供稿人：孙啸宇 张航 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-12-15
东北大学Jilin Xu等人研究了一种新型激光抛光表面结构的形成机理，实验展示了这种表面结构的轮廓和尺寸参数随激光功率的完整演化（图1），并初步分析了表面结构形成的原因。
图1 不同激光功率下表面结构的演化：（#-1）三维形貌，（#-2）横截面轮廓，（#-3）抛光道内轮廓
通过不同激光功率的单道试验发现，边缘凸起高度随功率的增加而逐步减小到0，而中心凸起高度、宽度和凸起体积随激光功率的增加而增加。作者认为中心凸起是由于表面活性元素影响的热毛细力所引起的；边缘凸起是由于热毛细力和材料去除产生的反冲压力所造成的；凸起的体积增加主要是由于材料受热膨胀和相变；宽度的增加和熔池宽度有关。
为了更好地研究这种表面结构的形成机理，作者建立了一个结合传热、流体流动、材料汽化和体积膨胀的二维数值模型（图2），主要研究了五个因素（毛细力、受表面活性元素影响的热毛细力、反冲压力、材料去除和体积膨胀）对表面结构形成的影响（结果总结在表1中）。
图2 在表面结构形成过程中，温度场（彩色表面轮廓）、流场（彩色箭头图）和表面轮廓的演变图
表1 不同因素对表面结构各尺寸的贡献表，（h1sim中心凸起高度，h2sim边缘凸起高度，ΔVsim体积增加量，Wsim宽度），（↑表示该因子增加了尺寸参数，↓表示该因子减少了尺寸参数，↔表示该因子对尺寸参数没有影响或影响很小），（CF热毛细管力，TF热毛细管力，RP反冲压力，MR材料去除，VE体积膨胀）
最后作者用所建立的模型模拟了不同激光功率下单道的最终形貌，与实验结果进行对比发现误差不大，证实了所建立模型的可靠性。
近来随着现代制造业的迅速发展，对工件的表面质量提出了更高的要求。激光抛光作为一种新型抛光方式正越来越受到社会各界重视。本文研究了一种新型激光抛光表面结构的形成机理，完善了激光抛光的理论研究，对激光抛光技术的应用具有推动作用。