低壓射流輔助激光刻蝕加工工藝參數(shù)的數(shù)值仿真預(yù)測(cè)研究

陳雪輝 ，張相炎 ，宋 偉 ，袁根福

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.安徽建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，安徽合肥230601；3.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

低壓射流輔助激光刻蝕加工工藝參數(shù)的數(shù)值仿真預(yù)測(cè)研究

陳雪輝1，2，張相炎1，宋 偉2，袁根福3

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京210094；2.安徽建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，安徽合肥230601；3.江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

低壓射流輔助激光刻蝕加工過程中涉及到的加工參數(shù)較多，合理選取參數(shù)對(duì)加工效果的影響至關(guān)重要。針對(duì)低壓射流輔助激光刻蝕加工的實(shí)際情況，建立了該加工工藝的熱傳導(dǎo)方程及有限元數(shù)值仿真模型。以碳化硅陶瓷的復(fù)合刻蝕加工為例，通過數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值仿真方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，介紹了采用數(shù)值仿真方法進(jìn)行工藝參數(shù)對(duì)刻蝕截面形狀影響預(yù)測(cè)研究的思路。為研究各參數(shù)對(duì)加工效果的影響或選擇合適的加工工藝參數(shù)提供了一種快捷準(zhǔn)確的方法。

激光刻蝕加工；低壓射流；工藝參數(shù)；數(shù)值仿真預(yù)測(cè)

近年來，低壓射流輔助激光刻蝕加工技術(shù)已成為激光加工領(lǐng)域的一個(gè)前沿研究課題[1-4]。在加工過程中加入低壓射流，使激光與物質(zhì)相互作用的熱-流-固的耦合過程變得更復(fù)雜。熱傳遞過程的影響因素較多且相互耦合[5]，同時(shí)，刻蝕加工前沿的三維形狀復(fù)雜，若采用理論分析方法則難以精確建模，導(dǎo)致很難進(jìn)行精確求解；若利用純粹的試驗(yàn)方法來研究整個(gè)刻蝕加工的工藝過程，又必然花費(fèi)太多成本，且試驗(yàn)過程中還存在許多不確定因素[6-8]。因此，本文采用數(shù)值仿真方法對(duì)低壓射流輔助激光刻蝕加工工藝參數(shù)的合理選取進(jìn)行了研究。

1 熱傳導(dǎo)方程

低壓射流輔助激光刻蝕加工涉及激光與射流換熱的耦合問題，射流換熱會(huì)使激光用于加工的能量造成損失，故建立熱傳導(dǎo)方程時(shí)需同時(shí)考慮激光加熱與水射流換熱的因素。根據(jù)能量守恒要求，低壓射流輔助激光刻蝕加工過程中的能量平衡方程可表示為[9]：

式中：E˙in（凈）為單位時(shí)間內(nèi)由導(dǎo)熱進(jìn)入控制體的凈能量；E˙g為控制體自身在單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量；E˙st為控制體內(nèi)貯存能量；E˙out為單位時(shí)間內(nèi)由于對(duì)流傳遞帶走的離開控制體能量。

上述各能量可分別表示為：

式中：K為材料的熱傳導(dǎo)率；T為溫度。

式中：f（x，y，z，t）為熱源分布函數(shù)；t為時(shí)間變量。

式中：ρ為材料密度；c為材料比熱容。

式中：vx、vy、vz分別為流體在 x、y、z 方向的速度分量。

將式（2）~式（5）代入式（1），經(jīng)整理可得到低壓射流輔助激光刻蝕加工的三維熱傳導(dǎo)方程：

若根據(jù)加工的實(shí)際情況及高斯光束的空間分布特點(diǎn)，以激光作用中心線為對(duì)稱軸，可建立一個(gè)二維熱傳導(dǎo)方程來描述低壓射流輔助激光刻蝕加工的過程，即：

2 有限元數(shù)值仿真模型的建立

本文以碳化硅陶瓷復(fù)合刻蝕加工過程的數(shù)值分析為例，建立低壓射流輔助激光刻蝕加工有限元數(shù)值仿真模型。為了簡(jiǎn)化數(shù)值分析過程，進(jìn)行了如下處理：

（1）為了便于直觀地觀察到刻蝕后的截面形狀變化趨勢(shì)，將碳化硅陶瓷材料的熔點(diǎn)作為分界點(diǎn)，即材料超過熔化溫度后的有限元單元部分被消隱而不顯示。

