬分析中使用的材料及厚度

Table 1.  Thickness of material used in simulation analysis

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表 2  脈沖激光器的參數(shù)

Table 2.  Parameters of the pulsed laser

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1.2   化銑保護膠脈沖激光刻型有限元模型

微觀來看，由于化銑保護膠屬于高分子材料，在使用長脈沖激光輻照鋁合金化銑保護膠表面時，材料分子吸收大量光熱產(chǎn)生分解、氣化，直接或間接與空氣中的O2發(fā)生氧化反應(yīng)并生成氣態(tài)物質(zhì)并逃逸，從而達到激光刻蝕效果。宏觀來看，激光刻型時，聚焦區(qū)域會達到數(shù)千攝氏度的高溫，通過疊加激光脈沖，使輻照區(qū)域刻型寬度和深度逐漸增加，來實現(xiàn)化銑保護膠的脈沖激光刻型。

本文作者基于COMSOL Multiphysics軟件的固體傳熱、固體力學、變形幾何3個模塊來實現(xiàn)多物理場耦合仿真計算。固體傳熱物理場用于計算激光刻蝕過程中隨時間和熱物理參數(shù)改變而變化的溫度場，需要考慮到傳導傳熱、對流傳熱、輻射傳熱3種傳熱情況。其中，鋁合金化銑保護膠脈沖激光刻型過程中材料表面與空氣的換熱視為對流換熱，對流換熱邊界條件為：

式中, h為換熱系數(shù), Text為環(huán)境溫度, T為溫度, n為法線上的單位向量, q為激光的熱流密度。

激光束熱流密度表示為：

式中, A為材料對激光的吸收率, P為激光功率, w為光斑半徑, r為材料表面到光斑中心的距離。

變形幾何物理場的加入是為了計算出刻蝕過程中材料在脈沖激光作用下的去除速率，根據(jù)材料相變過程中材料的熔化潛熱與蒸發(fā)潛熱推導出材料升華熱，則材料的去除速率v可表示為：

式中, ρ為材料密度, H為材料的升華熱。

通過加入固體力學物理場來計算激光刻蝕過程中溫度場的實時變化與不同材料屬性對熱應(yīng)力場變化規(guī)律的影響，對應(yīng)關(guān)系可表示為：

式中, u為位移場, ??為梯度算子, σ為柯西應(yīng)力張量, FV為單位變形體積上的力。

熱應(yīng)力耦合分析可以反映熱溫度場和應(yīng)力場的相互影響過程，根據(jù)求解步驟的不同, 分為直接求解法和間接求解法。直接求解法是利用包含溫度以及位移自由度的耦合單元，經(jīng)過一次求解計算同時得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果。間接求解法則需要分步進行，首先通過熱分析計算出模型的節(jié)點溫度，將求解的節(jié)點溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中，求解出節(jié)點應(yīng)力。由于直接求解法的平衡狀態(tài)需要同時滿足多個準則，復(fù)雜的約束條件使得節(jié)點自由度較多，并且矩陣方程繁雜，求解效率低。在鋁合金化銑保護膠激光刻型熱應(yīng)力耦合分析中，相較于結(jié)構(gòu)響應(yīng)，熱分析的溫度對結(jié)構(gòu)分析時應(yīng)力應(yīng)變的影響更為顯著，因此本文中選擇效率較高的間接求解法來實現(xiàn)對鋁合金化銑保護膠激光刻型的熱應(yīng)力耦合分析。脈沖激光的刻蝕原理如圖 1所示，采用移動高斯熱源模擬長脈沖激光與目標材料的相互作用過程。

圖 1  鋁合金銑削保護膠激光雕刻模擬示意圖

Figure 1.  Schematic diagram of laser engraving simulation of aluminum alloy milling protective glue

2.   仿真計算分析

2.1   鋁合金基體應(yīng)力分布仿真計算

按照表 2中的加工參數(shù)，對2維多層材料有限元模型進行計算分析，首先進行的是鋁合金化銑保護膠激光刻型溫度場仿真，采用間接求解法得到鋁合金化銑保護膠激光刻型的應(yīng)力及位移分布云圖。從圖 2可以明顯看出，在保護膠與鋁合金的結(jié)合界面上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖 2中的仿真結(jié)果以激光功率為變量，選取50 W, 60 W, 70 W作為參數(shù)節(jié)點，根據(jù)激光燒蝕時間選擇3個時間節(jié)點(2 ms, 4 ms, 6 ms), 其余仿真條件如下：激光掃描速率為10 m/min、重復(fù)頻率為100 kHz。在9個仿真結(jié)果中，應(yīng)力的顏色顯示已經(jīng)統(tǒng)一為至高4×107 Pa，至低為0 Pa。

