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，同時也作為激光加工的導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)激光加工。這是一個相對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)合加工時的物理現(xiàn)象，對其工藝過程進(jìn)行原位觀察是非常有必要的。在本文中，一個實(shí)時的觀察在一個以工具為基礎(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)時觀察。

同時允許在實(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。在加工時實(shí)時觀察對這類工藝來說是非常獨(dú)特的，并且最終促進(jìn)對復(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），該工藝包括兩個工藝能量過程但同時在同一個機(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或者在隨后的過程中，復(fù)合應(yīng)用兩個或者更多的在時間上是獨(dú)立的加工工藝過程，這幾個工藝過程在同一設(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)加工時在激光能量密度和在工件上有效的加工時間來確定。

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，在工件表面會產(chǎn)生鈍化層，激光會誘導(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)率會發(fā)生變化的先進(jìn)材料時。

據(jù)報道，激光誘導(dǎo)的熱場會導(dǎo)致STAVAX模具鋼鈍化層（以氧氣的含量為評價目標(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，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，利用EDX成分分析發(fā)現(xiàn)，其表面氧的含量幾乎沒有差別。氧化層的弱化同時在特定的激光能量的條件下也會存在差別，如45 J時。

當(dāng)將激光-電化學(xué)復(fù)合加工和電化學(xué)加工進(jìn)行對比時，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，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，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)加工能夠同時進(jìn)行，與此同時相機(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

幾個不同的物理現(xiàn)象控制著電化學(xué)加工工件時的質(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。評估機(jī)器加工時間隙中的物理現(xiàn)象，對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的時候，在不同的ECM和復(fù)合激光-ECM工藝過程中實(shí)時觀察到的副產(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間變化的強(qiáng)度變化時感興趣的區(qū)域；(d, e)同一時間同一位置時ECM和激光-電化學(xué)微加工工藝的對比圖；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)動軌跡，兩個氣泡的位置在電極兩端的不同時間框架下進(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導(dǎo)致一個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，工作條件為20 V電壓時，在不同框架下副產(chǎn)品和氣泡的實(shí)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(yùn)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(yùn)動沿著陰極運(yùn)動的過程；(d, e) 圖（c）中感興趣的區(qū)域在兩個框架中進(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)動沿著陰極工具進(jìn)行運(yùn)動。非常清晰的觀察到在電壓為20V時，比電壓為10V時生成的副產(chǎn)品和氣泡的量要多得多，同時在復(fù)合激光-電化學(xué)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(jīng)過了亮化和對比度的調(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，很少有研究是針對復(fù)合微加工而開展的?，F(xiàn)存的工作基本上屬于概念驗(yàn)證試驗(yàn)臺，而且其工作狀況顯著地不同于實(shí)際加工時的工作狀況。

■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)時觀察時所獲得的深刻理解，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。