摘要
為了解決激光連接碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)/鋼異質接頭中的縮孔問題，采用光纖激光對 GMW2 鋼板進行高速毛化試驗，系統研究了激光功率、掃描速度、掃描長度和掃描次數對微凸起寬度和高度的影響，并利用高速攝像實時觀察了毛化過程。結果表明，微凸起寬度與熔池寬度相當，增加激光功率或減小掃描速度將導致熔池寬度增加，微凸起寬度也將增加；而掃描長度和掃描次數不影響熔池的寬度，因此微凸起寬度也不發生變化。微凸起高度由蒸氣壓力、表面張力和液體動壓力決定，激光功率增加將導致蒸氣壓力的增加和表面張力的減小，液態金屬向熔池尾部流動的驅動力增大，適當地增加激光功率有利于微凸起的長高，但激光功率過高將產生大量飛濺，導致微凸起高度不穩定；隨著掃描速度的增加，蒸氣壓力、表面張力和液體動壓力都將發生變化，熔池液體流動的驅動力和阻力存在競爭關系，導致微凸起高度呈先增加后減小的趨勢；掃描長度增加，蒸氣壓力水平分量增大，驅動力增加，微凸起高度逐漸增大。
關鍵詞 激光技術; 高速激光毛化; 微凸起幾何形貌特征; 毛化工藝控制; 汽車鋼板
1 引 言
高速激光毛化技術是英國焊接研究所(TWI)近年來開發的一種新型激光表面微加工技術[1] 。高速激光毛化有別于傳統的激光毛化技術[2-3] ，不再使用側吹輔助氣體作為熔池流動的動力源，而是利用高速運動的聚焦激光束快速掃描材料表面產生驅動力，促使熔池金屬朝著與激光束移動相反的方向迅速流動，隨后在熔池后方發生凝固，多次掃描使熔融金屬不斷堆積，最終形成明顯的表面微凸起[4-5] 。高速激光毛化技術在金屬與纖維增強樹脂基復合材料的連接、熱交換器和超厚涂層等領域有著潛在的應用[6-9] ，不同的應用場合對微凸起的幾何形貌要求不盡相同，而微凸起的幾何形貌與激光毛化工藝參數密切相關，深入了解二者的關系有助于獲得精確可控的毛化表面形貌。
目前，針對高速激光毛化工藝參數對微凸起幾何形貌影響規律的研究報道并不多，英國焊接研究所的學者在 Ti-6Al-4V 鈦合金、304 不銹鋼和碳錳鋼等金屬表面進行了高速激光毛化處理，探討了影響微凸起高度的主要因素[4-5,10] ，分別研究了激光功率、掃描速度、離焦量、掃描長度、保護氣體成分、掃描次數以及兩次掃描時間間隔等工藝參數對微凸起高度的影響，發現掃描速度、激光功率和掃描長度對微凸起的高度影響最為顯著，但是并未解釋原因，也沒有關注毛化工藝參數對微凸起寬度的影響作用。
實驗結果固定掃描速度為 24 m/min、單次掃描長度 2 mm 和掃描次數 30 次不變，研究激光功率對微凸起高度和寬度的影響規律。圖 2 表明，當激光功率較小(200 W)時，幾乎不產生微凸起；隨著激光功率的增加，微凸起高度逐漸增加；當激光功率過高時(500 W 和 600 W)時，毛化過程不穩定，微凸起高度劇烈波動。由此可見，激光功率對微凸起高度有著顯著影響，本實驗條件下微凸起高度的最大值為 0.31 mm。當激光功率較小時，微凸起寬度為 0.17 mm，稍大于光斑直徑(0.13 mm)；隨著激光功率的增加，微凸起寬度增大，最大值為 0.33 mm。在其他條件不變時改變掃描速度，微凸起高度隨著掃描速度的增加逐漸增加，在掃描速度為 20 m/min 時微凸起高度達到最大值，掃描速度進一步增加，微凸起高度逐漸減小；微凸起寬度隨著掃描速度的增加逐漸減小(圖 3)。
