脈沖激光打孔聲波產(chǎn)生機(jī)理研究

盧 軼，馮愛新，2，戴峰澤，溫德平

(1．江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212000;2．溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 溫州325035)

1 引言

激光打孔因其加工速度快、效率高、工件裝夾方便、適用材料廣的特點(diǎn)，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。然而在孔加工過(guò)程中，存在許多問(wèn)題，例如:打孔重復(fù)精度低、孔深難以控制、孔壁有熔融物和微裂紋等［2－4］，這些缺陷在孔的加工中是應(yīng)極力避免的。

對(duì)激光打孔過(guò)程進(jìn)行反饋控制是改進(jìn)激光打孔質(zhì)量的有效手段，通過(guò)對(duì)打孔過(guò)程中各種參數(shù)的采集并進(jìn)行反饋控制可以精確控制打孔的速度與深度［5－7］，然而大部分的監(jiān)控手段對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的要求較高，無(wú)形中增加了生產(chǎn)成本。聲波信號(hào)因其檢測(cè)方便，設(shè)備成本低得到了國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注，但目前只有少量針對(duì)激光打孔過(guò)程中的聲波信號(hào)的研究:P．Sheng［8］等人測(cè)量了CO2激光打盲孔、通孔時(shí)發(fā)出的聲波信號(hào)，認(rèn)為聲波頻譜信號(hào)的變化是由輔助氣體與孔底的物理作用引起的;Simon Strgar［9］等人對(duì)Nd∶YAG激光打孔過(guò)程中的超聲波進(jìn)行了測(cè)量，利用聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間和傳播速度計(jì)算得到打孔深度;Aristidis Stournaras［10］等人認(rèn)為CO2激光打孔過(guò)程中測(cè)得的聲波信號(hào)是由輔助氣體吹入小孔發(fā)出的，提出小孔形狀的改變引起氣流運(yùn)動(dòng)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致聲波信號(hào)的波動(dòng)。

目前大部分學(xué)者認(rèn)為，聲波信號(hào)產(chǎn)生的主要原因是輔助氣體與孔的物理作用。他們所采用的輔助氣體氣壓往往較高，即針對(duì)的為強(qiáng)氣流輔助打孔法，而目前一般的打孔過(guò)程并不會(huì)采用很高的氣壓，輔助氣體的主要作用為保護(hù)切割頭與透鏡，且在小孔加工時(shí)輔助氣體很難吹入孔內(nèi)。聲波信號(hào)的產(chǎn)生是否由其他機(jī)制引發(fā)，在較低氣壓下輔助氣體對(duì)于聲波信號(hào)有著怎樣的影響，本文將對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用HC3015型CO2激光切割機(jī)進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)，激光器輸出功率恒定為4000 W，激光波長(zhǎng)為10．6μm，激光輸出參數(shù)包含輸出頻率f，占空比p，和輸出時(shí)間(打孔時(shí)間)t。當(dāng)f，p確定時(shí)，激光器的輸出脈寬w為:w=f－1×p，輔助氣體氣壓為0．05 MPa，激光切割機(jī)的焦點(diǎn)均設(shè)定于材料上表面。實(shí)驗(yàn)的測(cè)量裝置由PVDF傳感器和ECR118型背極電容傳聲器組成，二者采得的信號(hào)由YOKOGAWA DL850示波器記錄并連接電腦做濾波處理。實(shí)驗(yàn)材料為A3鋼，制成50 mm×10 mm×10 mm的金屬條，PVDF傳感器貼于材料背面，傳聲器支架高6 cm安裝在距激光輸出軸線15 cm處，且傳聲器與材料表面成30°角，實(shí)驗(yàn)裝置的具體布置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig．1 experimental setup

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 激光打孔過(guò)程中聲波產(chǎn)生機(jī)制分析

圖2為占空比為6%，激光輸出頻率200 Hz，打孔時(shí)間500 ms，無(wú)輔助氣體時(shí)PVDF測(cè)得的沖擊波信號(hào)(如圖2(a)所示)和傳聲器測(cè)得的聲波信號(hào)(如圖2(b)所示)，從圖2(a)中可以看出聲波與沖擊波的總體趨勢(shì)一致。圖2(b)為圖2(a)中矩形區(qū)域的局部放大圖，圖中顯示局部聲波信號(hào)的前兩個(gè)幅值與PVDF信號(hào)趨勢(shì)一致，測(cè)得聲波第一峰值與PVDF第一峰值之間的時(shí)間差及聲波第二峰值與PVDF第二峰值之間的時(shí)間差均為0．00041 s，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，計(jì)算得傳聲器與PVDF之間的距離為13．94 cm，與實(shí)際距離相符，可以看出打孔過(guò)程中測(cè)得的聲波信號(hào)是由PVDF所測(cè)得的信號(hào)衰減后得到。

