激光誘導(dǎo)空泡沖擊強(qiáng)化動(dòng)力學(xué)特性*

陳鐵牛，鄧 宇，曾文平，李 松，丁首斌，陳海濤

（1.廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528041；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006）

0 引言

激光誘導(dǎo)空泡沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用激光在水下聚焦后擊穿液體介質(zhì)形成空泡[1-2]，利用空泡生長和潰滅階段產(chǎn)生的指向固體壁面的射流和沖擊波對工件進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。與傳統(tǒng)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)相比，激光誘導(dǎo)空泡沖擊強(qiáng)化技術(shù)能夠利用低能量的激光器、較小的激光光斑和較高的頻率對工件進(jìn)行沖擊強(qiáng)化加工[3-4]，已成為近期研究的熱點(diǎn)問題之一。

國內(nèi)外眾多學(xué)者都對激光水下沖擊強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了研究，Mukai和Nithin[5-6]直接將工件浸沒在液體中，以較小的激光能量和10～100 Hz 的重復(fù)頻率對工件進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。Sano 等[7]利用激光水下無涂層沖擊強(qiáng)化進(jìn)行核電站的維護(hù)。Sathyajith[8]利用激光對T6 材料薄片進(jìn)行水下無涂層激光沖擊強(qiáng)化，加工后工件殘余應(yīng)力都得到相應(yīng)增加。覃恩偉[9]、孫汝劍[10]、韓培培[11]、羅高麗[12]等對不同材料進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，加工后工件性能得到顯著提升。舒坤等[13]通過對焊縫處的材料進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，將焊縫顯微硬度提升50%。

除了利用激光空泡進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，近年來，眾多學(xué)者對激光空泡進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，王亮亮等[14-16]利用激光誘導(dǎo)空泡進(jìn)行微溝槽的沖壓成型實(shí)驗(yàn)研究。Zhang等[17]借助納秒-微米時(shí)空分辨率的激光空化泡攝影測量系統(tǒng)，對壁面附近空泡潰滅形態(tài)演化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和仿真計(jì)算。Park 等[18]采用基于三維Navier-Stokes 方程的完全可壓縮混合模型對剛性表面附近激光誘導(dǎo)的單氣泡動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了數(shù)值模擬。Senega 等[19]研究了激光誘導(dǎo)空化泡淹沒在水、乙醇和聚乙二醇中的動(dòng)力學(xué)，觀察到在邊緣后方形成一個(gè)固定型的次級腔。Li 等[20]對壁面附近空化泡的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出壁面的存在會顯著影響空泡坍塌特性。Zhang等[21]基于高速相機(jī)的空化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了誘導(dǎo)球形顆粒與固體壁面間空化泡的潰滅動(dòng)力學(xué)。

由于激光誘導(dǎo)空泡沖擊強(qiáng)化過程是氣、液、固多相的實(shí)時(shí)作用，作用過程較為復(fù)雜，有必要先對空炮生長和潰滅過程動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。本文利用激光聚焦于水下，誘導(dǎo)產(chǎn)生空泡，分別對不同激光焦點(diǎn)位置、不同激光能量情況下的空泡脈動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析空泡的動(dòng)力學(xué)特性，該研究有助于揭示空泡沖擊強(qiáng)化的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，圖中有機(jī)玻璃厚度為4 mm，上面加工有0.5 mm 直徑小孔，整個(gè)工件浸沒在蒸餾水下10 mm 位置，1 064 nm 激光經(jīng)過77 mm 焦距透鏡聚焦于水下工件上方，激光器采用Nd:YAG 調(diào)Q 激光器，激光脈寬為7 ns，激光器型號為Dawa 200；采用不同激光能量和不同激光焦點(diǎn)位置進(jìn)行空泡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)蒸餾水在激光的作用下迅速氣化，形成等離子體，繼而形成空泡?？张菰谒幸詷O快的速度膨脹和收縮。利用高速攝影儀觀測微孔入口和出口處空泡脈動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)特性，高速攝影儀采用Keyence vw-600C，使用幀率為80 000 f∕s，鹵素?zé)粲糜诟咚贁z影儀拍攝的照明。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 不同焦點(diǎn)位置激光空泡特性研究

為了研究不同焦點(diǎn)位置的空泡特性，采用激光能量為6.27 mJ，分別將激光焦點(diǎn)聚焦于0.5 mm 小孔上方1.6、0.8、0、-1 mm 四個(gè)位置（激光能量為6.27 mJ 時(shí)該位置具有代表性），通過高速攝影儀拍攝空泡的變化過程。

2.1 空泡位于孔上1.6 mm 位置情況

圖2 是激光焦點(diǎn)聚焦于孔口上方1.6 mm 位置的空泡脈動(dòng)序列圖。圖中A1 幀（0 μs）激光聚焦于孔口上方1.6 mm 處，A2 幀（12.5 μs）焦點(diǎn)處的空泡開始膨脹，A3 幀（87.5 μs）空泡膨脹到最大直徑約1.72 mm。之后空泡開始呈球狀收縮，收縮到最小直徑B1幀（187.5μs）時(shí)空泡開始潰滅，并呈現(xiàn)趨向微孔的運(yùn)動(dòng)，但此時(shí)空泡并沒有和微孔接觸。在B2 幀（212.5 μs）空泡呈心形膨脹，B3 幀（250 μs） 空泡再次膨脹到最大泡徑約1.17 mm，之后空泡再次收縮，并呈現(xiàn)明顯的趨向微孔方向收縮。收縮過程空泡與微孔一直保持接觸，最后在C1幀（312.5μs）空泡潰滅，在C1 到C5 幀空泡再次膨脹一次后潰滅，消散在水中，整個(gè)過程空泡振蕩3次。

