水速對(duì)水射流輔助激光加工碳化硅中能量利用率的影響研究

黃 磊，張 雨，陳雪輝，李 昊

（安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

傳統(tǒng)激光加工碳化硅類脆性材料時(shí)，由于激光能量密度高，工件表面會(huì)出現(xiàn)熔渣、迸裂、重鑄層以及熱影響區(qū)等，導(dǎo)致工件表面質(zhì)量較差。為避免或降低激光加工過(guò)程中產(chǎn)生此類現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在傳統(tǒng)激光加工的基礎(chǔ)上引入水與激光加工，提高了工件的加工質(zhì)量，但由于水的引入，導(dǎo)致激光能量有所損失。

Eddie 等［1］研究了不同的噴嘴直徑與射流速度對(duì)復(fù)合加工結(jié)果的影響規(guī)律，并且進(jìn)行優(yōu)化選擇。Li 等［2］將傳統(tǒng)激光刻蝕和水射流輔助激光刻蝕碳化硅的不同參數(shù)對(duì)槽體的影響進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)較傳統(tǒng)激光刻蝕，水射流輔助激光刻蝕碳化硅能有效減少槽體周圍熔渣、微裂紋以及重鑄層的產(chǎn)生，可得到加工質(zhì)量較好的槽體。陳雪輝等［3］使用正交實(shí)驗(yàn)法，利用低壓水射流輔助激光刻蝕多晶硅材料，研究多晶硅在不同激光工藝參數(shù)與水射流速度的加工下并對(duì)比多晶硅表面質(zhì)量，得到一組最優(yōu)工藝參數(shù)和水射流速度，使槽體表面質(zhì)量較好。姚燕生等［4］搭建旁軸射流與超聲振動(dòng)輔助激光復(fù)合加工系統(tǒng)，在不同加工條件下對(duì)氮化硅陶瓷刻槽。研究表明低壓水射流會(huì)帶走加工雜質(zhì)，有效提高加工表面質(zhì)量。前人對(duì)水射流輔助激光加工主要研究了如何提高加工質(zhì)量，對(duì)加工的槽體體積和激光能量利用率研究較少，故本文基于前人研究的基礎(chǔ)，對(duì)水射流輔助激光加工刻蝕碳化硅類脆硬材料在槽體體積和能量利用率上提供一定指導(dǎo)。

文中以碳化硅為研究對(duì)象，結(jié)合水射流輔助激光加工技術(shù)，研究水速對(duì)水射流輔助激光加工過(guò)程中激光能量利用率、刻蝕槽體積和表面微觀形貌的影響，并證明水速為24 m·s-1時(shí)，能量利用率最高，槽體底部熔渣較少，重鑄層大量減少，加工效果良好。

1 理論分析

水射流輔助激光加工是在傳統(tǒng)激光加工的基礎(chǔ)上，利用水射流裝置以一定的入射角度和速度對(duì)待加工表面進(jìn)行沖擊的加工方式。

1.1 沖擊作用分析

復(fù)合加工中水射流沖擊靶體示意圖如下圖1，其中，水射流噴嘴與材料表面的夾角為α，水射流初始速度為v0，初始流量為Q0，水射流沖擊到材料表面的流量分別為Q1、Q2，水射流速度分別為v1、v2。

圖1 水射流沖擊材料示意圖Fig.1 Diagram of waterjet impingement

由連續(xù)性原則，水射流的動(dòng)量和沖量相等［5-6］：

根據(jù)伯努利方程和噴嘴截面兩側(cè)點(diǎn)之間的連續(xù)方程得：

式中，F(xiàn)表示水射流沖擊力；I表示動(dòng)量；Q0表示水射流初始流量；P0表示壓強(qiáng)；v0表示水射流初始速度；A表示噴嘴面積；ρ表示流體密度；α表示水射流入射時(shí)與靶體表面間的夾角。

聯(lián)立（1）～（5）式得到水射流沖擊力的理論公式為：

本文水射流與靶體表面之間的夾角為定值45°。根據(jù)式（2）、（3）、（5），分析沖擊力與水射流參數(shù)間的關(guān)系為：沖擊力F隨水射流壓強(qiáng)P0、水射流流量Q0的增大而增大，且水射流流量對(duì)沖擊力的增強(qiáng)效果比水射流壓強(qiáng)好；即沖擊力F隨初始水射流速度v0的增大而增大，理論上水射流速度越大對(duì)靶體表面的沖擊力就越大，因?yàn)橹罔T層主要為二氧化硅粘附在材料表面，二者之間必然存在一個(gè)極限粘附力，水射流的持續(xù)沖擊會(huì)使得重鑄層和材料之間的粘附力達(dá)到破壞極限，此時(shí)重鑄層被破壞，并且破碎的部分在水的作用下被沖刷出槽體。