圖 2  不同功率對鋁合金基體應(yīng)力分布的影響

Figure 2.  Effect of different power on the stress distribution of aluminum alloy matrix

縱向觀察發(fā)現(xiàn)，燒蝕時間恒定，燒蝕深度隨著激光功率的增大逐漸增大，同時，燒蝕區(qū)域底部對應(yīng)的保護膠與鋁合金的結(jié)合界面處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，而應(yīng)力集中點也隨著激光功率的增大而顯著增多；其中燒蝕時間為4 ms、6 ms，激光功率為60 W、70 W時，保護膠與鋁合金的結(jié)合界面處開始出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且應(yīng)力集中區(qū)隨著激光掃描路徑延伸逐漸擴大，應(yīng)力至高點出現(xiàn)在掃描區(qū)域的中心位置，且對鋁合金基體材料產(chǎn)生了應(yīng)力影響。橫向觀察發(fā)現(xiàn)，激光功率為50 W時，整個燒蝕過程中沒有出現(xiàn)特別明顯的應(yīng)力集中區(qū)，這是因為激光功率較小時，保護膠材料不能被完全燒蝕，所以保護膠與鋁合金的結(jié)合界面處并未產(chǎn)生明顯應(yīng)力；同燒蝕深度的變化規(guī)律，其應(yīng)力影響區(qū)域面積與應(yīng)力數(shù)值也隨著激光功率的增大而增大。仿真計算結(jié)果表明：激光功率越大，燒蝕深度越深；激光焦點距保護膠與鋁合金的結(jié)合界面處越近，界面處產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，由于鋁合金是熱的良導體，較高的傳熱性能使其在激光刻型時，容易產(chǎn)生更大范圍的應(yīng)力區(qū)域與更高的應(yīng)力值。

圖 3是以激光掃描速率為變量的仿真結(jié)果。分別選取8 m/min, 10 m/min, 12 m/min為參數(shù)節(jié)點，其余仿真條件如下：激光功率為60 W、重復(fù)頻率為100 kHz。燒蝕時間節(jié)點選擇與圖例設(shè)置同圖 2。橫向觀察發(fā)現(xiàn)，較10 m/min, 12 m/min的仿真結(jié)果，激光掃描速率為8 m/min時，其燒蝕深度較深，且整個燒蝕過程中產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)域較大、應(yīng)力值較高，而燒蝕深度、應(yīng)力區(qū)域和應(yīng)力極值均與掃描速率呈負相關(guān)。因為掃描速率的增大會造成激光燒蝕過程中脈沖重疊率的減小，從而降低了激光加工過程中的熱效應(yīng)累積，同時也減少了熱應(yīng)力的集中現(xiàn)象。

圖 3  不同掃描速率對鋁合金基體應(yīng)力分布的影響

Figure 3.  Effect of different scanning speeds on the stress distribution of aluminum alloy matrix

圖 4是以激光重復(fù)頻率為變量的仿真結(jié)果。選取60 kHz, 80 kHz, 100 kHz為參數(shù)節(jié)點，其余仿真條件如下：激光功率為60 W、掃描速率為10 m/min。燒蝕時間節(jié)點選擇與圖例設(shè)置同圖 2。觀察發(fā)現(xiàn), 激光重復(fù)頻率為60 kHz, 80 kHz時，燒蝕過程中產(chǎn)生的應(yīng)力區(qū)域與應(yīng)力值差別較小但顯著大于重頻為100 kHz時的情況。3種重頻下的燒蝕深度并無明顯差別，說明在激光功率與掃描速率相同的情況下，脈沖激光的重復(fù)頻率對燒蝕效果的影響并不顯著，但卻會帶來燒蝕過程中應(yīng)力的變化，這對調(diào)整激光加工工藝有重要的指導意義。

圖 4  不同重復(fù)頻率對鋁合金基體應(yīng)力分布的影響

Figure 4.  Influence of different repetition frequencies on stress distribution of aluminum alloy matrix

圖 5展示了分別以激光功率(第1排)、掃描速率(第2排)、重復(fù)頻率(第3排)為變量，選取燒蝕時間節(jié)點為6 ms時，保護膠與鋁合金的結(jié)合界面處的應(yīng)力數(shù)值。通過圖 5可以更清晰地看到燒蝕過程中應(yīng)力極值與加工參數(shù)的聯(lián)系。觀察發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力極值與激光功率呈正相關(guān)，與掃描速率呈負相關(guān)，與重復(fù)頻率呈負相關(guān)，其中脈沖激光的掃描功率對應(yīng)力極值的影響較為顯著。

圖 5  保護膠和鋁合金的界面應(yīng)力分布

Figure 5.  Interfacial stress distribution between protective adhesive and aluminum alloy

