水-氣縮流導(dǎo)光機(jī)制仿真與試驗(yàn)研究

張廣義，潮 陽，張 正，郭春海，張文武

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

先進(jìn)制造工藝與裝備直接關(guān)系到國家核心競爭力，是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要基礎(chǔ)[1-2]。 水導(dǎo)激光加工技術(shù)作為材料加工的一種有效手段，可對高溫合金、復(fù)合材料等進(jìn)行精密加工，相對于傳統(tǒng)短脈沖激光加工具有熱影響損傷小、加工錐度小、深度能力強(qiáng)、加工表面清潔等優(yōu)勢，受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。

Bernold[3-4]將激光和水射流結(jié)合起來，發(fā)展了微射流型水助激光加工技術(shù)，該技術(shù)將激光聚焦進(jìn)高壓水腔的微小噴嘴內(nèi)，噴嘴射出層流水柱，將激光傳輸?shù)焦ぜM(jìn)行加工； 而后，Bernold 積極探索射流類水助激光加工工藝的新應(yīng)用，提高其可靠性與分辨率，并推出了系列水導(dǎo)激光加工設(shè)備。 張文武[5-6]發(fā)明了液核光纖水助激光加工技術(shù)， 對金屬、CZT晶體、CFRP 等材料進(jìn)行了打孔和切割實(shí)驗(yàn)，加工分辨率約為0.5 mm；而后，其團(tuán)隊(duì)繼續(xù)推進(jìn)水導(dǎo)激光的應(yīng)用，聯(lián)合幾家公司共同推出了五軸聯(lián)動(dòng)水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)，但由于激光耦合的穩(wěn)定性要求，這類機(jī)床的加工尺度一般不宜太大，直接應(yīng)用到大尺度材料的加工非常困難。 此外，Jiao 等[7]研究了輔助液體對飛秒激光打孔錐度的影響，發(fā)現(xiàn)由于液體的等離子體作用和沖擊波作用，揮發(fā)性液體能有效減小飛秒激光打孔過程中的殘?jiān)练e， 減小孔的錐度。Adelmann 等[8]對比研究了光纖激光器干式切割與水助激光切割金屬片的加工質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)水助加工幾乎無殘?jiān)蜔嵊绊憛^(qū)，錐角非常小，而干式加工有一定的殘?jiān)c熱影響區(qū)，錐角明顯。Nath 等[9]開發(fā)了水助激光表面清洗工藝。 Romoli 等[10]對比研究了電火花與水助激光加工噴油嘴的工藝，證明水助激光加工是一種可靠的加工方式。Wang 等[11]研究了水助激光加工硅片的材料去除機(jī)理，發(fā)現(xiàn)熱影響幾乎可忽略不計(jì)。 王揚(yáng)[12]等對高速穩(wěn)定水流的流體動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行了研究， 研制出水導(dǎo)激光微細(xì)加工設(shè)備，射流直徑低于100 μm， 展示了水助激光加工多方面的優(yōu)越性。 葉瑞芳[13]研究了水壓、射流速度、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流穩(wěn)定性的影響。 詹才娟[14]模擬計(jì)算了水助激光加工中熔池內(nèi)部的流動(dòng)情形。

相比干式激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光加工具有諸多優(yōu)勢，但仍存在激光耦合功率低和工藝可靠性差的關(guān)鍵難題，嚴(yán)重影響激光加工效率與工件加工質(zhì)量。 本文在現(xiàn)有水導(dǎo)激光加工技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種水-氣縮流傳導(dǎo)激光加工機(jī)制， 通過仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，闡述其大功率傳導(dǎo)與工藝可靠性機(jī)制。

1 水-氣縮流導(dǎo)光原理與層流特性

1.1 水-氣縮流導(dǎo)光原理

圖1 是水-氣縮流耦合激光加工噴頭示意圖。利用環(huán)形氣體將水柱同軸壓縮，將毫米級水柱壓縮至百微米級，實(shí)現(xiàn)水柱縮流效應(yīng)；激光焦點(diǎn)可位于縮流段區(qū)域，實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)大口徑耦合，經(jīng)水-氣界面全反射效應(yīng)，將水導(dǎo)激光收縮至所需百微米級直徑。 采用該方法可有效避免傳統(tǒng)水導(dǎo)激光加工中焦點(diǎn)由于受到振動(dòng)、微氣泡、雜質(zhì)等擾動(dòng)對噴口的損傷，改善水導(dǎo)激光加工可靠性；另外，將有助于水導(dǎo)激光加工中高功率激光耦合，可提高加工效率。