1.2 冷卻作用分析

由于激光作用區(qū)域溫度較高，水射流沖擊激光作用區(qū)域瞬間，會(huì)在其與加工區(qū)域間產(chǎn)生一層蒸汽膜，而加工過(guò)程中的能量損失正是由于此蒸汽膜中對(duì)流換熱的作用導(dǎo)致。碳化硅材料熔點(diǎn)溫度高達(dá)2 973 ℃，在激光加工過(guò)程中，其溫度明顯高于水的沸點(diǎn)，此時(shí)，蒸汽膜內(nèi)的自然對(duì)流換熱可以忽略不計(jì)，而必須按照外部強(qiáng)制對(duì)流相變來(lái)計(jì)算平均對(duì)流換熱系數(shù)。本文采用Liu 等提出的計(jì)算方法，其實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式［7-8］如下：

式中，hfg為水的汽化潛熱；u水為水射流速度；h平均為平均對(duì)流換熱系數(shù)；D球?yàn)閳A球直徑，本實(shí)驗(yàn)選擇水射流噴嘴直徑0.7 mm；k水為水導(dǎo)系數(shù)，μ1，μ2分別為水和水蒸氣的動(dòng)力黏度；ρ1，ρ2分別為水和水蒸氣密度；Cpv為蒸汽比熱容的值；v1為水運(yùn)動(dòng)黏度；Tsup為373 K；式中，蒸汽相關(guān)物理性質(zhì)使用平均膜溫度，液體相關(guān)物理屬性選用飽和溫度值；代入式（8）計(jì)算得到平均換熱系數(shù)與水射流速度關(guān)系如下：

即：

通過(guò)上述公式可知，平均對(duì)流換熱系數(shù)隨著水射流速度的增大而增大，但其增大趨勢(shì)逐漸趨緩?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著水射流速度增大至一定數(shù)值，平均對(duì)流換熱系數(shù)增大幅度減小，或者幾乎可以忽略不計(jì)，即代表水射流冷卻作用帶來(lái)的能量損失將逐漸趨于一定值。

1.3 能量有效利用率分析

根據(jù)能量守恒定律（水射流在空氣中的能量及其他微小能量損失不計(jì)），水射流輔助激光加工系統(tǒng)的總能量包含激光輻照能量和水射流初始動(dòng)能兩部分，能量去向包括材料吸收的能量、水射流沖刷去除材料和其他雜質(zhì)的能量，以及水射流的引入給激光造成的能量損失三部分，用數(shù)學(xué)公式表示如下［9］：

式中，E損為激光能量在復(fù)合加工中造成的損失；E3為激光輻照的能量；m水為與靶體材料互相作用的水的質(zhì)量；E吸收為沖擊作用中靶體吸收的能量；m雜為水射流帶走的去除材料和熔渣等雜質(zhì)后的質(zhì)量；v0為水射流初速度；v裹為沖刷過(guò)程中裹挾雜質(zhì)的水射流速度。

激光能量的有效利用率，數(shù)學(xué)公式表示如下：

其中，V復(fù)合為復(fù)合加刻蝕的槽體體積；V無(wú)水為無(wú)水工況下刻蝕的槽體體積；η能量代表能量有效利用率。

綜上所述，水射流輔助激光加工過(guò)程中，水射流的引入對(duì)激光能量的有效利用率產(chǎn)生了較為重要的影響。一方面，隨水射流速度的變化，其沖擊作用帶走槽體兩側(cè)及內(nèi)壁的熔渣、防止重鑄層產(chǎn)生的能力大小有所不同，有效作用在待去除材料上的激光能量也有所變化，影響激光能量的有效利用率；另一方面，隨著水射流速度的變化，平均對(duì)流換熱系數(shù)發(fā)生變化，由水射流冷卻作用導(dǎo)致的激光能量損失亦有所變化，進(jìn)而影響激光能量的有效利用率。但當(dāng)水射流速度增大到某一界限時(shí)，靶體表面的對(duì)流換熱系數(shù)增加的梯度可忽略不計(jì)，故下文只對(duì)水射流的冷卻作用進(jìn)行理論分析，沒(méi)有對(duì)對(duì)流換熱進(jìn)行模擬仿真。為研究水射流影響激光能量利用的規(guī)律，下文對(duì)水射流輔助激光加工中水射流沖擊進(jìn)行模擬，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 仿真模擬分析

