吳 昊，鄒 平，康 迪，王文杰

（ 東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽 110819 ）

激光加工是一種先進的加工技術， 不僅清潔、高效、準確、重復性好，而且不與材料接觸、不受加工材料的限制，在工業(yè)中有廣泛的應用前景。 然而在傳統(tǒng)的激光加工過程中，加工后的零件經常會出現(xiàn)熱影響區(qū)、發(fā)生熔化后的材料重新凝固在零件表面等情況，影響加工后的工件表面質量[1]。 為解決這些問題，近年來振動輔助激光加工作為改進的加工方法大量研究。

目前，振動輔助激光加工有兩種方式：工件振動輔助激光加工和透鏡振動輔助激光加工。 工件振動輔助激光加工可有效地降低被加工工件的表面粗糙度，改變工件表面的微結構、硬度并提高孔的深徑比[2-4]；透鏡振動輔助激光加工也能降低被加工工件的表面粗糙度，提高孔的深徑比[5]。 對于工件振動輔助激光加工的研究有很多，而對于透鏡振動輔助激光加工的研究卻很少。

基于此， 本文從激光焦點處能量分布角度，對透鏡振動輔助激光加工過程進行研究。 從理論上分析了影響激光焦點處能量分布的敏感方向及透鏡振動輔助激光加工、 傳統(tǒng)激光加工的激光加工區(qū)域， 介紹了透鏡振動輔助激光加工系統(tǒng)和實驗過程，并通過實驗驗證了理論分析。

1 透鏡振動輔助激光加工

透鏡振動輔助激光加工與傳統(tǒng)激光加工的原理相似，是將激光光束通過透鏡聚焦到加工材料表面， 當激光的能量密度超過材料所能承受的臨界值，材料被去除，從而達到加工的目的。 因此，激光作為能量源在加工中是一個重要的因素，而在激光加工過程中振動透鏡可直接影響激光聚焦焦點處的能量分布，所以透鏡振動輔助激光加工可達到改善被加工工件表面質量的目的。 為了研究透鏡振動輔助激光加工，首先要確定透鏡振動方向，而后對透鏡振動輔助激光加工原理進行分析。

1.1 透鏡振動方向對激光能量分布的影響

本實驗設計的透鏡振動輔助激光加工系統(tǒng)，選用ACA254-030-532 型透鏡， 激光光源的波長為532 nm，透鏡處的入射激光直徑為6 mm。 根據上述參數(shù)， 利用CODEV 軟件模擬激光通過透鏡得到最佳聚焦焦點的光路圖（圖1），其焦點處在工件表面的能量分布見圖2，其中A 點代表激光能量的60%集中在工件表面直徑為1.16 μm 的區(qū)域內。

圖2 中曲線的斜率可定義為激光的能量密度I，表達式為：

式中：P 是激光的功率；d 是激光聚集區(qū)域的直徑。可見，當激光功率一定時，激光的能量密度越大，其聚集區(qū)域的直徑越小， 這表示曲線的斜率越大，激光的能量密度越大。 因此，在以下的分析中，以激光能量的60%作為標準，當透鏡振動時，將以聚焦區(qū)域的直徑作為反映激光能量密度高低的評判標準。

在設計透鏡振動輔助激光加工系統(tǒng)時，首先要確定影響激光能量分布的敏感方向，透鏡的振動需沿此方向。 固定工件時，透鏡可沿3 個方向振動，分別為圖1b 中垂直于激光傳播方向的沿X、Y 方向和沿激光傳播的Z 方向。 透鏡沿X、Y 方向振動時，激光的能量分布變化一樣，因此只需研究透鏡沿X 和Z 方向振動時， 采用CODEV 軟件仿真在工件表面的激光能量分布。 為了確定影響激光能量分布的敏感方向，當透鏡沿某一方向振動時，將會比較聚焦區(qū)域的直徑。

1.1.1 透鏡沿X 方向振動

由于透鏡沿X 軸的正方向和負方向移動時，激光的能量分布變化一樣，只需研究透鏡沿X 軸正方向移動時激光能量分布變化即可。 圖3 是當透鏡沿X 軸正方向移動時聚焦區(qū)域直徑的變化， 未發(fā)現(xiàn)明顯變化。圖4 是透鏡沿X 軸正方向移動15 μm 時工件的表面激光能量分布，其與圖2 中透鏡未移動的激光能量分布曲線相近。

1.1.2 透鏡沿Z 方向振動

圖5 是透鏡沿Z 軸移動時聚焦區(qū)域直徑的變化，可見，當透鏡從原位置沿Z 軸負方向移動時，聚焦區(qū)域直徑逐漸變大， 表明激光能量密度變小；當透鏡從原位置沿Z 軸正方向移動時，聚焦區(qū)域直徑先變小后變大，表明激光能量密度先變大后變小。

