據悉，以工具為(wei) 基礎的複合激光-電化學微加工工藝是一種包含兩(liang) 種工藝同時發生的能量進行加工的複合加工過程，即電化學加工和激光加工在同一機器上利用複合的工具作為(wei) 電化學加工的工具頭，同時也作為(wei) 激光加工的導引頭實現激光加工。這是一個(ge) 相對來說比較新穎的工藝，可以應用在難加工材料且不能影響其顯微組織的前提下實現無缺陷的加工的場合。

為(wei) 了理解掌握在這一複合加工時的物理現象，對其工藝過程進行原位觀察是非常有必要的。在本文中，一個(ge) 實時的觀察在一個(ge) 以工具為(wei) 基礎的複合激光-電化學加工的過程進行了實施。組合高速攝影和大尺度粒子圖像測速技術進行對以工具為(wei) 基礎的複合激光-電化學微加工工藝進行了實時觀察。

同時允許在實驗的過程中觀察生成的副產(chan) 品和氣泡，這是從(cong) 加工精度和效率的角度出發是性能的直接表現和影響因素。在加工時實時觀察對這類工藝來說是非常獨特的，並且最終促進對複合激光-電化學加工工藝過程中的背後的主導的機理的理解。這一研究的實現是通過采用一個(ge) 高速的影像技術以閉環控製的形式實現該複合工藝中的物理機理。

■以工具為(wei) 基礎的複合激光-電化學微加工的工藝示意圖，圖解：在實際加工過程中機器設置的快照（底部圖），該工藝包括兩(liang) 個(ge) 工藝能量過程但同時在同一個(ge) 機器的加工軸上完成，即電化學加工過程和激光源

背景介紹

電化學加工是一種非傳(chuan) 統和非接觸的加工工藝，可以加工傳(chuan) 統機加工不易加工的材料，如加工鈦合金/塊體(ti) 金屬玻璃/高溫合金等。另外，在電化學加工過程中不存在工具磨損。在該工藝過程中存在由於(yu) 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(cong) 而產(chan) 生高質量和無缺陷的表麵。

為(wei) 了進一步的提升電化學加工的工藝能力，同其他加工工藝複合在一起的工藝探索就應運而生。複合微加工過程包括同時或者在隨後的過程中，複合應用兩(liang) 個(ge) 或者更多的在時間上是獨立的加工工藝過程，這幾個(ge) 工藝過程在同一設備上完成。

不同的複合微加工過程包括采用電化學微加工作為(wei) 主要的能量源，目前發展中的有電化學研磨/電化學放電加工/激光-電化學加工和超聲輔助電化學加工。複合激光-電化學微加工的工藝過程是基於(yu) 將激光和電化學加工工藝集成在同一台設備上進行加工。材料的移除機製可以在激光輔助的電化學移除或結合激光-電化學加工時在激光能量密度和在工件上有效的加工時間來確定。

複合激光-電化學加工的工藝具有如下優(you) 點：激光誘導的溫度升高可以促進電化學反應區的動力學效應，從(cong) 而導致電流密度的增加；在電化學加工易於(yu) 形成鈍化電解液的條件下，在工件表麵會(hui) 產(chan) 生鈍化層，激光會(hui) 誘導表麵鈍化層顯微結構產(chan) 生弱化效應；溫和的材料加工過程和加工傳(chuan) 導率會(hui) 發生變化的先進材料時。

據報道，激光誘導的熱場會(hui) 導致STAVAX模具鋼鈍化層（以氧氣的含量為(wei) 評價(jia) 目標）的減少，同電化學加工工藝相比較，至少減少50%。采用激光-電化學加工時，同電化學加工相比較，Ti6Al4V合金表麵上生成的鈍化層減少了至少25%。

然而，在加工WC和NbC時是例外，因為(wei) 在采用電化學加工和激光－電化學複合加工時，利用EDX成分分析發現，其表麵氧的含量幾乎沒有差別。氧化層的弱化同時在特定的激光能量的條件下也會(hui) 存在差別，如45 J時。

當將激光-電化學複合加工和電化學加工進行對比時，在參數相同的前提下，平均材料體(ti) 積的移除效率為(wei) 6.03%、7%和9.5%時，觀察到的激光脈衝(chong) 分別為(wei) 10、36和60μJ。當激光脈衝(chong) 能量增加到60μJ時，移除效率開始進一步下降。

■在ECM（左圖）和複合激光-電化學加工（右圖）時在電極間隙中及其周圍的微觀現象的示意圖，圖解：可以非常清晰的觀察到，在複合激光-電化學加工過程中，溫度誘導的的動力學的增加使得副產(chan) 品和氫氣氣泡的生成得到了加速

■對以工具為(wei) 基礎的電化學（頂部圖）加工和複合激光-電化學加工（底部）進行實時觀察和在設備中進行高速影像實驗的示意圖，圖解：在NI和VIEW的軟件界麵中，可以促使激光和電化學加工能夠同時進行，與(yu) 此同時相機通過外部的5V TTL觸發器進行記錄，相機中使用一個(ge) 綠光過濾的過濾裝置來從(cong) 捕獲的圖像中過濾掉綠色的波長

