透镜振动辅助激光加工技术研究

吴 昊，邹 平，康 迪，王文杰

（ 东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳 110819 ）

激光加工是一种先进的加工技术， 不仅清洁、高效、准确、重复性好，而且不与材料接触、不受加工材料的限制，在工业中有广泛的应用前景。 然而在传统的激光加工过程中，加工后的零件经常会出现热影响区、发生熔化后的材料重新凝固在零件表面等情况，影响加工后的工件表面质量[1]。 为解决这些问题，近年来振动辅助激光加工作为改进的加工方法大量研究。

目前，振动辅助激光加工有两种方式：工件振动辅助激光加工和透镜振动辅助激光加工。 工件振动辅助激光加工可有效地降低被加工工件的表面粗糙度，改变工件表面的微结构、硬度并提高孔的深径比[2-4]；透镜振动辅助激光加工也能降低被加工工件的表面粗糙度，提高孔的深径比[5]。 对于工件振动辅助激光加工的研究有很多，而对于透镜振动辅助激光加工的研究却很少。

基于此， 本文从激光焦点处能量分布角度，对透镜振动辅助激光加工过程进行研究。 从理论上分析了影响激光焦点处能量分布的敏感方向及透镜振动辅助激光加工、 传统激光加工的激光加工区域， 介绍了透镜振动辅助激光加工系统和实验过程，并通过实验验证了理论分析。

1 透镜振动辅助激光加工

透镜振动辅助激光加工与传统激光加工的原理相似，是将激光光束通过透镜聚焦到加工材料表面， 当激光的能量密度超过材料所能承受的临界值，材料被去除，从而达到加工的目的。 因此，激光作为能量源在加工中是一个重要的因素，而在激光加工过程中振动透镜可直接影响激光聚焦焦点处的能量分布，所以透镜振动辅助激光加工可达到改善被加工工件表面质量的目的。 为了研究透镜振动辅助激光加工，首先要确定透镜振动方向，而后对透镜振动辅助激光加工原理进行分析。

1.1 透镜振动方向对激光能量分布的影响

本实验设计的透镜振动辅助激光加工系统，选用ACA254-030-532 型透镜， 激光光源的波长为532 nm，透镜处的入射激光直径为6 mm。 根据上述参数， 利用CODEV 软件模拟激光通过透镜得到最佳聚焦焦点的光路图（图1），其焦点处在工件表面的能量分布见图2，其中A 点代表激光能量的60%集中在工件表面直径为1.16 μm 的区域内。

图2 中曲线的斜率可定义为激光的能量密度I，表达式为：

式中：P 是激光的功率；d 是激光聚集区域的直径。可见，当激光功率一定时，激光的能量密度越大，其聚集区域的直径越小， 这表示曲线的斜率越大，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%作为标准，当透镜振动时，将以聚焦区域的直径作为反映激光能量密度高低的评判标准。

在设计透镜振动辅助激光加工系统时，首先要确定影响激光能量分布的敏感方向，透镜的振动需沿此方向。 固定工件时，透镜可沿3 个方向振动，分别为图1b 中垂直于激光传播方向的沿X、Y 方向和沿激光传播的Z 方向。 透镜沿X、Y 方向振动时，激光的能量分布变化一样，因此只需研究透镜沿X 和Z 方向振动时， 采用CODEV 软件仿真在工件表面的激光能量分布。 为了确定影响激光能量分布的敏感方向，当透镜沿某一方向振动时，将会比较聚焦区域的直径。

1.1.1 透镜沿X 方向振动

由于透镜沿X 轴的正方向和负方向移动时，激光的能量分布变化一样，只需研究透镜沿X 轴正方向移动时激光能量分布变化即可。 图3 是当透镜沿X 轴正方向移动时聚焦区域直径的变化， 未发现明显变化。图4 是透镜沿X 轴正方向移动15 μm 时工件的表面激光能量分布，其与图2 中透镜未移动的激光能量分布曲线相近。

1.1.2 透镜沿Z 方向振动

图5 是透镜沿Z 轴移动时聚焦区域直径的变化，可见，当透镜从原位置沿Z 轴负方向移动时，聚焦区域直径逐渐变大， 表明激光能量密度变小；当透镜从原位置沿Z 轴正方向移动时，聚焦区域直径先变小后变大，表明激光能量密度先变大后变小。