為研究不同水射流速度下水流對(duì)靶體表面的沖擊作用，進(jìn)而分析激光能量的有效利用的影響規(guī)律，本文使用COMSOL 軟件，模擬了入射角為45°，水 射 流 速 度 分 別 為8 m·s-1、12 m·s-1、16 m·s-1、20 m·s-1、24 m·s-1、28 m·s-1時(shí)水射流對(duì)靶體表面的沖擊影響。在軟件中分別命名了水射流的入口、出口和噴嘴壁面，為提高仿真度，細(xì)化模型中水射流和靶體表面相連接處以及模型底部的網(wǎng)格，如圖2 所示。在沖擊模擬的仿真中分別定義了水射流的入射速度、出口壓力（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即0.1 MPa）、壁面無(wú)滑移等邊界條件，求解得到不同水射流速度下的沖擊壓力云圖，如圖3 所示。

圖2 局部網(wǎng)格細(xì)化圖Fig.2 Diagram of local mesh refinement

圖3 不同水射流速度下的沖擊壓力云圖Fig.3 Impact pressure cloud map at different waterjet velocities

由圖3 可以看出，入射角為45°，水射流速度為8 m·s-1時(shí)，水射流作用在靶體表面的沖擊力最小；水射流速度為28 m·s-1時(shí)，水射流作用到靶體表面產(chǎn)生的沖擊力較其他幾組數(shù)據(jù)最大。隨著水射流速度加大，沖擊區(qū)域的靜壓也越來(lái)越大，且增加梯度逐漸增大，其最大值近似達(dá)到0.05 MPa?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著水射流速度的增大，其對(duì)于材料表面的沖擊力將越來(lái)越大，沖刷能力也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。繪制出不同水射流速度下材料表面各位置對(duì)應(yīng)的沖擊壓力變化圖，如圖4 所示。

圖4 水射流沖擊區(qū)域壓力變化圖形Fig.4 Figure of pressure change in waterjet impact areas

由圖4 可看出，水射流沖擊的區(qū)域較為集中，在0.009 5 m 至0.013 m 處，同時(shí)，沖擊區(qū)域壓力變化趨勢(shì)相似，且其數(shù)值隨著水射流速度的增大不斷增大。這表明水射流可以有效地對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行集中沖刷，理論上，水射流速度越大，其沖刷能力越強(qiáng)，當(dāng)速度增大到一定程度時(shí)，水射流在工件表面發(fā)生噴射紊亂。而對(duì)于無(wú)加工區(qū)域，可以看見(jiàn)其靜壓較小，水射流對(duì)其的影響有效減少?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著水射流速度的增大，其對(duì)于材料表面的沖擊力將越來(lái)越大，沖刷能力也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及其條件

為保證水射流沖擊的穩(wěn)定性以及加工的質(zhì)量，在實(shí)驗(yàn)中使水射流沖擊點(diǎn)稍滯后于激光聚焦點(diǎn)，避免激光加工過(guò)程中水和激光直接接觸，導(dǎo)致過(guò)多激光能量損失。同時(shí)，水射流噴嘴通過(guò)專業(yè)夾具夾緊，避免因?yàn)樗龠^(guò)大造成抖動(dòng)，對(duì)加工產(chǎn)生影響。加工試件固定于工作臺(tái)上，控制電腦通過(guò)控制工作臺(tái)的X、Y、Z 三軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)來(lái)移動(dòng)試件，完成相應(yīng)加工［10］。實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)加工示意圖Fig.5 Diagram of experimental machining

實(shí)驗(yàn)選用HGL-LMY500 固體激光加工系統(tǒng)，水射流速度由柱塞高壓泵調(diào)節(jié)的射流裝置刻蝕大小為20 mm × 20 mm × 5 mm 碳化硅片，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)水射流輔助激光加工系統(tǒng)參數(shù)表Tab.1 Parameters of experimental waterjet-assisted laser machining system

