同軸水射流輔助激光加工效率及錐度實驗研究

王玉峰，王 斌，張廣義，張文武

（中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波315201）

激光加工是利用高功率密度的聚焦激光束照射工件，使工件材料熔融或氣化，從而實現(xiàn)工件材料的去除，具有速度快、效率高、精度好等優(yōu)勢。但是，在激光與工件材料相互作用過程中產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生熱影響層（HAZ）、再鑄層等，通常需進行二次加工[1]。為了減小激光加工表面的熱影響區(qū)和再鑄層，國內(nèi)外學(xué)者提出了超短脈沖激光加工、水導(dǎo)激光加工、水下激光加工、激光與電解復(fù)合加工等技術(shù)。

超短脈沖激光加工能實現(xiàn)工件材料的非熱熔性去除，大幅減弱了熱效應(yīng)對加工表面的影響[2]。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展及激光器性能的提高，超短脈沖激光加工在微細加工領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多[3]，但目前還存在設(shè)備成本高、激光傳輸效率低等亟待解決的問題。水導(dǎo)激光加工技術(shù)利用水射流帶走熱量和熱熔渣，能有效解決激光加工的有效加工范圍小、熱熔渣、熱影響區(qū)大等問題[4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究了水導(dǎo)激光加工的激光耦合機理、水束穩(wěn)定性、激光束與水束耦合對中控制、加工裝置研制等關(guān)鍵技術(shù)[5-6]。江蘇大學(xué)采用有限體積法研究了水導(dǎo)激光加工的動力學(xué)過程，分析了加工中的熱傳遞過程、相變過程和動邊界傳遞過程[7-8]。德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所利用飛秒激光對比了空氣和水中的激光加工結(jié)果，表明水中激光加工可避免加工表面的再鑄層[9]。澳大利亞新南威爾士大學(xué)和山東大學(xué)合作研究了側(cè)向水射流輔助激光過程的溫度分布隨時間的變化，表明水射流可及時帶走加工熱量，從而減小加工表面熱影響層[10-11]。陳笑研究了高功率激光與水下物質(zhì)的相互作用機理[12]。徐家文等提出了噴射液束電解與激光復(fù)合加工技術(shù)，利用電化學(xué)刻蝕效應(yīng)去除激光加工產(chǎn)生的熱影響層，通過數(shù)值仿真和實驗研究揭示了噴射液束電解與激光復(fù)合加工的材料去除機理[13]。上述加工技術(shù)大幅減小了激光加工表面的熱影響區(qū)，提高了加工表面質(zhì)量，但在加工效率和加工精度方面還需進一步提高。

本文研究了液體環(huán)境中的同軸水射流輔助激光加工技術(shù)，探討了材料去除機理，建立了同軸水射流輔助激光加工實驗平臺，研究了激光能量、水射流初始流速、噴口與工件間隙對加工效率和錐度的影響規(guī)律，并采用SEM對工件表面微觀結(jié)構(gòu)進行了檢測。

1 同軸水射流輔助激光加工原理

如圖1所示，在同軸水射流輔助激光加工中，激光光束通過水射流聚焦于液體環(huán)境中的工件加工表面，激光光束與水射流同軸分布，水射流高速流向并沖擊加工區(qū)域。通過控制激光光束或工件的運動軌跡，可實現(xiàn)對不同輪廓微細結(jié)構(gòu)的加工。

圖1 同軸水射流輔助激光加工示意圖

加工過程中，高速水射流可及時帶走激光加工區(qū)域產(chǎn)生的熱量、熱熔渣等，獲得表面清潔、熱影響區(qū)小的加工表面；還可及時沖刷加工區(qū)域產(chǎn)生的光致等離子體、熱熔渣等，減小等離子體對激光的屏蔽效應(yīng)，提高激光加工效率。另外，液體環(huán)境中的懸浮粒子（氣泡、熱熔渣、雜質(zhì)等）對激光光束具有一定的散射效應(yīng)，有利于減小激光加工產(chǎn)生的錐度（圖 2）。

圖2 液體環(huán)境中的懸浮粒子對加工輪廓的影響

2 實驗條件及方法

同軸水射流輔助激光加工實驗裝置主要包括：五軸運動平臺、水射流與激光耦合裝置、高功率納秒激光器、激光光束傳輸系統(tǒng)、去離子水增壓系統(tǒng)等（圖3）。為了減小水中雜質(zhì)對激光傳輸效率的影響，實驗采用去離子水與激光光束耦合。同時，采用波長為532 nm的固體納秒激光器作為加工光源；水射流與激光耦合裝置的噴口直徑為0.72 mm；激光光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦后的光斑直徑約為40 μm；工件選用厚度為1 mm的鋁合金（7075）板件。

圖3 同軸水射流輔助激光加工實驗裝置示意圖

加工后，用激光共聚焦顯微鏡測量工件的輪廓形貌，用掃描電子顯微鏡（SEM）檢測工件表面的熱影響層、再鑄層。加工效率以激光打穿1 mm厚度鋁板工件的時間表示。同軸水射流輔助激光加工輪廓見圖4，所加工輪廓具有一定的錐度，可表示為：