圖6 是透鏡沿Z 軸正方向移動9 μm 時工件表面激光能量分布，相比圖2 中的透鏡未移動時的曲線更平滑，也說明了激光能量密度有所變小。

基于以上分析發(fā)現(xiàn)，透鏡的振動可改變激光的能量分布，當透鏡沿Z 軸振動時，激光能量分布變化大，所以Z 軸是影響激光能量分布的敏感方向。

1.2 透鏡振動輔助激光加工的能量分布

圖7 是針對透鏡振動輔助激光加工過程建立的坐標系。 當激光通過透鏡聚焦在工件表面后，其焦點處的能量密度可以表示為[6]：

式中：λ 是激光的波長；f 是透鏡的焦距； M2是激光光束的質量因數(shù)；D 是透鏡處入射激光的直徑。

為了研究透鏡沿Z 軸移動時，激光焦點的能量密度，對式（2）進行求導：

其極值點為：

當上式中x=0 時， 即激光聚焦后焦點的中心點，Z2和 Z3是虛根， 只有 Z1是實根。 當 Z＜Z1時，I（Z）′＞0，I（Z）是增函數(shù)；當 Z＞Z1時，I（Z）′＜0，I（Z）是減函數(shù)。 因此，Z=Z1處是函數(shù)的極大值點，即表明激光能量密度的最大值在激光焦點的中心點 （Z=0）。而在上述CODEV 仿真激光光路中， 考慮了透鏡材料、像差、衍射等實際情況，得到圖5 所示的曲線，當Z=2 μm 時直徑最小，對應激光能量密度最高，與理論分析得到的結果相近。

當實驗中使用的皮秒激光發(fā)生器的功率為0.15 W、質量因數(shù)為1.1 時，利用MATLAB 軟件仿真出激光焦點處的能量分布見圖9。可見，激光焦點的能量分布會受透鏡沿Z 軸移動的影響，當透鏡沿Z 軸正負方向移動時， 激光焦點處在工件表面的能量密度降低， 這與上述利用CODEV 軟件模擬得到的結論相同。

當透鏡沿Z 軸振動時，振動透鏡可等同于振動激光聚焦焦點，此時焦點的運動方程和透鏡的振動方程式一樣，表示為：

式中：φ 是透鏡振幅 A 和頻率F 的函數(shù)， 其表達式與振動信號相關。 將式（9）帶入式（2）中，可得到透鏡振動輔助激光加工中激光焦點處能量分布：

從激光能量考慮，用“激光焦點處加工區(qū)域”定義激光焦點處能量密度大于材料所能承受的臨界值，處在激光焦點處加工區(qū)域的材料可被去除。 它在傳統(tǒng)激光加工和透鏡振動輔助激光加工中分別可表示為：

式中：Ith為材料所能承受的激光能量臨界值。 可見，傳統(tǒng)激光加工和透鏡振動輔助激光加工中“激光焦點處的加工區(qū)域”不同，因此會在加工后得到不同的表面形貌。

另外，在超快激光加工中，會產生等離子體覆蓋在加工位置處，從而反射入射激光而影響激光加工。 在振動輔助方法中，由于振動的加入，會對所產生等離子體的溫度、密度發(fā)生影響，并且等離子體的位置、形狀也會發(fā)生變化，從而使更多激光照射到加工位置處，因此，振動輔助的方法與傳統(tǒng)方法在加工后會得到不同的加工形貌。

2 透鏡振動輔助激光加工實驗

圖9 是根據上述理論分析中得到的影響激光能量分布的敏感方向，設計透鏡振動輔助激光加工系統(tǒng)原理圖。 透鏡振動輔助激光加工系統(tǒng)包括皮秒激光光源、平面鏡、振動透鏡裝置和工作臺，其中透鏡的振動是由壓電陶瓷（PI，P-016.20）產生的，由電腦控制LABVIEW 軟件產生振動信號 （包括正弦信號、脈沖信號、階躍信號等），控制壓電陶瓷驅動器驅動[7]。

本實驗利用透鏡振動方法對不銹鋼材料進行激光打孔，首先對激光進行對焦，將激光焦點的中心點位置對焦到工件的表面，然后激光光束照射工件表面持續(xù)0.1 s 完成鉆孔過程。 實驗將分別使用傳統(tǒng)激光加工和透鏡振動輔助激光加工進行鉆孔，其中當使用透鏡振動輔助激光加工方法時，驅動信號為正弦信號，透鏡振動的振幅為12 μm，振動的頻率是200 Hz。 而后利用Alicona 儀器對兩種加工方式得到的孔進行測量， 比較孔的深度和直徑；深度和直徑各測量3 次，取平均值作為最終結果。

表1 是傳統(tǒng)激光加工和透鏡振動輔助激光加工得到的孔深和直徑的平均值，可見，兩種方法加工后孔的平均直徑相近，而由透鏡振動輔助激光加工后孔的平均深度比傳統(tǒng)激光加工后孔的平均深度更大，透鏡振動輔助激光加工所得的孔深比傳統(tǒng)激光加工提高了20%。 圖10 是利用兩種方法所得孔的形貌，兩種方法所得孔有所差異，驗證了上述理論分析中的透鏡振動輔助激光加工與傳統(tǒng)激光加工的激光能量分布和激光加工區(qū)域的不同。

表1 兩種方法加工的孔的參數(shù)

3 結束語

本文對透鏡振動輔助激光加工進行了研究，首先通過透鏡沿各個方向移動對激光焦點處能量分布進行仿真，確定了影響激光焦點處能量分布的敏感方向是沿激光傳播的方向；其次，通過透鏡在激光的傳播方向上的振動對激光焦點處能量分布進行了理論研究，發(fā)現(xiàn)透鏡振動輔助激光加工與傳統(tǒng)激光加工激光焦點處的加工區(qū)域不同；最后，在根據理論設計的透鏡振動輔助激光加工系統(tǒng)中對不銹鋼材料進行了激光打孔加工實驗， 其結果顯示，透鏡振動輔助激光加工和傳統(tǒng)激光加工所得孔的形狀不同，驗證了理論分析。 通過模擬仿真、理論研究、實驗驗證，透鏡振動輔助激光加工相比于傳統(tǒng)激光加工方法更能有效地提高孔的深度。