（2）為了節(jié)省計(jì)算成本，建立1/2對(duì)稱模型進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，在后處理時(shí)通過擴(kuò)展對(duì)稱結(jié)構(gòu)查看分析結(jié)果。

碳化硅陶瓷材料的物理參數(shù)見表1[10]。在有限元軟件中，建立尺寸為2.5 mm×2.5 mm×2 mm的碳化硅1/2對(duì)稱物理模型，設(shè)定激光熱源以恒定速率沿著X軸正向移動(dòng)，采用八節(jié)點(diǎn)熱耦合六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)考慮到激光刻蝕實(shí)際加工情況及模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將激光斑點(diǎn)范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，有限元三維模型及其網(wǎng)格模型見圖1。

表1 碳化硅陶瓷材料物理參數(shù)

圖1 有限元三維模型及其網(wǎng)格劃分

根據(jù)激光掃描速度（1 mm/s）及模型尺寸，設(shè)置作用時(shí)間為1 s、初始溫度為293 K；將對(duì)流換熱作為邊界條件加載到分析中，設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)為200 J/（m2·K）；采用高斯雙橢球體熱源，利用 Dflux子程序接口來定義隨時(shí)間變化的熱流載荷。

此外，由于數(shù)值模擬分析難以精確體現(xiàn)實(shí)際加工過程所得的槽體形貌，故數(shù)值模擬所得的槽體截面形狀只反映在一定條件下的變化趨勢(shì)。

3 有無射流的刻蝕加工截面形狀對(duì)比分析

為了精確分析有、無射流情況下的刻蝕槽體截面形狀，任選一組工藝參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，即：水射流速度12 m/s、激光輸入電流160 A、脈寬0.9 ms、重復(fù)頻率45 Hz、掃描速率1 mm/s。分析過程中，考慮低壓射流速度下對(duì)工件的對(duì)流換熱作用，在單純激光刻蝕加工和有射流作用兩種情況下，觀察對(duì)比仿真結(jié)果與相應(yīng)加工工藝參數(shù)所對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的槽體截面形狀及熱影響區(qū)的大小，結(jié)果見圖 2、圖 3。

圖2 無射流情況下的槽體截面形狀對(duì)比

圖3 有射流情況下的槽體截面形狀對(duì)比

數(shù)值模擬仿真結(jié)果顯示，溫度場(chǎng)的分布由熱源中心向四周擴(kuò)散，中心溫度最高，達(dá)到材料熔點(diǎn)的部分消失并形成槽體，其周圍顏色較深的區(qū)域?yàn)闊嵊绊憛^(qū)。在無射流情況下，加工過程中的溫度場(chǎng)分布范圍較廣，形成的熱影響區(qū)較大，從而造成截面形狀寬度及深度均較大；而單純激光刻蝕加工情況下，低壓射流輔助下的激光刻蝕槽體深度較小，截面形狀也呈較規(guī)則的V型，且流體的對(duì)流換熱作用也在一定程度上減小了熱影響區(qū)。由圖2、圖3還可看出，仿真所得刻蝕截面形狀的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律趨勢(shì)基本吻合，證明了復(fù)合刻蝕加工的數(shù)值模擬方法的可行性、準(zhǔn)確性及有效性。

4 工藝參數(shù)對(duì)刻蝕截面形狀影響的預(yù)測(cè)

以碳化硅陶瓷的復(fù)合刻蝕加工為例，采用有限元數(shù)值模擬方法代替實(shí)驗(yàn)分析，開展不同工藝參數(shù)對(duì)刻蝕截面形狀影響的預(yù)測(cè)研究。

4.1 數(shù)值分析計(jì)算參數(shù)的選取

不同的激光頻率、脈寬、輸入電流及射流速度會(huì)對(duì)復(fù)合刻蝕加工產(chǎn)生一定的影響。在數(shù)值分析過程中，采用單因素分析法研究每個(gè)變量對(duì)復(fù)合刻蝕加工的影響，即控制其余三個(gè)變量不變，使研究對(duì)象在一定范圍內(nèi)變化。相關(guān)工藝參數(shù)見表2。

表2 單因素分析工藝參數(shù)表

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用圖1所示的有限元模型，以表2所示的各組工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可得到不同工藝參數(shù)下的截面形狀仿真結(jié)果。對(duì)各組仿真結(jié)果中的刻蝕槽體深度和槽口寬度進(jìn)行測(cè)量，繪制相應(yīng)的變化規(guī)律曲線。

