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據(jù)悉，以工具為基礎(chǔ)的復(fù)合激光-電化學(xué)微加工工藝是一種包含兩種工藝同時(shí)發(fā)生的能量進(jìn)行加工的復(fù)合加工過程，即電化學(xué)加工和激光加工在同一機(jī)器上利用復(fù)合的工具作為電化學(xué)加工的工具頭，同時(shí)也作為激光加工的導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)激光加工。這是一個(gè)相對(duì)來說比較新穎的工藝，可以應(yīng)用在難加工材料且不能影響其顯微組織的前提下實(shí)現(xiàn)無缺陷的加工的場合。
為了理解掌握在這一復(fù)合加工時(shí)的物理現(xiàn)象，對(duì)其工藝過程進(jìn)行原位觀察是非常有必要的。在本文中，一個(gè)實(shí)時(shí)的觀察在一個(gè)以工具為基礎(chǔ)的復(fù)合激光-電化學(xué)加工的過程進(jìn)行了實(shí)施。組合高速攝影和大尺度粒子圖像測速技術(shù)進(jìn)行對(duì)以工具為基礎(chǔ)的復(fù)合激光-電化學(xué)微加工工藝進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀察。
同時(shí)允許在實(shí)驗(yàn)的過程中觀察生成的副產(chǎn)品和氣泡，這是從加工精度和效率的角度出發(fā)是性能的直接表現(xiàn)和影響因素。在加工時(shí)實(shí)時(shí)觀察對(duì)這類工藝來說是非常獨(dú)特的，并且最終促進(jìn)對(duì)復(fù)合激光-電化學(xué)加工工藝過程中的背后的主導(dǎo)的機(jī)理的理解。這一研究的實(shí)現(xiàn)是通過采用一個(gè)高速的影像技術(shù)以閉環(huán)控制的形式實(shí)現(xiàn)該復(fù)合工藝中的物理機(jī)理。
■以工具為基礎(chǔ)的復(fù)合激光-電化學(xué)微加工的工藝示意圖，圖解：在實(shí)際加工過程中機(jī)器設(shè)置的快照（底部圖），該工藝包括兩個(gè)工藝能量過程但同時(shí)在同一個(gè)機(jī)器的加工軸上完成，即電化學(xué)加工過程和激光源
背景介紹
電化學(xué)加工是一種非傳統(tǒng)和非接觸的加工工藝，可以加工傳統(tǒng)機(jī)加工不易加工的材料，如加工鈦合金/塊體金屬玻璃/高溫合金等。另外，在電化學(xué)加工過程中不存在工具磨損。在該工藝過程中存在由于陽極溶解所造成的材料去除，同激光微加工和電火花加工相比較，從而產(chǎn)生高質(zhì)量和無缺陷的表面。
為了進(jìn)一步的提升電化學(xué)加工的工藝能力，同其他加工工藝復(fù)合在一起的工藝探索就應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合微加工過程包括同時(shí)或者在隨后的過程中，復(fù)合應(yīng)用兩個(gè)或者更多的在時(shí)間上是獨(dú)立的加工工藝過程，這幾個(gè)工藝過程在同一設(shè)備上完成。
不同的復(fù)合微加工過程包括采用電化學(xué)微加工作為主要的能量源，目前發(fā)展中的有電化學(xué)研磨/電化學(xué)放電加工/激光-電化學(xué)加工和超聲輔助電化學(xué)加工。復(fù)合激光-電化學(xué)微加工的工藝過程是基于將激光和電化學(xué)加工工藝集成在同一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行加工。材料的移除機(jī)制可以在激光輔助的電化學(xué)移除或結(jié)合激光-電化學(xué)加工時(shí)在激光能量密度和在工件上有效的加工時(shí)間來確定。
