重庆大学 肖贵坚 艾斯迪 刘帅 宋沙雨 林瓯川/文

摘要：超快激光制备表面微纳结构已经成为一种具有重要发展意义的技术方法，通过激光制备表面微纳结构可以改善材料的自身性能，也可实现新材料的研发，然而激光加工效率较低，通过激光砂带协同加工可以有效提高表面微纳结构的效率。本文探索性研究了加工参数对激光砂带协同加工表面微纳结构的亲疏水性能的影响。结果表明，随砂带进给速度增大，接触角呈现出随之增大的趋势；当激光扫描线间距为0.003mm时，进给速度为1mm/s所加工的表面接触角更大；随激光扫描线速度的增大，接触角则整体呈现出先减小后增大的趋势。

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引言

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激光加工技术因为其超精密、低损伤、成本低等特点逐渐被应用于微纳结构的加工当中，脉冲激光不同于其他工艺的最大特点是能一次加工实现特定的结构，避免了其他复合加工工艺所带来的工艺间的相互影响。随着脉冲激光的脉宽逐渐减小，其加工过程中热影响越小，加工材料边缘越平整(对应的加工精度越高)。当脉冲激光的脉宽在皮秒（10-12s）级别或小于皮秒激光时，被称为超快激光。使用超快激光能够有效避免长脉宽、低强度激光造成材料熔化与持续蒸发现象，可以大大提高加工质量。激光加工技术按照其形成的方式可分为超快激光诱导的亚波长周期性微纳结构和沿扫面轨迹所产生的微纳结构。制备表面微纳结构可以改善材料的自身性能，也可实现新材料的研发，这使超快激光制备表面微纳结构成为一种具有重要发展意义的技术方法。

本试验采用皮秒激光器和砂带磨头在TC4合金表面加工微结构，激光和砂带协同下可以快速去除材料。具有规则磨粒的砂带可以在表面形成规则沟槽，激光可以对沟槽结构进行修饰，也可以通过大能量熔化去除材料，形成复合沟槽结构。为探究加工参数对激光砂带协同加工表面亲疏水性能的影响，进行相应的单因素实验，以探究单个参数与表面接触角的影响关系。本论文主要围绕砂带进给速度、激光扫描线间距展开研究。

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1、实验方案

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1.1 实验材料

本实验所采用的工件材料为钛合金板材，如图1所示，实验钛合金板材的尺寸为200mm×100mm×2mm。实验所用砂带为金字塔砂带。

图1、钛合金实验板材

1.2 实验装置

本次实验采用的是由重庆大学高服役表面加工团队自主开发设计的激光砂带协同加工装备，该设备结合了超快激光加工的高精度、无损伤和砂带磨削高效率、高表面完整性的加工特点，能实现仿生或功能性微纳结构高效、高精度及其强化加工。为超疏水、减阻以及其他仿生功能表面的大面积加工提供了一种创新的方法，有助于实现微纳结构在叶片、螺旋桨等复杂曲面上的工程应用，形成了稳定的研究方向。

如图2所示，激光砂带协同加工装备涵盖皮秒激光加工和砂带同时加工的能力，打破了不能形成特定微纳结构表面的传统砂带磨削及不能实现高效率材料去除的皮秒激光加工的局限。装备集成了高端冷光源激光加工成套设备和砂带磨削装置，整体采用大理石框架结构，具有高稳定性，集成激光发生器、激光传输聚焦扫描系统、三轴运动平台、观察系统、外围辅助系统（集尘吹气等）以及控制系统，各部分相互配合形成统一的整体。以此设备可以进行不同材料的激光砂带协同工艺研发，建立并扩展激光砂带微加工不同类材料的工艺研发数据库，在成熟工艺条件下进行加工生产。

图2、激光砂带协同加工装备

1.3 金字塔砂带磨粒标定

首先对金字塔砂带的磨粒特征进行检测，观察其是否具有规则的分布，从而能在工件表面形成规则沟槽。金字塔砂带上的磨粒形貌如图3所示，可以看到砂带上规则分布着金字塔形状磨粒，金字塔长度约为679.1 μm，宽度为575.5 μm，高度为292.1 μm。金字塔砂带磨粒尺寸是微米尺度的，因此它加工后的磨痕至少也是微米尺度的，因此利用该砂带形成微结构是可能的。