碳纖維增強樹指基復合材料(CFRP)/鋼異質結構激光連接過程中 CFRP 內部產生縮孔是導致接頭強度不夠高的重要原因[11-13] ，高速激光毛化微凸起可能改變搭接接頭處 CFRP 的凝固過程，因此，對鋼表面進行激光毛化處理是抑制縮孔的可能途徑。針對激光連接 CFRP/鋼異質接頭的縮孔問題，通過改變高速激光毛化工藝參數獲得不同幾何尺寸的微凸起，探究了激光功率、掃描速度、掃描長度和掃描次數對微凸起高度和寬度的影響規律；利用高速攝像實時觀察高速激光毛化過程，分析了高速激光毛化工藝參數對微凸起幾何尺寸的影響機理，為調控毛化表面微凸起的幾何形貌提供依據，也為解決 CFRP/鋼異質結構激光連接過程中 CFRP 內部產生的縮孔問題提供技術基礎。
2 實驗方法
高速激光毛化實驗采用 IPG 生產的 YLR-2000 型光纖激光器，激光波長為 1.07 μm，透鏡焦距為 200 mm，焦點處光斑直徑為 0.13 mm，四軸三聯動工作臺可實現的最大行走速度為 24 m/min。激光毛化所用的母材為 1.2 mm 厚的 GMW2 汽車鋼板，鋼板長、寬分別為 40 mm 和 30 mm，其名義化學成分(質量分數，%)為： C 0.006，Mn 0.2，P 0.025，S 0.02，Al 0.015，Ti 0.03，Fe 余量。先使用 200 號砂紙打磨去除表面氧化物，然后丙酮去油，再后用溫水和酒精清洗，冷風吹干后毛化。離焦量為 0 mm，保護氣體是純度 99.99％的氬氣，氣流量為 20 L/min。
圖 1 是高速激光毛化所得到的微凸起的掃描電鏡(SEM)典型形貌，微凸起呈上窄下寬的形狀，頂端面為金屬液滴凝固形成的球面，從微凸起側面可明顯看到因激光多次掃描金屬堆積而形成的橫向紋理。利用高度計和光學顯微鏡分別對微凸起的高度和寬度進行測量。采用 NAC 公司的 Memrecam HX-6 型高速攝像機對高速激光毛化過程進行視覺檢測，采樣頻率為 5000 frame/s，獲得不同工藝參數下毛化過程的熔池圖像和等離子體噴射圖像。
實驗結果固定掃描速度為 24 m/min、單次掃描長度 2 mm 和掃描次數 30 次不變，研究激光功率對微凸起高度和寬度的影響規律。圖 2 表明，當激光功率較小(200 W)時，幾乎不產生微凸起；隨著激光功率的增加，微凸起高度逐漸增加；當激光功率過高時(500 W 和 600 W)時，毛化過程不穩定，微凸起高度劇烈波動。由此可見，激光功率對微凸起高度有著顯著影響，本實驗條件下微凸起高度的最大值為 0.31 mm。當激光功率較小時，微凸起寬度為 0.17 mm，稍大于光斑直徑(0.13 mm)；隨著激光功率的增加，微凸起寬度增大，最大值為 0.33 mm。
在其他條件不變時改變掃描速度，微凸起高度隨著掃描速度的增加逐漸增加，在掃描速度為 20 m/min 時微凸起高度達到最大值，掃描速度進一步增加，微凸起高度逐漸減小；微凸起寬度隨著掃描速度的增加逐漸減小(圖 3)。是微凸起高度和寬度隨掃描長度的變化曲線。固定激光功率、掃描速度和掃描次數不變，當掃描長度較小(0.4 mm)時，幾乎不產生微凸起，隨著掃描長度增加，微凸起高度逐漸增加；而隨著掃描長度的增加，微凸起寬度在 0.25 mm 附近波動，即掃描長度對微凸起寬度的影響不顯著。
圖 5 是激光功率為 400 W，掃描速度 V 為 24 m/min，掃描長度為 2 mm 時，不同掃描次數下微凸起高度和寬 度 的 變 化 曲 線 。 微 凸 起 高 度 隨 著 掃 描 次 數 的 增 加 緩 慢 增 加 ，最 后 趨 于 穩 定 ，微 凸 起 高 度 最 大 值 為 0.34 mm 。隨著掃描次數的增加，微凸起寬度基本不變，即掃描次數對微凸起寬度的影響不顯著。