復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，水射流的速度不能過(guò)大或過(guò)小，因?yàn)楫?dāng)水射流速度過(guò)小時(shí)，射流的動(dòng)能較小，不能及時(shí)沖刷槽體周圍產(chǎn)生的熔渣等雜質(zhì)；水射流速度過(guò)大時(shí)，作用在靶體表面的沖擊力越大，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊反作用力，使復(fù)合加工系統(tǒng)嚴(yán)重震顫，導(dǎo)致水射流不能集中沖擊待加工區(qū)域，而且大量水汽和水霧導(dǎo)致激光產(chǎn)生散射現(xiàn)象，放大光斑直徑，降低激光聚焦能力，嚴(yán)重影響復(fù)合加工。故調(diào)節(jié)水射流速率分別為8 m·s-1、12 m·s-1、16 m·s-1、20 m·s-1、24 m·s-1、28 m·s-1，觀察復(fù)合加工的形貌。本文通過(guò)軟件測(cè)量槽體體積，將槽體形狀近似認(rèn)定為三棱柱，測(cè)量出槽體長(zhǎng)度以及截面面積，槽體長(zhǎng)度均為1 mm，根據(jù)三棱柱體積求法計(jì)算槽體體積。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 水射流速度對(duì)復(fù)合加工體積及能量有效利用率影響的實(shí)驗(yàn)分析

保持前述激光參數(shù)不變，不同的水射流速度和無(wú)水參與的激光加工后的槽體截面如圖6 所示。

圖6 不同水速下的激光刻蝕截面形貌圖（30X）Fig.6 Laser-etched Cross section at different water velocities （30X）

根據(jù)前述，判斷槽體近似三棱柱，利用測(cè)量軟件測(cè)出槽體的長(zhǎng)度及截面積，即可得到槽體體積，如圖7 所示；根據(jù)上述公式和槽體體積，計(jì)算出不同水射流速度下能量有效利用率，如圖8。結(jié)合圖7、圖8 及上述理論分析可以看出：

圖7 不同水射流速度下槽體體積Fig.7 Tank volume at different waterjet velocities

圖8 能量有效利用率Fig.8 Energy effective utilization

（1）從無(wú)水至水射流速度增至12 m·s-1的過(guò)程中，槽體體積不斷減小，且激光能量的有效利用率也不斷減小。因?yàn)樵谒淞魉俣容^低的階段（0～ 12 m·s-1），根據(jù)沖擊理論公式（6），水射流的初始速度較小，即沖擊作用較弱。根據(jù)冷卻理論公式（11），隨著水射流速度不斷增大，靶體表面的對(duì)流換熱系數(shù)也不斷增大，即水射流的冷卻作用不斷增強(qiáng)，激光的能量損失主要由水射流的冷卻導(dǎo)致。此時(shí)，水射流的冷卻作用占主導(dǎo)地位，熔化的材料迅速凝固形成熔渣、重鑄層等雜質(zhì)，導(dǎo)致槽體體積、深度減小。根據(jù)公式（13），V復(fù)合減小，激光能量有效利用率降低；

（2）水射流速度從12 m·s-1增至24 m·s-1的過(guò)程中，槽體體積不斷增大，且激光能量的有效利用率也不斷增大。因?yàn)樵谒淞魉俣冗m中的階段（12 ～ 24 m·s-1），根據(jù)沖擊理論公式（6），水射流的沖擊力逐漸增大，即沖擊作用逐漸增強(qiáng)，水射流可以及時(shí)沖刷槽體兩側(cè)和槽體內(nèi)壁產(chǎn)生的熔渣，防止重鑄層的產(chǎn)生，使激光更有效地作用在待加工表面。根據(jù)冷卻理論公式（11），隨著水射流速度的增大，材料表面的平均對(duì)流換熱系數(shù)增大，但增大的幅度減小。由水射流的冷卻作用，重凝產(chǎn)生的熔渣等雜質(zhì)被強(qiáng)大的沖擊作用迅速?zèng)_刷干凈，此時(shí)，水射流的沖擊作用占主導(dǎo)地位，使槽體體積、深度增大。根據(jù)公式（13），V復(fù)合增大，激光能量的有效利用率增大；

（3）隨著水射流速度增至28 m·s-1，槽體體積反而減小至0.383 mm3，且激光能量的有效利用率也不斷降低。因?yàn)樵谒淞魉俣鹊母咚匐A段（24 ～28 m·s-1），水射流的動(dòng)能較大，即沖擊力較大，在沖擊過(guò)程中，由于沖擊力的反作用力，使加工系統(tǒng)嚴(yán)重震顫，導(dǎo)致水射流沖擊區(qū)域發(fā)散，不能及時(shí)沖刷槽體周圍的雜質(zhì)，并產(chǎn)生大量水蒸氣和水霧，影響激光光斑聚焦、光斑部分發(fā)散，損失大量激光能量。并且材料表面的對(duì)流換熱系數(shù)增加幅度基本忽略不計(jì)，水射流冷卻作用較沖擊作用而言，影響甚微。此時(shí)，沖擊作用占主導(dǎo)地位，使槽體體積、深度減小，激光能量的有效利用率降低。