图3、金字塔砂带磨粒

1.4 实验方法

由于进给速度和扫描线间距是影响微观结构的主要参数，因此我们主要对这两个参数进行了研究，通过固定下砂带线速度4.4m/s、激光器功率9.6W以及磨削下压量0.1mm的三个工艺参数的情况下，探索不同进给速度以及扫描线间距对表面亲疏水性能的影响。

实验遵循控制变量法，第一步选择要测定的实验变量因素，选定磨削实验参数，并将进给速度和扫描线间距两种实验变量设定为通常使用的中间值。将实验变量设定变化范围，并划分不同组。本次实验主要研究了进给速度0.1~1 mm/s、线间距0.0001~0.03 mm范围内加工参数对加工表面亲疏水性能的影响。第二步，核验安装实验测量设备。安装好砂带（本次实验选用金字塔砂带）以及磨削板料。第三步，进行实验。依次完成同组的不同变量的实验磨削，并依据变量特点进行实验数据组的顺次编号。同一组数据进行 2 次，磨削长度为60mm。剔除不良的数据组求平均，得到每个变量下的有效实验组。第四步，进行接触角测量。第五步，将所得数据进行整理汇总，得出有明显规律趋势的实验参数。

为了提高激光砂带协同加工下表面的微结构精度，本文还提出了纵向进给激光砂带协同加工方法，在这种进给方式下，激光扫描的轨迹与金字塔砂带上的磨粒运动轨迹有高度的一致性，因此激光和金字塔砂带可以有效地协同加工。实验参数如表1所示。

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2.实验结果与分析

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2.1 工件表面形貌

为了提高激光砂带协同加工下表面的微结构精度，本文采用纵向进给激光砂带协同加工方法，在这种进给方式下，激光扫描的轨迹与金字塔砂带上的磨粒运动轨迹有高度的一致性，加工所得到的工件表面形貌如图4所示。可以看出，由于激光扫描轨迹与砂带运动方向具有高度的一致性，使得工件表面呈现明显的肋状纹理微纳结构。

图4、纵向进给激光砂带协同加工工件表面

2.2 不同加工参数对亲疏水性能的影响

实验主要研究了进给速度0.1~1 mm/s、线间距0.0001~0.03 mm范围内加工参数对加工表面亲疏水性能的影响。实验结果如图5所示。

图5、不同工艺参数下接触角数据图

随砂带进给速度增大，接触角呈现出随之增大的趋势。在激光扫描线间距变化的六组单因素对比实验中可以发现有五组基本呈现出所述规律。而可以发现的是，当进给速度为1mm/s时，接触角较小，并且进给速度减小（0.5、0.1mm/s）时的接触角差值较大。但是随进给速度减小，接触角的差值并不明显。这符合极限思想，即是说当进给速度趋近于零时，工件表面并未受到加工，表面能并未增加，但由于金属表面普遍具有亲水特性，因此虽然随进给速度减小，接触角增大，但其值并未超过90°。可以设想，存在一个进给速度分界值，使得当实际进给速度大于该值时，接触角会较大幅度减小。

不过当激光扫描线间距为0.003mm时，进给速度为1mm/s所加工的表面接触角更大。由于表面能与粗糙度的表面是疏水表面的两个主要影响因素，而在本次实验中，由上所述，可以认为该组参数组合能够加工出相对更加粗糙的表面。

随激光扫描线间距的增大，接触角则整体呈现出先减小后增大的趋势。可以发现当进给速度为1mm/s时，接触角变化节点对应的激光扫描线间距更大；当进给速度较小时，接触角变化节点对应的激光扫描线间距更小。

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3.结论

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本文开展了结构化激光砂带协同加工实验，首先对开展了激光砂带协同纵向进给加工实验，探究了进给速度和激光扫描线间距对加工表面亲疏水性能的影响。实验发现：随砂带进给速度增大，接触角呈现出随之增大的趋势；当激光扫描线间距为0.003mm时，进给速度为1mm/s所加工的表面接触角更大；随激光扫描线速度的增大，接触角则整体呈现出先减小后增大的趋势。