4 分析與討論與激光深熔焊類似，高速激光毛化過程會產生匙孔。匙孔后沿熔池液態金屬同時受到液體靜壓力 Pg、輻射壓力 Pl、液體表面張力 Pσ、液體動壓力 Ph和蒸氣壓力 Pv等的作用[14] 。高速運動的激光束與熔池相互作用會導致流體流動速度呈幾何級數增長[15] ，液體動壓力將成為流體流動的主要驅動力之一，而 Pg和 Pl數量級較其他作用力要小的多，可以不予考慮[14] (圖 6)。由受力示意圖可知，激光束沿掃描速度 V 所示的方向移動，Ph和 Pv促使匙孔后沿液態金屬向熔池后方流動，有利于微凸起的形成，而 Pσ阻止液態金屬向后流動，阻礙微凸起的形成。圖 6 高速激光毛化匙孔后沿熔池液態金屬受力改變激光毛化工藝參數，各個作用力的大小和方向可能發生變化，導致液態金屬的流動狀態不同，最終形成不同形貌的微凸起。阻(1) 式中 σ 為表面張力系數，z 為匙孔深度和為匙孔半徑。表面張力系數是溫度的函數，激光功率或掃描速度等工藝參數發生變化將導致熔池溫度場改變，從而表面張力隨之改變。動力項中液體動壓力 Ph的表達式[14] (2) 式中 ρl 為熔融金屬的密度，Vmax和 Vmin分別是匙孔周圍流體最大、最小流動速度。激光束高速運動條件下，流體流動速度主要由激光掃描速度決定[15] 。動力項中蒸氣壓力 Pv的表達式[14] 為 Pv = mngu2 g , (3) 式中 m 為金屬蒸發量，ng為克努森層密度，ug為克努森層氣體速度。蒸氣壓力的大小主要由金屬蒸發量決定，方向與等離子體噴射方向一致。溫度越高，金屬蒸發量越大，蒸氣壓力越大。綜上所述，阻力項液體表面張力 Pσ和動力項蒸氣壓力 Pv的大小由熔池溫度場決定，動力項液體動壓力的大小由掃描速度決定。首先，分析激光功率對微凸起高度和寬度的影響機理。圖 7 是不同激光功率下高速激光毛化熔池圖像，固定掃描速度為 24 m/min，掃描長度為 2 mm，掃描次數為 30。可以發現，隨著激光功率的增加，熔池寬度逐漸增加，且微凸起的寬度與相同功率下的熔池寬度相當(圖 2)，這是微凸起寬度隨激光功率增加而增加的根本原因。熔池的溫度會隨著激光功率的增加而升高，導致表面張力減小，蒸氣壓力增大；液體動壓力主要由激光掃描速度決定，不隨激光功率變化而改變；激光功率分別為 200、400 和 600 W 時，金屬蒸氣的噴射方向與水平方向的夾角 α 基本相同，約為 56°(圖 8)，即激光功率變化時，蒸氣壓力作用方向基本不變。因此，由各作用力的綜合作用效果(圖 6)可知，激光功率的增加必然促進微凸起高度的增加；當激光功率過高時，蒸氣壓力過大，毛化過程產生大量飛濺[圖 8(c)]，導致微凸起高度非常不穩定(圖 2)。其次，分析掃描速度對微凸起高度和寬度的影響機理。圖 9 是不同掃描速度下高速激光毛化熔池圖像，固定激光功率為 300 W，掃描長度為 2 mm，掃描次數為 30。600 W 寬度逐漸減小，這應該是微凸起寬度也相應減小(圖 3)的原因。熔池的溫度會隨著掃描速度的增加而降低，導致表面張力增加，蒸氣壓力減小；流體流動速度隨著掃描速度增加呈幾何級數增加，由(2)式可知，液體動壓力將增大；此外，掃描速度變化會引起蒸氣壓力作用方向的改變，掃描速度越大，蒸氣壓力作用方向與水平方向的夾角 α 越小(圖 10)，蒸氣壓力的水平分量 PV cos α 越大。