式中：θ為輪廓的錐度；Dintrance為輪廓入口直徑；Dexit為輪廓出口直徑；L為工件厚度。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 激光能量對加工效率和錐度的影響

由圖5可知，加工時間和加工錐度均隨著激光單脈沖能量的增加呈減小趨勢，所用的同軸水射流的流速為20 m/s，噴口與工件間隙為5 mm。分析原因：激光能量越高，作用于加工表面的功率密度越高，工件材料的去除速率增大，加工效率提高。激光功率密度越高，金屬蒸汽產(chǎn)生等離子體的膨脹壓力越大，越有利于熱熔渣等的拋出。在納秒脈沖間隙，水射流可及時沖走加工區(qū)域的熱量、熱熔渣和等離子體，有利于激光光束傳輸至加工區(qū)域底部，從而提高激光加工效率。

圖4 加工微孔輪廓示意圖

圖5 加工時間及錐度隨激光能量的變化

3.2 同軸水射流流速對加工效率和錐度的影響

由圖6可知，當(dāng)激光能量為100%、噴口與工件間隙固定為5 mm時，加工效率和加工錐度均隨著噴口處的同軸水射流流速的增加呈減小趨勢。分析原因：水射流流速越大，作用于工件加工區(qū)域的壓強越大，有利于水射流進入狹窄的加工區(qū)域，及時帶走加工產(chǎn)生的熱量、熱熔渣和等離子體，也有利于激光傳輸光路的保持，從而提高加工效率。同時，高速的同軸水射流可沖刷加工表面，避免熱熔渣等附著，減小其對加工錐度的影響。本文采用的水射流最大流速約為27 m/s，這是因為當(dāng)射流速度大于該值時，在噴口直徑為0.72 mm的條件下，水射流無法保持層流狀態(tài)，激光無法高效率地傳輸至加工區(qū)域。因此，提高水射流的流速有利于提高激光加工效率和加工精度。

3.3 噴口與工件間隙對加工效率和錐度的影響

圖7是加工效率和加工錐度隨著噴口與工件間隙變化的趨勢。當(dāng)激光能量為100%、噴口水射流流速為20 m/s、噴口與工件間隙大于3 mm時，間隙越大則激光在去離子水中的傳輸路程越長、水射流的沿程壓力損失越大，不利于水射流沖刷熱熔渣、等離子體等，使加工時間增加即加工效率降低；當(dāng)噴口與工件間隙小于3 mm時，加工效率隨著間隙減小呈降低趨勢，這是由于高速水射流在工件表面的反射流對水射流的穩(wěn)定性有干擾，不利于激光光束的高效傳輸，即激光能量的損耗隨著間隙減小而逐漸增大，導(dǎo)致加工效率下降。

圖6 加工時間及錐度隨同軸水射流流速的變化

同時，當(dāng)噴口與工件間隙小于5 mm時，激光加工微孔的錐度隨著間隙的增加而增大；當(dāng)間隙大于5 mm時，加工錐度基本保持不變，且此時水射流作用于加工區(qū)域的壓強相對較小，無法及時排出微孔中的熱熔渣。激光加工微孔的錐度主要和激光能量相關(guān)，由于去離子水對于波長532 nm激光能量的吸收系數(shù)小于0.04[14]，隨著間隙的增加，激光能量的損失相對較小，可保持加工錐度基本不變。

圖7 加工時間及錐度隨噴口與工件間隙的變化

3.4 微孔加工參數(shù)優(yōu)化及加工表面質(zhì)量檢測

圖8是分別在空氣中進行激光打孔和同軸水射流輔助激光加工微孔的三維輪廓對比，所用激光能量為100%，水射流流速為25 m/s，噴口與工件間隙為3 mm?？梢?，在空氣中激光加工微孔的錐度為10°，而同軸水射流輔助激光加工微孔的錐度為2°，且加工表面質(zhì)量較好。

圖9是在空氣中和同軸水射流輔助激光加工微孔的側(cè)壁表面微觀結(jié)構(gòu)?？梢?，同軸水射流輔助激光加工可避免在空氣中進行激光打孔而引起的熱影響層、再鑄層和微裂紋等表面缺陷。

圖8 激光加工微孔的三維輪廓對比

圖9 激光加工微孔的側(cè)壁表面微觀結(jié)構(gòu)對比

4 結(jié)束語

本文研究了液體環(huán)境下的同軸水射流輔助激光加工技術(shù)，對其加工機理進行了初步研究，通過建立加工實驗裝置分析了同軸高速水射流對加工微孔的效率、錐度的影響，總結(jié)了加工效率、錐度隨激光能量、水射流流速、噴口與工件間隙的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，同軸水射流輔助激光加工效率隨著激光能量、水射流流速的增加呈增大趨勢，噴口與工件間隙約為3 mm時的加工效率較高；加工微孔的錐度隨著激光能量、水射流流速的增加呈減小趨勢，隨著噴口與工件間隙的增加呈增大趨勢，且當(dāng)間隙大于5 mm時，加工錐度基本保持不變。利用優(yōu)化的工藝參數(shù)，可加工出錐度約為2°且無熱影響層、再鑄層和微裂紋等的表面完整性好的微孔。