幾個(ge) 不同的物理現象控製著電化學加工工件時的質量，包括氫氣泡的生成/氧氣的生成/工件表麵的鈍化/熱的生成以及反應的副產(chan) 品的生成等。由於(yu) 這些現象均發生在在機器間隙不超過100 m時的機器周圍，所以就非常難以通過實驗手段研究工藝過程的機理，因為(wei) 技術上限製的原因。

至於(yu) 複合激光-電化學微加工工藝，電極間的狀況更複雜，需要更深入的研究。評估機器加工時間隙中的物理現象，對理解工藝過程中的背後的機理，尤其是複合加工的機理，非常關(guan) 鍵。對機器加工區域能夠進行可視化的觀察可以幫助我們(men) 確定材料移除時決(jue) 定著產(chan) 品質量的關(guan) 鍵因數。

■圖解：(a)在施加電壓為(wei) 10V的時候，在不同的ECM和複合激光-ECM工藝過程中實時觀察到的副產(chan) 品和氣泡的演化過程；(b) （a）圖中圖像1的放大圖， 顯示H2泡的運動沿著電極上升；(c) 在Matlab界麵中監控副產(chan) 品和氣泡的生成隨時間變化的強度變化時感興(xing) 趣的區域；(d, e)同一時間同一位置時ECM和激光-電化學微加工工藝的對比圖；非常清晰的觀察到在複合激光-電化學加工中，產(chan) 生的氣泡的量和副產(chan) 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過了亮化和對比度的調製，以使得副產(chan) 品和氣泡的區分明顯。

■圖解：在工作條件為(wei) 10V/30J的時候，複合激光-電化學加工過程中，沿著工具（陰極）長度方向追蹤H2泡的運動軌跡，兩(liang) 個(ge) 氣泡的位置在電極兩(liang) 端的不同時間框架下進行追蹤，顯示成紅色和黃色的圓圈。非常明顯，氣泡的移動沿著工具（陰極）的長度方向隨著時間而向上移動。

Kunieda等人對此做了一定的嚐試，獲得了導致高質量產(chan) 品的決(jue) 定材料移除的關(guan) 鍵因素。Klocke等人則使用專(zhuan) 門儀(yi) 器設置來對電化學微加工工藝過程中氣體(ti) 的演變和溫度的變化進行了形象視覺化的觀察分析。Julfekar等人則研究了在電化學放電加工過程中工具電極表麵粗糙度對氣膜厚度和尺寸過切的影響。結果發現工具電極中較高的粗糙度會(hui) 導致一個(ge) 較厚的氣膜的形成和由此導致較高的過切，反之亦然。

■圖解：(a) ECM 和激光-電化學加工時，工作條件為(wei) 20 V電壓時，在不同框架下副產(chan) 品和氣泡的實時圖像；(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動的過程；(c)圖（a）中圖像2的放大圖，顯示大量的H2泡的生成以及其運動沿著陰極運動的過程；(d, e) 圖（c）中感興(xing) 趣的區域在兩(liang) 個(ge) 框架中進行放大。在圖像 (d) 中可以更加清晰的觀察到H2氣泡的運動沿著陰極工具進行運動。非常清晰的觀察到在電壓為(wei) 20V時，比電壓為(wei) 10V時生成的副產(chan) 品和氣泡的量要多得多，同時在複合激光-電化學加工時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過了亮化和對比度的調節，以使得其可以區分副產(chan) 品和氣泡，紅色的點劃線表明了H2氣泡的運動方向。

以上研究結果獲得了較為(wei) 顯著的關(guan) 於(yu) 放電加工以及電化學加工過程中的深刻理解。然而，很少有研究是針對複合微加工而開展的。現存的工作基本上屬於(yu) 概念驗證試驗台，而且其工作狀況顯著地不同於(yu) 實際加工時的工作狀況。

■在ECM和複合激光-ECM工藝過程中，在加工電壓為(wei) 10V的時候，2D LSPIV測量所顯示出的平均速度場，圖解：顏色標尺顯示的單位為(wei) 2m/s時的速度的強度

根據以上研究結果，本文則展現在以工具為(wei) 基礎的激光-電化學微加工工藝過程中的實時觀察。結合高速影像和粒子圖像測速技術理解副產(chan) 品/氣泡的生成，以及接近機器加工區域的電解質的流動行為(wei) 。通過以工具電極為(wei) 基礎的複合激光-電化學微加工工藝的先進性，並結合實時觀察時所獲得的深刻理解，這一技術可以在微加工先進功能材料的尺度上取得技術上的突破。對製造工業(ye) 來說，這一研究是使得複合激光-電化學微加工技術上采用高速影像技術在閉環控製中所邁出的第一步。