2.2   結(jié)合熱變形的保護膠刻型形貌分析

圖 6為不同激光功率對保護膠刻型形貌的影響示意圖。以激光功率為變量，分別選取50 W, 60 W, 70 W為參數(shù)節(jié)點，根據(jù)激光燒蝕時間選擇3個時間節(jié)點分別為0.1 ms, 0.4 ms, 0.7 ms。在9個仿真結(jié)果中，材料因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的位移通過顏色圖例顯示，至高為1.4×10-2 mm，低為0.98×10-2 mm。

圖 6  不同功率對保護橡膠切口狀態(tài)的影響

Figure 6.  Effect of different powers on the incision morphology of the protective rubber

觀察發(fā)現(xiàn)，靠近切口處變形較大，整體呈現(xiàn)出凸起的火山口形貌。脈沖激光以高斯熱流密度載荷的形式垂直作用在目標材料的表面，隨著脈沖數(shù)的增加，熱量迅速向材料內(nèi)部傳導。同一時刻，激光功率越大，切口處變形越大，并且燒蝕深度越深。激光功率為70 W時，可以明顯看到激光已經(jīng)燒蝕到了保護膠與鋁合金的結(jié)合界面處，并在切口處產(chǎn)生了較大的熱變形。因為材料固定于運動平臺上，平臺對材料底面具有位移約束。材料內(nèi)部熱量的傳導及底面所受位移約束都具有方向性，因此應(yīng)力和位移的變化趨勢并不完全相同。

圖 7是以掃描速率為變量的仿真結(jié)果。分別選取8 m/min, 10 m/min, 12 m/min為參數(shù)節(jié)點，其余加工參數(shù)如下：激光功率為60 W、重復(fù)頻率為100 kHz。燒蝕時間節(jié)點選擇與圖例設(shè)置同圖 6。觀察圖 7發(fā)現(xiàn)，掃描速率為8 m/min時，保護橡膠產(chǎn)生的熱變形較大。這是因為掃描速率的增大會引起脈沖重疊率的減小，且會明顯降低激光刻型過程中熱效應(yīng)的累積現(xiàn)象，同時也會減小切口的熱變形程度。

圖 7  不同掃描速率對保護橡膠切口形貌的影響

Figure 7.  Effect of different scanning speeds on the topography of the protective rubber incision

圖 8是以重復(fù)頻率為變量的仿真結(jié)果。分別選取60 kHz、80 kHz、100 kHz為參數(shù)節(jié)點, 其余仿真條件如下：激光功率為60 W、掃描速率為10 m/min。燒蝕時間節(jié)點選擇與圖例設(shè)置同圖 6。觀察圖 8發(fā)現(xiàn)，掃描時間恒定時，重復(fù)頻率以選取的參數(shù)節(jié)點變化; 重復(fù)頻率為60 kHz、80 kHz時，切口形貌、燒蝕深度無明顯變化，當重復(fù)頻率達到100 kHz時，形貌變化較明顯，且切口處產(chǎn)生了較大的熱變形現(xiàn)象。

圖 8  不同重復(fù)頻率對保護橡膠切口形態(tài)的影響

Figure 8.  Effect of different repetition frequencies on the incision morphology of the protective rubber

3.   結(jié)論

為了研究鋁合金化銑保護膠激光刻型熱應(yīng)力演變過程，本文中通過鋁合金化銑保護膠激光刻型熱應(yīng)力耦合分析，得到了鋁合金基體的應(yīng)力分布云圖以及在熱應(yīng)力作用下保護膠切口的最終形貌。

(1) 通過鋁合金化銑保護膠激光刻型熱應(yīng)力耦合分析得到的應(yīng)力分布云圖，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中主要發(fā)生在保護膠與鋁合金的結(jié)合界面。應(yīng)力集中區(qū)隨著激光掃描路徑延伸逐漸擴大，應(yīng)力至高點出現(xiàn)在掃描區(qū)域的中心位置，且對鋁合金材料產(chǎn)生了一定的應(yīng)力影響。

(2) 應(yīng)力極值與激光功率呈正相關(guān)，與掃描速率和重復(fù)頻率呈負相關(guān)，其中激光功率對應(yīng)力極值的影響較為顯著。由于鋁合金是熱的良導體，較高的傳熱性能使其在激光刻型時，更易產(chǎn)生大范圍的應(yīng)力區(qū)域與更高的應(yīng)力值。

(3) 重復(fù)頻率、激光功率以及掃描速率等參數(shù)共同決定著鋁合金化銑保護膠刻型的切口形貌，其中，切口形貌的熱變形與重復(fù)頻率、激光功率呈正相關(guān)，與掃描速率呈負相關(guān)，且切口整體呈現(xiàn)為凸起的火山口形貌。

注明：文章出處：激光技術(shù)網(wǎng) http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2023.03.021