据悉，以工具为基础的复合激光-电化学微加工工艺是一种包含两种工艺同时发生的能量进行加工的复合加工过程，即电化学加工和激光加工在同一机器上利用复合的工具作为电化学加工的工具头，同时也作为激光加工的导引头实现激光加工。这是一个相对来说比较新颖的工艺，可以应用在难加工材料且不能影响其显微组织的前提下实现无缺陷的加工的场合。

为了理解掌握在这一复合加工时的物理现象，对其工艺过程进行原位观察是非常有必要的。在本文中，一个实时的观察在一个以工具为基础的复合激光-电化学加工的过程进行了实施。组合高速摄影和大尺度粒子图像测速技术进行对以工具为基础的复合激光-电化学微加工工艺进行了实时观察。

同时允许在实验的过程中观察生成的副产品和气泡，这是从加工精度和效率的角度出发是性能的直接表现和影响因素。在加工时实时观察对这类工艺来说是非常独特的，并且最终促进对复合激光-电化学加工工艺过程中的背后的主导的机理的理解。这一研究的实现是通过采用一个高速的影像技术以闭环控制的形式实现该复合工艺中的物理机理。

■以工具为基础的复合激光-电化学微加工的工艺示意图，图解：在实际加工过程中机器设置的快照（底部图），该工艺包括两个工艺能量过程但同时在同一个机器的加工轴上完成，即电化学加工过程和激光源

背景介绍

电化学加工是一种非传统和非接触的加工工艺，可以加工传统机加工不易加工的材料，如加工钛合金/块体金属玻璃/高温合金等。另外，在电化学加工过程中不存在工具磨损。在该工艺过程中存在由于阳极溶解所造成的材料去除，同激光微加工和电火花加工相比较，从而产生高质量和无缺陷的表面。

为了进一步的提升电化学加工的工艺能力，同其他加工工艺复合在一起的工艺探索就应运而生。复合微加工过程包括同时或者在随后的过程中，复合应用两个或者更多的在时间上是独立的加工工艺过程，这几个工艺过程在同一设备上完成。

不同的复合微加工过程包括采用电化学微加工作为主要的能量源，目前发展中的有电化学研磨/电化学放电加工/激光-电化学加工和超声辅助电化学加工。复合激光-电化学微加工的工艺过程是基于将激光和电化学加工工艺集成在同一台设备上进行加工。材料的移除机制可以在激光辅助的电化学移除或结合激光-电化学加工时在激光能量密度和在工件上有效的加工时间来确定。

复合激光-电化学加工的工艺具有如下优点：激光诱导的温度升高可以促进电化学反应区的动力学效应，从而导致电流密度的增加；在电化学加工易于形成钝化电解液的条件下，在工件表面会产生钝化层，激光会诱导表面钝化层显微结构产生弱化效应；温和的材料加工过程和加工传导率会发生变化的先进材料时。

据报道，激光诱导的热场会导致STAVAX模具钢钝化层（以氧气的含量为评价目标）的减少，同电化学加工工艺相比较，至少减少50%。采用激光-电化学加工时，同电化学加工相比较，Ti6Al4V合金表面上生成的钝化层减少了至少25%。

然而，在加工WC和NbC时是例外，因为在采用电化学加工和激光－电化学复合加工时，利用EDX成分分析发现，其表面氧的含量几乎没有差别。氧化层的弱化同时在特定的激光能量的条件下也会存在差别，如45 J时。

当将激光-电化学复合加工和电化学加工进行对比时，在参数相同的前提下，平均材料体积的移除效率为6.03%、7%和9.5%时，观察到的激光脉冲分别为10、36和60μJ。当激光脉冲能量增加到60μJ时，移除效率开始进一步下降。

■在ECM（左图）和复合激光-电化学加工（右图）时在电极间隙中及其周围的微观现象的示意图，图解：可以非常清晰的观察到，在复合激光-电化学加工过程中，温度诱导的的动力学的增加使得副产品和氢气气泡的生成得到了加速

■对以工具为基础的电化学（顶部图）加工和复合激光-电化学加工（底部）进行实时观察和在设备中进行高速影像实验的示意图，图解：在NI和VIEW的软件界面中，可以促使激光和电化学加工能够同时进行，与此同时相机通过外部的5V TTL触发器进行记录，相机中使用一个绿光过滤的过滤装置来从捕获的图像中过滤掉绿色的波长