復(fù)合激光-電化學(xué)加工的工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：激光誘導(dǎo)的溫度升高可以促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)區(qū)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，從而導(dǎo)致電流密度的增加；在電化學(xué)加工易于形成鈍化電解液的條件下，在工件表面會(huì)產(chǎn)生鈍化層，激光會(huì)誘導(dǎo)表面鈍化層顯微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生弱化效應(yīng)；溫和的材料加工過程和加工傳導(dǎo)率會(huì)發(fā)生變化的先進(jìn)材料時(shí)。
據(jù)報(bào)道，激光誘導(dǎo)的熱場會(huì)導(dǎo)致STAVAX模具鋼鈍化層（以氧氣的含量為評(píng)價(jià)目標(biāo)）的減少，同電化學(xué)加工工藝相比較，至少減少50%。采用激光-電化學(xué)加工時(shí)，同電化學(xué)加工相比較，Ti6Al4V合金表面上生成的鈍化層減少了至少25%。
然而，在加工WC和NbC時(shí)是例外，因?yàn)樵诓捎秒娀瘜W(xué)加工和激光－電化學(xué)復(fù)合加工時(shí)，利用EDX成分分析發(fā)現(xiàn)，其表面氧的含量幾乎沒有差別。氧化層的弱化同時(shí)在特定的激光能量的條件下也會(huì)存在差別，如45 J時(shí)。
當(dāng)將激光-電化學(xué)復(fù)合加工和電化學(xué)加工進(jìn)行對(duì)比時(shí)，在參數(shù)相同的前提下，平均材料體積的移除效率為6.03%、7%和9.5%時(shí)，觀察到的激光脈沖分別為10、36和60μJ。當(dāng)激光脈沖能量增加到60μJ時(shí)，移除效率開始進(jìn)一步下降。
■在ECM（左圖）和復(fù)合激光-電化學(xué)加工（右圖）時(shí)在電極間隙中及其周圍的微觀現(xiàn)象的示意圖，圖解：可以非常清晰的觀察到，在復(fù)合激光-電化學(xué)加工過程中，溫度誘導(dǎo)的的動(dòng)力學(xué)的增加使得副產(chǎn)品和氫氣氣泡的生成得到了加速
■對(duì)以工具為基礎(chǔ)的電化學(xué)（頂部圖）加工和復(fù)合激光-電化學(xué)加工（底部）進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察和在設(shè)備中進(jìn)行高速影像實(shí)驗(yàn)的示意圖，圖解：在NI和VIEW的軟件界面中，可以促使激光和電化學(xué)加工能夠同時(shí)進(jìn)行，與此同時(shí)相機(jī)通過外部的5V TTL觸發(fā)器進(jìn)行記錄，相機(jī)中使用一個(gè)綠光過濾的過濾裝置來從捕獲的圖像中過濾掉綠色的波長
幾個(gè)不同的物理現(xiàn)象控制著電化學(xué)加工工件時(shí)的質(zhì)量，包括氫氣泡的生成/氧氣的生成/工件表面的鈍化/熱的生成以及反應(yīng)的副產(chǎn)品的生成等。由于這些現(xiàn)象均發(fā)生在在機(jī)器間隙不超過100 m時(shí)的機(jī)器周圍，所以就非常難以通過實(shí)驗(yàn)手段研究工藝過程的機(jī)理，因?yàn)榧夹g(shù)上限制的原因。
至于復(fù)合激光-電化學(xué)微加工工藝，電極間的狀況更復(fù)雜，需要更深入的研究。評(píng)估機(jī)器加工時(shí)間隙中的物理現(xiàn)象，對(duì)理解工藝過程中的背后的機(jī)理，尤其是復(fù)合加工的機(jī)理，非常關(guān)鍵。對(duì)機(jī)器加工區(qū)域能夠進(jìn)行可視化的觀察可以幫助我們確定材料移除時(shí)決定著產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因數(shù)。
■圖解：(a)在施加電壓為10V的時(shí)候，在不同的ECM和復(fù)合激光-ECM工藝過程中實(shí)時(shí)觀察到的副產(chǎn)品和氣泡的演化過程；(b) （a）圖中圖像1的放大圖， 顯示H2泡的運(yùn)動(dòng)沿著電極上升；(c) 在Matlab界面中監(jiān)控副產(chǎn)品和氣泡的生成隨時(shí)間變化的強(qiáng)度變化時(shí)感興趣的區(qū)域；(d, e)同一時(shí)間同一位置時(shí)ECM和激光-電化學(xué)微加工工藝的對(duì)比圖；非常清晰的觀察到在復(fù)合激光-電化學(xué)加工中，產(chǎn)生的氣泡的量和副產(chǎn)品的量比在同等電壓下ECM加工的要多，所有以上的圖像均經(jīng)過了亮化和對(duì)比度的調(diào)制，以使得副產(chǎn)品和氣泡的區(qū)分明顯。