由圖4可看出，槽體深度和槽口寬度隨著激光重復(fù)頻率的增大呈先增大、后減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)閺?fù)合刻蝕加工過程中，隨著重復(fù)頻率增大，單位時(shí)間內(nèi)的激光作用次數(shù)增加，使刻蝕量增大，但當(dāng)重復(fù)頻率增大到一定值后，能量累積較大，使槽體內(nèi)熔渣的生成率大于熔渣的去除率，從而使槽體深度和槽口寬度變小。

圖4 不同激光頻率仿真結(jié)果中的槽體深度和槽口寬度的變化規(guī)律

由圖5可看出，隨著激光脈沖寬度的增加，刻蝕槽體深度和槽口寬度均不斷增大。這是因?yàn)榧す饷}沖寬度的增加可使激光時(shí)間能量密度增大，從而增加單位時(shí)間內(nèi)的刻蝕量。

圖5 不同激光脈寬仿真結(jié)果中的槽體深度和槽口寬度的變化規(guī)律

由圖6可看出，隨著輸入電流的增加，槽體深度和槽口寬度均不斷增大，但增幅變緩。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)增加輸入電流值，會(huì)導(dǎo)致激光束功率密度增大，從而使激光作用點(diǎn)的溫度急劇上升；而當(dāng)輸入電流增加到一定程度時(shí)，產(chǎn)生的熔渣不能及時(shí)清除，將導(dǎo)致刻蝕成形變緩，不利于生產(chǎn)加工，所以需選擇合適的輸入電流值。

圖6 不同輸入電流仿真結(jié)果中的槽體深度和槽口寬度的變化規(guī)律

由圖7可看出，當(dāng)射流速度逐步增大時(shí)，槽體深度和槽口寬度的變化規(guī)律呈先降后升的趨勢(shì)，這是由低壓射流冷卻作用和沖擊作用的雙重效應(yīng)所導(dǎo)致的。當(dāng)射流速度較低時(shí)，射流冷卻作用大于沖擊作用，刻蝕槽體寬度和槽口深度減?。浑S著射流速度不斷增大，射流的沖擊作用占主導(dǎo)，刻蝕的槽體寬度和槽口深度隨之增大。因此，研究射流速度對(duì)復(fù)合刻蝕過程的影響，主要是看射流冷卻和沖擊作用的主次效應(yīng)。

5 結(jié)束語

本文以碳化硅陶瓷的低壓射流輔助激光刻蝕加工為例，介紹了采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行工藝參數(shù)對(duì)刻蝕截面形狀影響預(yù)測(cè)研究的思路，為研究各參數(shù)對(duì)加工效果的影響或選擇某種材料的復(fù)合刻蝕加工工藝參數(shù)提供了一種快捷準(zhǔn)確的借鑒方法。在不適宜實(shí)驗(yàn)研究或?qū)嶒?yàn)研究工作量較大的情況下，可首先采用數(shù)值模擬方法大致了解不同工藝參數(shù)對(duì)刻蝕截面的影響趨勢(shì)及各參數(shù)的優(yōu)值區(qū)間范圍，繼而有針對(duì)性地選擇幾組工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，可快捷、準(zhǔn)確地確定較優(yōu)的加工工藝參數(shù)組合，從而大幅減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

圖7 不同射流速度仿真結(jié)果中的槽體深度和槽口寬度的變化規(guī)律

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Study on Numerical Simulation Prediction for Processing Parameters of Low-pressure Jet Assisted Laser Etching

CHEN Xuehui1,2，ZHANG Xiangyan1，SONG Wei2，YUAN Genfu3
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601，China；3.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China ）

According to the actual situation of low-pressure jet assisted laser etching processing，the heat conduction equations have been established and the finite element numerical simulation models have been developed.The composite etching of SiC ceramics is taken as an example，comparing the numerical results with the test results to verify the feasibility of numerical simulation method.On this basis，the process parameters which affect the shape of the etching cross section are predicted by using numerical simulation method.Which provides an accurate method for studying the influence of each parameter on the processing effect.It also provides an accurate method for selecting the appropriate processing parameters.

laser etching processing；low-pressure jet；processing parameters；numerical simulation

TG665

A

1009－279X（2017）05－0039-04

2017-08-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175229）；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2015A013）；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（gxyqZD2016153）

陳雪輝，男，1977年生，副教授、博士研究生。