几个不同的物理现象控制着电化学加工工件时的质量，包括氢气泡的生成/氧气的生成/工件表面的钝化/热的生成以及反应的副产品的生成等。由于这些现象均发生在在机器间隙不超过100 m时的机器周围，所以就非常难以通过实验手段研究工艺过程的机理，因为技术上限制的原因。

至于复合激光-电化学微加工工艺，电极间的状况更复杂，需要更深入的研究。评估机器加工时间隙中的物理现象，对理解工艺过程中的背后的机理，尤其是复合加工的机理，非常关键。对机器加工区域能够进行可视化的观察可以帮助我们确定材料移除时决定着产品质量的关键因数。

■图解：(a)在施加电压为10V的时候，在不同的ECM和复合激光-ECM工艺过程中实时观察到的副产品和气泡的演化过程；(b) （a）图中图像1的放大图， 显示H2泡的运动沿着电极上升；(c) 在Matlab界面中监控副产品和气泡的生成随时间变化的强度变化时感兴趣的区域；(d, e)同一时间同一位置时ECM和激光-电化学微加工工艺的对比图；非常清晰的观察到在复合激光-电化学加工中，产生的气泡的量和副产品的量比在同等电压下ECM加工的要多，所有以上的图像均经过了亮化和对比度的调制，以使得副产品和气泡的区分明显。

■图解：在工作条件为10V/30J的时候，复合激光-电化学加工过程中，沿着工具（阴极）长度方向追踪H2泡的运动轨迹，两个气泡的位置在电极两端的不同时间框架下进行追踪，显示成红色和黄色的圆圈。非常明显，气泡的移动沿着工具（阴极）的长度方向随着时间而向上移动。

Kunieda等人对此做了一定的尝试，获得了导致高质量产品的决定材料移除的关键因素。Klocke等人则使用专门仪器设置来对电化学微加工工艺过程中气体的演变和温度的变化进行了形象视觉化的观察分析。Julfekar等人则研究了在电化学放电加工过程中工具电极表面粗糙度对气膜厚度和尺寸过切的影响。结果发现工具电极中较高的粗糙度会导致一个较厚的气膜的形成和由此导致较高的过切，反之亦然。

■图解：(a) ECM 和激光-电化学加工时，工作条件为20 V电压时，在不同框架下副产品和气泡的实时图像；(b)图（a）中1的放大图，显示大量的H2泡的生成以及气泡沿着阴极运动的过程；(c)图（a）中图像2的放大图，显示大量的H2泡的生成以及其运动沿着阴极运动的过程；(d, e) 图（c）中感兴趣的区域在两个框架中进行放大。在图像 (d) 中可以更加清晰的观察到H2气泡的运动沿着阴极工具进行运动。非常清晰的观察到在电压为20V时，比电压为10V时生成的副产品和气泡的量要多得多，同时在复合激光-电化学加工时要比在同等电压下的ECM加工要多。以上所有的框架所展示的图像均经过了亮化和对比度的调节，以使得其可以区分副产品和气泡，红色的点划线表明了H2气泡的运动方向。

以上研究结果获得了较为显著的关于放电加工以及电化学加工过程中的深刻理解。然而，很少有研究是针对复合微加工而开展的。现存的工作基本上属于概念验证试验台，而且其工作状况显著地不同于实际加工时的工作状况。

■在ECM和复合激光-ECM工艺过程中，在加工电压为10V的时候，2D LSPIV测量所显示出的平均速度场，图解：颜色标尺显示的单位为2m/s时的速度的强度

根据以上研究结果，本文则展现在以工具为基础的激光-电化学微加工工艺过程中的实时观察。结合高速影像和粒子图像测速技术理解副产品/气泡的生成，以及接近机器加工区域的电解质的流动行为。通过以工具电极为基础的复合激光-电化学微加工工艺的先进性，并结合实时观察时所获得的深刻理解，这一技术可以在微加工先进功能材料的尺度上取得技术上的突破。对制造工业来说，这一研究是使得复合激光-电化学微加工技术上采用高速影像技术在闭环控制中所迈出的第一步。