3.2.2 水射流速度大小對(duì)復(fù)合刻蝕加工所得槽體微觀形貌分析

為了研究水射流速度大小對(duì)復(fù)合加工的影響，對(duì)比分析無(wú)水及水射流速度為8 m·s-1、24 m·s-1時(shí)加工所得槽體及其內(nèi)壁形貌圖。利用Sirion200 型場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡觀測(cè)無(wú)水和水射流速度為8 m·s-1、24 m·s-1時(shí)復(fù)合加工槽體及其壁面的電子顯微鏡圖，其放大倍數(shù)為400 倍，如圖9 所示。

圖9 槽體表面形貌圖（400X）Fig.9 Surface topography of tank volum（400X）

結(jié)合圖9 可以看出，單純的激光刻蝕時(shí)，槽體表面和內(nèi)壁均附著大量的重鑄層，槽體底部堆積大量熔渣，且重鑄層顆粒較大；隨著水的加入以及速度提高，重鑄層顆粒明顯減?。划?dāng)水射流速度為24 m·s-1時(shí)，重鑄層幾乎消失，只有部分熔渣附著在槽體表面。分析認(rèn)為，無(wú)水刻蝕時(shí)，材料達(dá)到熔點(diǎn)或者汽化溫度，會(huì)被輔助氣體去除，而碳化硅的熱導(dǎo)率相對(duì)較低，同時(shí)激光作用時(shí)間較短，導(dǎo)致加工區(qū)域材料難以被激光全部加熱至汽化溫度，大部分材料處于熔融態(tài)。但輔助氣體吹除能力較弱，處于熔融態(tài)的材料只有一小部分被輔助氣體吹除，其余部分堆積在槽體底部，隨著溫度降低形成熔渣。水的引入可以將處于熔融態(tài)的熔渣沖除，減少重鑄層，但當(dāng)水速不高時(shí)，其能量不夠大，使得作用至槽體的沖擊力較小，只能沖除部分熔渣，仍會(huì)殘留部分熔渣堆積在底部，同時(shí)重鑄層無(wú)法完全去除，導(dǎo)致槽體表面呈現(xiàn)溝壑狀；當(dāng)水射流速度增大至24 m·s-1時(shí)，由前面模擬結(jié)果可知，此時(shí)沖擊力遠(yuǎn)大于8 m·s-1時(shí)的沖擊力，對(duì)形成的槽體產(chǎn)生較大的沖擊促使熔渣大部分被去除，此時(shí)復(fù)合加工效果較好。

3 結(jié)論

本文為探究水速對(duì)水射流輔助激光加工碳化硅中能量有效利用率和槽體體積以及復(fù)合加工質(zhì)量的影響，模擬了入射角45°時(shí)不同水射流速度沖擊材料產(chǎn)生的靜壓大小，從理論上分析材料表面的對(duì)流換熱和沖擊作用對(duì)加工結(jié)果產(chǎn)生的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：

（1）普通的激光刻蝕加工，加工槽體體積較大，槽體底部堆積大量熔渣，同時(shí)，槽體壁面存在較多的重鑄層，加工質(zhì)量較差；水的引入可以減少加工后槽體底部熔渣的堆積，并有效去除槽體壁面重鑄層，提高加工質(zhì)量。

（2）水射流速度從8 m·s-1增大至28 m·s-1時(shí)，復(fù)合加工過(guò)程中激光能量有效利用率和槽體積呈現(xiàn)先減小再增大，最后減小的相同趨勢(shì)。

（3）水射流速度8 m·s-1時(shí)，加工槽體底部熔渣少部分被去除，重鑄層呈現(xiàn)溝壑狀；水射流速度為24 m·s-1時(shí)，復(fù)合加工槽體的體積較其他幾組數(shù)據(jù)最大，能量有效利用率較其他幾組數(shù)據(jù)也最大，加工質(zhì)量較好，槽體底部熔渣堆積較少，同時(shí)壁面重鑄層大量減少。