1.2 水-氣層流特性

圖2 是水-氣縮流水柱流動(dòng)狀態(tài)， 與傳統(tǒng)水導(dǎo)激光水射流流動(dòng)狀態(tài)有所不同。 水-氣縮流的流動(dòng)過程可分為三個(gè)階段： 第一階段為水-氣縮流保持段，氣體的包覆作用使水柱收縮，此時(shí)氣體的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水流速度，高速氣流的作用使水柱表層速度增大， 即水柱內(nèi)部的速度低于水柱表層的速度，且隨著與噴嘴口距離的增大，氣體的包覆作用越來越弱，氣體的速度逐漸減小，此階段縮流水柱狀態(tài)較穩(wěn)定，表現(xiàn)為層流，為有效的層流長度；第二段為氣體包覆作用消逝段， 由于與噴口距離逐漸增大，氣體逐漸消散，此時(shí)水柱動(dòng)壓力沿射流軸線分量逐漸降低，射流的紊流動(dòng)態(tài)特性顯著，水柱逐漸由層流變?yōu)橥牧?；第三段為水氣混合段，速度分布滿足自相似性條件，該段的水柱及氣體與環(huán)境介質(zhì)完全混合， 射流軸向速度和動(dòng)壓力都處于較低的狀態(tài)，霧化效果明顯。

針對水-氣層流結(jié)構(gòu)特性，本文將利用水-氣層流保持段作為有效加工距離，合理調(diào)整工件位置與工件厚度。

2 水-氣縮流導(dǎo)光仿真分析

針對水氣縮流導(dǎo)光特性，進(jìn)行了基于Fluent 軟件的流體力學(xué)仿真與基于Zemax 軟件的光學(xué)仿真優(yōu)化， 設(shè)置水柱出口直徑D=0.5 mm、 總出口直徑d2=1 mm、縮流段長度為2 mm，水柱壓縮后的直徑d1、層流速度與層流長度為優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)。

2.1 水-氣兩相流仿真分析

水壓大小設(shè)置為0.1 MPa， 通過改變氣壓值研究水氣壓力變化對層流特性的影響，縮流水柱的仿真相見圖3，氣壓變化對層流直徑、速度及長度的影響規(guī)律見圖4。 仿真結(jié)果表明：水壓保持0.1 MPa 不變時(shí)，隨著氣壓不斷增大，層流直徑由0.41 mm 減小到0.02 mm；而層流速度隨氣壓增加而逐漸增大，氣壓值在0.08 MPa 前，速度增加緩慢，之后迅速增大；層流長度僅在氣壓為0 時(shí)達(dá)到80 mm（空氣計(jì)算域長度），隨著氣壓的增大，層流長度基本保持在40 mm 左右，直到氣壓增大到0.11 MPa 時(shí)，出現(xiàn)氣堵水現(xiàn)象，層流消失。

通過對試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)得出：水壓恒定時(shí)，氣壓增大導(dǎo)致層流直徑減小、層流速度增大，層流長度基本恒定，一旦施加氣壓大過水壓，層流長度會(huì)急劇縮短；同時(shí)，由層流速度增加趨勢可看出，氣壓在0.08 MPa 之前， 由于速度增加趨勢緩慢，層流縮流效果較穩(wěn)定，繼續(xù)增大氣壓時(shí)，速度急劇增大，層流水-氣界面層變厚，層流穩(wěn)定性變差。 綜上可得出，在縮流比滿足加工需要的情況下，氣壓控制在0.8 倍的水壓以內(nèi)， 能有效提升縮流水柱的穩(wěn)定性。

