摘要
激光抛光作为一种新型表面处理技术，具有广泛的应用前景。针对金属材料的激
光抛光需求，本文将304不锈钢作为研究对象，从数值模拟、工艺参数及抛光层性能
三个方面开展研究，主要获得的成果与结论如下：
（1）建立了激光抛光304不锈钢的二维轴对称瞬态数值模型，并根据模拟结果
分析了各工艺参数对表面形貌的影响，讨论了不同时刻基体浅层温度场、速度场及空
间曲率等的演化过程。模拟发现，脉冲激光会使抛光表面产生细小的波纹，但整体上
空间曲率会减小，因此能够达到一定的抛光效果。在熔池表面平滑过程中，毛细力主
要作用是消除具有大曲率的表面形貌，热毛细力则促使熔体在熔池中重新分布，从而
进一步降低表面粗糙度。最后通过与实验结果对比，验证了模型的有效性。
（2）设计了激光抛光304不锈钢的单因素实验，分析了各工艺参数对试样表面
粗糙度和抛光层元素含量（质量分数）的影响，得到了能够有效降低表面粗糙度的参
数范围。EDS能谱分析结果显示，随着激光功率的提高，抛光层C、Cr元素含量逐渐
减少；随着重复频率和扫描速度增大，抛光层C、Cr元素含量呈现先下降后上升的趋
势，而且较高的重复频率和扫描速度，对抛光过程中的氧化反应具有一定的抑制作用。
（3）根据304不锈钢的特有属性，将表面粗糙度值Ra和Cr元素保留率作为抛
光质量的综合评价指标。利用响应回归方程和RBF神经网络分别构建了输入变量（激
光功率、重复频率、扫描速度）与输出指标之间的预测模型，又基于多目标麻雀搜索
算法对预测精度较高的模型进行了寻优求解。采用优化所得工艺参数进行抛光实验，
试样表面粗糙度降低约62%，且抛光层Cr元素保留率高达约85.79%。
（4）与原始表面（试样1）相比，激光抛光使试样2（单因素实验优选出的工艺
参数）和试样3（多目标优化后的工艺参数）的显微硬度分别降低了约17.89%、10.01%，
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自腐蚀电流密度分别提高了约4.417μA/cm、1.794μA/cm。分析得出，随着C元素
含量的减少，不锈钢表面碳化物的数量也会减少，从而导致试样浅层金属发生了不同
程度的软化现象；而Cr元素含量减少，弱化了钢的钝化能力，同时晶粒细化与残余
-
拉应力的存在，共同为腐蚀性Cl提供了快速扩散路径，使得试样的耐腐蚀性均有所下
降。通过对比可知，经多目标优化后的工艺参数组合，不仅能够有效降低试样的表面
粗糙度，而且也能够较大程度的保持材料本身所具有的良好性能。
关键词：激光抛光；数值模拟；神经网络；多目标优化；性能分析
I
II
ABSTRACT
Asanewtechnologyforlasersurfacetreatment,laserpolishinghasabroadapplication
prospect.Aimingattherequirementsoflaserpolishingofmetalmaterials.Inthispaper,304
stainlesssteelistakenasthestudyobject,andthestudyiscarriedoutfromthreeaspectsof
numericalsimulation,processparametersandpolishinglayerperformance.Themainresults
andconclusionsareasfollows:
(1)Atwo-dimensionalaxisymmetrictransientnumericalmodelforlaserpolishing304
stainlesssteelwasestablished.Accordingtothesimulationresult