圖2 打孔過(guò)程中聲波信號(hào)和PVDF信號(hào)Fig．2 Signals of PVDF and microphone

在打孔過(guò)程中，激光將孔底材料熔融并蒸發(fā)產(chǎn)生大量材料蒸汽，材料蒸汽與激光能量進(jìn)一步耦合產(chǎn)生等離子體，隨后等離子體不斷吸收激光能量在孔壁限制的極小的空間內(nèi)急劇膨脹，當(dāng)孔內(nèi)壓力超過(guò)一定閾值后發(fā)生爆炸，導(dǎo)致熔融材料由孔口向外噴出造成熔融物飛濺現(xiàn)象，同時(shí)爆炸引起的沖擊波作用于孔壁，形成向孔外傳播的壓縮波。激光能量的不斷輸入，陸續(xù)傳入的壓縮波會(huì)形成一個(gè)陣面陡峭的激波，當(dāng)爆炸結(jié)束時(shí)，孔壁的壓力降低，從而形成一個(gè)向靶內(nèi)傳播的稀疏波，稀疏波速度較快，很快與激波匯合，稀疏波與激波的疊加使波陣面的壓力降低，最終衰減為聲波離開材料表面，即聲波產(chǎn)生的原因?yàn)榧す庾饔糜诓牧虾笠l(fā)等離子沖擊波。

3．2 輔助氣體對(duì)聲波產(chǎn)生的影響

圖3(a)為占空比為6%，頻率200 Hz，打孔時(shí)間500 ms，輔助氣體為氧氣時(shí)的打孔聲波信號(hào)，圖3(b)為相同參數(shù)無(wú)輔助氣體時(shí)的聲波信號(hào)，由圖中可以看出:在打孔過(guò)程的500 ms內(nèi)，聲波信號(hào)的輸出可分為多個(gè)階段(圖中標(biāo)注)，圖3(a)的分段點(diǎn)在約200 ms和400 ms處，圖3(b)的分段點(diǎn)約在300 ms處，二者的第一階段波形相似但持續(xù)時(shí)間不同，在第二階段無(wú)輔助氣體作用時(shí)的聲波信號(hào)明顯減弱;然而，在氧氣作為輔助氣體時(shí)，打孔過(guò)程的后半段仍然保持了較大幅值的聲波信號(hào)輸出。

圖3 激光功率4000 W，p=6%，f=200 Hz，t=500 ms時(shí)打孔過(guò)程中的聲波信號(hào)Fig．3 Microphone signal during laser drilling with laser 4000 W，p=6%，f=200 Hz，t=500 ms

圖4 激光功率4000 W，p=3%，f=60 Hz，t=500 ms時(shí)打孔過(guò)程中的聲波信號(hào)Fig．4 Microphone signal during laser drilling with laser 4000 W，p=6%，f=200 Hz，t=500 ms

圖4 (a)、圖4(b)分別為占空比為3%，頻率為60 Hz，打孔時(shí)間500 ms，氧氣作為輔助氣體和無(wú)輔助氣體時(shí)的聲波信號(hào)。從圖4中可以看出占空比與頻率減小后輔助氣體對(duì)聲波信號(hào)的波形影響減弱，二者的聲波信號(hào)在整個(gè)打孔持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持了較為連續(xù)的聲波信號(hào)輸出，但圖4(a)的聲波信號(hào)仍然存在分段現(xiàn)象，氧氣為輔助氣體時(shí)聲波信號(hào)的最大值較大，而無(wú)輔助氣體時(shí)聲波信號(hào)的總體平均幅值大于前者。

綜合圖3和圖4的數(shù)據(jù)分析得出:在無(wú)輔助氣體且激光輸出頻率和占空比較高時(shí)，隨著激光作用時(shí)間的增長(zhǎng)、孔深度的加深，孔內(nèi)始終處于溫度較高的狀態(tài)，導(dǎo)致在孔的中上部維持了高溫高密的蒸汽層與等離子體層，使得大部分激光能量消耗在材料蒸汽等離子化以及等離子體對(duì)激光的吸收和屏蔽效應(yīng)中，只有少部分激光能量到達(dá)孔底推進(jìn)打孔過(guò)程。這些在孔中上部的蒸汽與等離子體由于靠近孔口，集聚的壓力能夠較快的得到釋放，因此發(fā)生的爆炸沖擊力小，產(chǎn)生的聲波信號(hào)較弱。