图6 是透镜沿Z 轴正方向移动9 μm 时工件表面激光能量分布，相比图2 中的透镜未移动时的曲线更平滑，也说明了激光能量密度有所变小。

基于以上分析发现，透镜的振动可改变激光的能量分布，当透镜沿Z 轴振动时，激光能量分布变化大，所以Z 轴是影响激光能量分布的敏感方向。

1.2 透镜振动辅助激光加工的能量分布

图7 是针对透镜振动辅助激光加工过程建立的坐标系。 当激光通过透镜聚焦在工件表面后，其焦点处的能量密度可以表示为[6]：

式中：λ 是激光的波长；f 是透镜的焦距； M2是激光光束的质量因数；D 是透镜处入射激光的直径。

为了研究透镜沿Z 轴移动时，激光焦点的能量密度，对式（2）进行求导：

其极值点为：

当上式中x=0 时， 即激光聚焦后焦点的中心点，Z2和 Z3是虚根， 只有 Z1是实根。 当 Z＜Z1时，I（Z）′＞0，I（Z）是增函数；当 Z＞Z1时，I（Z）′＜0，I（Z）是减函数。 因此，Z=Z1处是函数的极大值点，即表明激光能量密度的最大值在激光焦点的中心点 （Z=0）。而在上述CODEV 仿真激光光路中， 考虑了透镜材料、像差、衍射等实际情况，得到图5 所示的曲线，当Z=2 μm 时直径最小，对应激光能量密度最高，与理论分析得到的结果相近。

当实验中使用的皮秒激光发生器的功率为0.15 W、质量因数为1.1 时，利用MATLAB 软件仿真出激光焦点处的能量分布见图9。可见，激光焦点的能量分布会受透镜沿Z 轴移动的影响，当透镜沿Z 轴正负方向移动时， 激光焦点处在工件表面的能量密度降低， 这与上述利用CODEV 软件模拟得到的结论相同。

当透镜沿Z 轴振动时，振动透镜可等同于振动激光聚焦焦点，此时焦点的运动方程和透镜的振动方程式一样，表示为：

式中：φ 是透镜振幅 A 和频率F 的函数， 其表达式与振动信号相关。 将式（9）带入式（2）中，可得到透镜振动辅助激光加工中激光焦点处能量分布：

从激光能量考虑，用“激光焦点处加工区域”定义激光焦点处能量密度大于材料所能承受的临界值，处在激光焦点处加工区域的材料可被去除。 它在传统激光加工和透镜振动辅助激光加工中分别可表示为：

式中：Ith为材料所能承受的激光能量临界值。 可见，传统激光加工和透镜振动辅助激光加工中“激光焦点处的加工区域”不同，因此会在加工后得到不同的表面形貌。

另外，在超快激光加工中，会产生等离子体覆盖在加工位置处，从而反射入射激光而影响激光加工。 在振动辅助方法中，由于振动的加入，会对所产生等离子体的温度、密度发生影响，并且等离子体的位置、形状也会发生变化，从而使更多激光照射到加工位置处，因此，振动辅助的方法与传统方法在加工后会得到不同的加工形貌。

2 透镜振动辅助激光加工实验

图9 是根据上述理论分析中得到的影响激光能量分布的敏感方向，设计透镜振动辅助激光加工系统原理图。 透镜振动辅助激光加工系统包括皮秒激光光源、平面镜、振动透镜装置和工作台，其中透镜的振动是由压电陶瓷（PI，P-016.20）产生的，由电脑控制LABVIEW 软件产生振动信号 （包括正弦信号、脉冲信号、阶跃信号等），控制压电陶瓷驱动器驱动[7]。

本实验利用透镜振动方法对不锈钢材料进行激光打孔，首先对激光进行对焦，将激光焦点的中心点位置对焦到工件的表面，然后激光光束照射工件表面持续0.1 s 完成钻孔过程。 实验将分别使用传统激光加工和透镜振动辅助激光加工进行钻孔，其中当使用透镜振动辅助激光加工方法时，驱动信号为正弦信号，透镜振动的振幅为12 μm，振动的频率是200 Hz。 而后利用Alicona 仪器对两种加工方式得到的孔进行测量， 比较孔的深度和直径；深度和直径各测量3 次，取平均值作为最终结果。

表1 是传统激光加工和透镜振动辅助激光加工得到的孔深和直径的平均值，可见，两种方法加工后孔的平均直径相近，而由透镜振动辅助激光加工后孔的平均深度比传统激光加工后孔的平均深度更大，透镜振动辅助激光加工所得的孔深比传统激光加工提高了20%。 图10 是利用两种方法所得孔的形貌，两种方法所得孔有所差异，验证了上述理论分析中的透镜振动辅助激光加工与传统激光加工的激光能量分布和激光加工区域的不同。

表1 两种方法加工的孔的参数

3 结束语

本文对透镜振动辅助激光加工进行了研究，首先通过透镜沿各个方向移动对激光焦点处能量分布进行仿真，确定了影响激光焦点处能量分布的敏感方向是沿激光传播的方向；其次，通过透镜在激光的传播方向上的振动对激光焦点处能量分布进行了理论研究，发现透镜振动辅助激光加工与传统激光加工激光焦点处的加工区域不同；最后，在根据理论设计的透镜振动辅助激光加工系统中对不锈钢材料进行了激光打孔加工实验， 其结果显示，透镜振动辅助激光加工和传统激光加工所得孔的形状不同，验证了理论分析。 通过模拟仿真、理论研究、实验验证，透镜振动辅助激光加工相比于传统激光加工方法更能有效地提高孔的深度。