由圖 6 可知，表面張力增加或蒸氣壓力減小都不利于微凸起的長高，而液體動壓力增加或 α 角減小有利于微凸起的長高。由此可見，隨著掃描速度的增加，驅動力和阻力存在競爭關系，所以微凸起高度先增加后減小(圖 3)，其可能的原因是：當掃描速度小于 20 m/min 時，液體動壓力的增加和 α 角的減小對微凸起的產生起主導作用，因此導致微凸起高度隨掃描速度的增加而增加；當掃描速度大于 20 m/min 時，液體表面張力的增加和蒸氣壓力的減小對微凸起的產生起主導作用，從而導致微凸起高度隨掃描速度的增加而減小。圖 9 不同掃描速度下高速激光毛化熔池圖像。再 次 ，分 析 單 次 掃 描 長 度 對 微 凸 起 高 度 和 寬 度 的 影 響 機 理 。 固 定 激 光 功 率 為 400 W，掃 描 速 度 為 24 m/min ，掃描次數為 30，由不同掃描長度下高速激光毛化熔池圖像(圖 11)可知，掃描長度的變化對熔池寬度幾乎沒影響，因此微凸起寬度也不發生變化。激光功率和掃描速度不變，掃描長度的變化不會引起熔池溫度場的改變，因此表面張力和蒸氣壓力的大小不變；如圖 12 所示，當掃描長度為 0.4 mm 時，金屬蒸氣噴射方向與水平方向的夾角 α 約 90°，蒸氣壓力的水平分量幾乎為零，其對液態金屬沿水平方向流動的作用可以忽略；當掃描長度為 1.6 mm 和 2.4 mm 時，蒸氣壓力作用方向與水平方向的夾角 α 分別為 64°和 40°，蒸氣壓力的水平分量 PV cos α 相應增加。因此，隨著掃描長度的增加，液體動壓力、液態金屬表面張力和蒸氣壓力的大小不變，蒸氣壓力作用方向與水平方向的夾角減小，蒸氣壓力的水平分量增大，導致微凸起高度逐漸增加(圖 4)。
最后，分析掃描次數對微凸起高度和寬度的影響機理。其他工藝參數不變，掃描次數從 30 次[圖 7(b)]增加到 50 次(圖 13)，熔池寬度幾乎沒有變化，因此微凸起寬度(約為 0.25 mm)也未發生變化。對比圖 8(b)和圖 14 可知，掃描次數分別為 30 次和 50 次時，等離子體的噴射角度(約為 56°)也沒有改變。由于在高速激光毛化過程中，多次掃描之間都是相互獨立的，作用在匙孔后沿液態金屬的表面張力、液體動壓力和蒸氣壓力的大小和方向相同。因此，微凸起隨著掃描次數的增加而長高，是多次掃描液態金屬在鋼表面累積的結果；當微凸起堆積到一定高度時，下一次的高速激光掃描，新形成的液態金屬在外力作用下向微凸起頂部流動，當運動到一定高度時，動能全部轉化為勢能和內能，液態金屬無法進一步爬升，因而微凸起高度趨于穩定(圖 5)。
5 結論
1) 隨著激光功率的升高，微凸起寬度和高度增加；隨著掃描速度的增加，微凸起寬度減小，微凸起高度先增加后減小；隨著掃描長度或掃描次數的增加，微凸起寬度幾乎不發生改變，微凸起高度逐漸增加。
2) 微凸起寬度與熔池寬度相當，增加激光功率或減小掃描速度將導致熔池寬度增加，因而微凸起寬度也增加；而掃描長度和掃描次數不影響熔池的寬度，因此微凸起寬度不受掃描長度和掃描次數的影響。
3) 微凸起高度由蒸氣壓力、表面張力和液體動壓力決定，提高激光功率將導致蒸氣壓力的增加和表面張力的減小，液態金屬向熔池尾部流動的驅動力增大；適當增加激光功率有利于微凸起的長高，激光功率過高將產生大量飛濺，從而導致微凸起高度不穩定。改變掃描速度，蒸氣壓力、表面張力和液體動壓力都將發生變化，驅動力和阻力存在競爭關系，微凸起高度隨掃描速度的增加呈現先增加后減小的趨勢。掃描長度增加，蒸氣壓力水平分量增大，驅動力增加，微凸起高度逐漸增大。