在氧氣作為輔助氣體時(shí)，氧氣起到兩方面作用:一方面氧氣在高溫下與材料發(fā)生氧化反應(yīng)放出大量的熱，促進(jìn)了材料融化，提高了聲波信號(hào)的幅值;另一方面氧氣吹散了孔口周圍以及孔內(nèi)一定深度的高濃度等離子體和材料蒸汽，迫使其避開激光入射方向，從而激光能量能夠順利到達(dá)孔底推進(jìn)打孔過(guò)程，并維持較高幅值的聲波信號(hào)輸出。但氧氣的引入也存在一定副作用，當(dāng)氧氣到達(dá)激光與材料作用區(qū)域時(shí)，由于氧氣與材料發(fā)生的氧化反應(yīng)使得過(guò)量的材料的融化，短時(shí)間內(nèi)在孔中集聚了大量蒸汽，蒸汽加強(qiáng)了等離子體對(duì)激光的屏蔽作用，當(dāng)孔內(nèi)的蒸汽和等離子體超過(guò)一定閾值時(shí)，會(huì)暫時(shí)屏蔽大部分激光能量，造成聲波輸出信號(hào)急劇減少的現(xiàn)象，即圖3(a)和圖4(a)中的聲波分段現(xiàn)象。而后續(xù)輔助氣體的吹入又使得孔內(nèi)的等離子和材料蒸汽濃度下降，屏蔽效應(yīng)減弱，聲波信號(hào)恢復(fù)了一定幅值的輸出，當(dāng)這部分氣體到達(dá)激光與材料作用區(qū)域時(shí)，氧氣與材料的化學(xué)反應(yīng)又使得孔內(nèi)材料蒸汽和等離子濃度上升，聲波信號(hào)再次發(fā)生間斷(如圖3(a)所示)，氧氣的物理作用和化學(xué)作用往復(fù)進(jìn)行，造成了聲波信號(hào)時(shí)而連續(xù)時(shí)而分段的現(xiàn)象。

當(dāng)輸出頻率和占空比較低時(shí)，孔內(nèi)難以維持較高濃度的金屬蒸汽和等離子體，大部分的激光能量作用于孔底材料，因此在打孔過(guò)程中也能夠持續(xù)輸出一定幅值的聲波信號(hào)。

4 結(jié)論

(1)CO2激光打孔過(guò)程中聲波信號(hào)的產(chǎn)生主要由激光與孔內(nèi)材料相互作用時(shí)誘導(dǎo)的等離子體沖擊波透過(guò)材料后衰減形成。

(2)無(wú)論有無(wú)輔助氣體，在打孔過(guò)程中都檢測(cè)到了聲波信號(hào)，輔助氣體不是產(chǎn)生聲波信號(hào)的必要條件，但輔助氣體可以影響聲波信號(hào)的輸出。

(3)氧氣作為輔助氣體時(shí)對(duì)聲波信號(hào)的輸出起到兩方面的作用:首先，氣流吹散了積聚在孔內(nèi)的材料蒸汽和等離子體使其屏蔽效應(yīng)減弱，維持輸出較為連續(xù)的聲波信號(hào)(物理作用);其次，氧氣與材料發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)會(huì)加大材料的融化量，暫時(shí)增強(qiáng)材料蒸汽和等離子體的屏蔽效應(yīng)(化學(xué)作用)，物理與化學(xué)作用的交替進(jìn)行導(dǎo)致聲波信號(hào)出現(xiàn)分段現(xiàn)象。

(4)聲波信號(hào)可以反映出打孔過(guò)程中沖擊波信號(hào)的變化趨勢(shì)，將聲波與沖擊波的信號(hào)的幅值進(jìn)行擬合，導(dǎo)出二者之間的關(guān)系就可以通過(guò)聲波來(lái)表征孔內(nèi)沖擊力的大小，通過(guò)計(jì)算沖擊波導(dǎo)致孔內(nèi)缺陷的閾值，則可以通過(guò)聲波預(yù)測(cè)孔內(nèi)缺陷的發(fā)生，進(jìn)而可以利用聲波幅值的大小來(lái)提高或降低激光能量，將孔內(nèi)沖擊力控制在合理的范圍內(nèi)。要實(shí)現(xiàn)聲波對(duì)激光打孔過(guò)程的調(diào)控還需要進(jìn)行大量的更為深入的實(shí)驗(yàn)研究。

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