2.2 全反射導(dǎo)光仿真分析

結(jié)合仿真結(jié)果得到層流縮流水柱，優(yōu)選出水壓0.1 MPa、氣壓0.075 MPa 時(shí)的層流狀態(tài)作為全反射導(dǎo)光仿真的初始條件， 水柱直徑由0.5 mm 縮減至0.1 mm。 對縮徑層流的三維形貌進(jìn)行仿形建模，利用Zemax 光學(xué)仿真軟件，對其最終縮流出口平行段激光能量進(jìn)行測量，并將測量值與初始輸入激光能量作為耦合效率，對激光以軸向、徑向、角度三個(gè)維度偏移方式下激光傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行研究，其偏差示意見圖5，得到的仿真結(jié)果見圖6。

由圖6 可看出， 激光光斑在軸向偏移8.5 mm（-2.8～5.7 mm）、徑向偏移0.3 mm（-0.15～0.15 mm）、角度偏移20°（-10°～10°）的條件下，均能滿足耦合效率≥95%。 同時(shí)，當(dāng)激光加工系統(tǒng)存在振動(dòng)、水中雜質(zhì)、氣泡干擾的情況下，激光光斑可在較大范圍擾動(dòng)下保證噴口激光耦合的可靠性，使傳統(tǒng)水導(dǎo)激光加工技術(shù)中光斑易破壞噴口的情況得到改善。

3 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 水-氣縮流導(dǎo)光試驗(yàn)驗(yàn)證

利用石英玻璃，對優(yōu)化后的噴口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了樣機(jī)加工及試驗(yàn)研究，結(jié)果見圖7。 通過調(diào)節(jié)水-氣壓力大小可得到穩(wěn)定層流，耦合裝置射出的水柱可分為三段區(qū)域，分別為層流區(qū)、湍流區(qū)及破碎區(qū)。 層流區(qū)為激光在水氣層流界面完成全反射并加工材料的有效區(qū)域，由于氣體的包覆作用，該區(qū)域的層流水柱被壓縮；氣體的包覆作用沿軸線豎直向下逐漸減弱，水柱直徑逐漸增大，層流逐漸演化為湍流，且水柱表面發(fā)生輕微波動(dòng)，該區(qū)域的水柱不能與空氣形成穩(wěn)定界面，因而激光無法完成全反射，無法進(jìn)行材料去除加工； 隨著水柱以自由落體方式下落，水柱速度不斷增大，當(dāng)水柱速度大到足以擺脫表面張力束縛時(shí)， 水柱將在其邊緣甚至內(nèi)部破碎為水滴，這些水滴與空氣混雜在一起，出現(xiàn)了大量的氣-液界面，形成了破碎區(qū)。 此外，利用532 nm 納秒激光器進(jìn)行了水-氣界面全反射界面導(dǎo)光試驗(yàn)， 由圖7c 所示試驗(yàn)結(jié)果可看出，激光可在水氣縮流層流界面完成全反射傳導(dǎo)，利用仿真優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合效率試驗(yàn)，耦合效率可達(dá)95%。耦合，實(shí)現(xiàn)大深度、表面無熱影響加工奠定了基礎(chǔ)。

3.2 初步加工試驗(yàn)

為驗(yàn)證本方法的實(shí)際材料加工能力， 對1 mm厚7075 鋁板進(jìn)行打孔和切割加工試驗(yàn)， 層流水柱長度為20 mm，工件表面與噴口距離為10 mm。 用激光共聚焦顯微鏡測試加工后的樣件表面質(zhì)量和三維形貌，結(jié)果見圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明，水-氣縮流傳導(dǎo)激光加工方法具備一定的材料去除能力，打孔與切割材料表面幾乎無熱影響區(qū)，為后續(xù)大功率激光

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)水導(dǎo)激光加工基礎(chǔ)上， 提出一種水-氣縮流導(dǎo)光激光加工方法，解決了激光大功率耦合與工藝可靠性難題，得到以下研究結(jié)論：

（1）對水-氣縮流原理進(jìn)行了闡述，并對形成層流水柱結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行了分析。

（2）利用流體力學(xué)與光學(xué)仿真分析方法，對水-氣縮流特性進(jìn)行了分析，可知激光光斑在軸向偏移8.5 mm、徑向偏移0.3 mm、角度偏移20°條件下，均能滿足耦合效率超過95%。

（3）通過試驗(yàn)方式驗(yàn)證了水-氣縮流導(dǎo)光方法進(jìn)行激光傳導(dǎo)與材料加工的可行性，為試件的加工提供理論與實(shí)踐的依據(jù)。