■圖解：在工作條件為10V/30J的時(shí)候，復(fù)合激光-電化學(xué)加工過程中，沿著工具（陰極）長度方向追蹤H2泡的運(yùn)動(dòng)軌跡，兩個(gè)氣泡的位置在電極兩端的不同時(shí)間框架下進(jìn)行追蹤，顯示成紅色和黃色的圓圈。非常明顯，氣泡的移動(dòng)沿著工具（陰極）的長度方向隨著時(shí)間而向上移動(dòng)。
Kunieda等人對(duì)此做了一定的嘗試，獲得了導(dǎo)致高質(zhì)量產(chǎn)品的決定材料移除的關(guān)鍵因素。Klocke等人則使用專門儀器設(shè)置來對(duì)電化學(xué)微加工工藝過程中氣體的演變和溫度的變化進(jìn)行了形象視覺化的觀察分析。Julfekar等人則研究了在電化學(xué)放電加工過程中工具電極表面粗糙度對(duì)氣膜厚度和尺寸過切的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)工具電極中較高的粗糙度會(huì)導(dǎo)致一個(gè)較厚的氣膜的形成和由此導(dǎo)致較高的過切，反之亦然。
■圖解：(a) ECM 和激光-電化學(xué)加工時(shí)，工作條件為20 V電壓時(shí)，在不同框架下副產(chǎn)品和氣泡的實(shí)時(shí)圖像；(b)圖（a）中1的放大圖，顯示大量的H2泡的生成以及氣泡沿著陰極運(yùn)動(dòng)的過程；(c)圖（a）中圖像2的放大圖，顯示大量的H2泡的生成以及其運(yùn)動(dòng)沿著陰極運(yùn)動(dòng)的過程；(d, e) 圖（c）中感興趣的區(qū)域在兩個(gè)框架中進(jìn)行放大。在圖像 (d) 中可以更加清晰的觀察到H2氣泡的運(yùn)動(dòng)沿著陰極工具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。非常清晰的觀察到在電壓為20V時(shí)，比電壓為10V時(shí)生成的副產(chǎn)品和氣泡的量要多得多，同時(shí)在復(fù)合激光-電化學(xué)加工時(shí)要比在同等電壓下的ECM加工要多。以上所有的框架所展示的圖像均經(jīng)過了亮化和對(duì)比度的調(diào)節(jié)，以使得其可以區(qū)分副產(chǎn)品和氣泡，紅色的點(diǎn)劃線表明了H2氣泡的運(yùn)動(dòng)方向。
以上研究結(jié)果獲得了較為顯著的關(guān)于放電加工以及電化學(xué)加工過程中的深刻理解。然而，很少有研究是針對(duì)復(fù)合微加工而開展的。現(xiàn)存的工作基本上屬于概念驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)，而且其工作狀況顯著地不同于實(shí)際加工時(shí)的工作狀況。
■在ECM和復(fù)合激光-ECM工藝過程中，在加工電壓為10V的時(shí)候，2D LSPIV測量所顯示出的平均速度場，圖解：顏色標(biāo)尺顯示的單位為2m/s時(shí)的速度的強(qiáng)度
根據(jù)以上研究結(jié)果，本文則展現(xiàn)在以工具為基礎(chǔ)的激光-電化學(xué)微加工工藝過程中的實(shí)時(shí)觀察。結(jié)合高速影像和粒子圖像測速技術(shù)理解副產(chǎn)品/氣泡的生成，以及接近機(jī)器加工區(qū)域的電解質(zhì)的流動(dòng)行為。通過以工具電極為基礎(chǔ)的復(fù)合激光-電化學(xué)微加工工藝的先進(jìn)性，并結(jié)合實(shí)時(shí)觀察時(shí)所獲得的深刻理解，這一技術(shù)可以在微加工先進(jìn)功能材料的尺度上取得技術(shù)上的突破。對(duì)制造工業(yè)來說，這一研究是使得復(fù)合激光-電化學(xué)微加工技術(shù)上采用高速影像技術(shù)在閉環(huán)控制中所邁出的第一步。
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