圖2 激光焦點(diǎn)聚焦于孔口上方1.6 mm位置的空泡脈動(dòng)序列

圖3 是0.5 mm 微孔下端出口處空泡脈動(dòng)序列圖，圖中A2 幀（12.5 μs）可見有黑色物體噴出，根據(jù)Kelly Siew Fong Lew 的研究[22]，這種孔口噴出物實(shí)際上是孔內(nèi)液體高速射出時(shí)與周圍液體產(chǎn)生速度差而形成新的空泡，空泡在孔內(nèi)噴出液體的推動(dòng)下將隨著液體一起流動(dòng)，可以將空泡移動(dòng)的速度作為孔內(nèi)液體的噴出參考速度。通過對高速攝影圖片進(jìn)行分析，圖3 中12.5μs 時(shí)刻空泡向下移動(dòng)速度為4.8 m∕s，之后空泡速度在波動(dòng)中衰減，并且整個(gè)過程中，孔尾只出現(xiàn)一次空泡，整個(gè)空泡移動(dòng)的平均速度為3.4 m∕s。由于高速攝影儀拍攝開始時(shí)間不能做到嚴(yán)格與激光器發(fā)射激光時(shí)間同步，僅從圖3 還無法判斷孔尾空泡是由圖2 中激光聚焦時(shí)刻導(dǎo)致的，還是由后面幾次空泡潰滅導(dǎo)致。

圖3 激光焦點(diǎn)聚焦于孔口上方1.6 mm位置時(shí)微孔出口端序列

2.2 空泡位于孔上0.8 mm 位置情況

圖4 是激光焦點(diǎn)位置位于孔口上方0.8 mm 位置時(shí)的空泡序列圖。圖中空泡在A3 幀（87.5 μs）達(dá)到最大泡徑，約1.725 mm，與圖2 中空泡的最大直徑相當(dāng)，并且此處的空泡達(dá)到最大泡徑的時(shí)間與圖2 中空泡的最大泡徑時(shí)間一致，但空泡達(dá)到最大泡徑時(shí)并非呈完整的球形，其下端有一尾跡和小孔相連。A3 幀之后空泡開始收縮，圖中B1幀空泡已收縮到最小泡徑并發(fā)生潰滅，收縮到最小泡徑的時(shí)間為200 μs，比圖2 B1 幀的187.5 μs 略長，但圖2 中空泡距離微孔較遠(yuǎn)，受壁面的影響較小?？张菔湛s過程（A3至A5幀）呈球形，而圖4中空泡收縮過程（A3 至A5 幀）則有很大不同，整個(gè)空泡的下端一直與0.5 mm 孔口接觸，并且下端逐漸變得扁平，整個(gè)收縮過程逐漸由球形變成半球形，并在第一次潰滅前A5 幀（187.5μs）時(shí)刻，空泡上表面變得扁平，說明空泡上方已經(jīng)出現(xiàn)塌陷，最后在B1 幀空泡上表面塌陷擊穿下表面，空泡潰滅?？张菰贐1 幀（200μs）潰滅后反彈膨脹了一次（B1 至B3），最后在B5 幀（325μs）潰滅。對比圖2 和圖4，兩者的周期變化很大，圖2 中空泡從初生到完全潰滅的整個(gè)周期是412.5μs，圖4的周期已經(jīng)下降到了325μs。同時(shí)圖2 中的空泡振蕩了3 次，圖4 中的空泡只振蕩了2次。由于振蕩次數(shù)的減少導(dǎo)致周期縮短。

圖4 激光焦點(diǎn)位置位于孔口上方0.8 mm位置時(shí)空泡脈動(dòng)序列

圖5 為0.5 mm 孔出口高速攝影圖片。與圖3 相比，圖5 中孔出口處移動(dòng)空泡的體積大小有所增加（見A2幀），測量得到A2 幀空泡的移動(dòng)速度為4.8 m∕s，與圖3中一致，并且整個(gè)孔尾只出現(xiàn)一次空泡，整個(gè)空泡移動(dòng)的平均速度為4.9 m∕s。

圖5 激光焦點(diǎn)聚焦于孔口上方0.8 mm位置時(shí)微孔出口端序列

2.3 空泡位于孔上0 mm位置情況

圖6 是激光焦點(diǎn)位于孔上0 mm 位置（即與孔口平齊）的空泡脈動(dòng)序列圖。與圖2和圖4的情況不同，此時(shí)的空泡呈半球形膨脹（A2 至A3 幀），而非球形，同樣在A3 幀（100 μs）達(dá)到最大泡徑，約2.16 mm；之后空泡呈半球形收縮，在B1 幀（200μs）收縮到最小值，達(dá)到最小值的時(shí)間與圖4 接近（圖4 也為200μs），B1 幀空泡潰滅后再次輕微反彈膨脹，并在B5 幀（262.5μs）潰滅后彌散在周圍流體中。從圖6 中可見整個(gè)空泡經(jīng)歷了兩次振蕩，振蕩周期為262.5μs，振蕩次數(shù)與圖4 的相同，振蕩周期有所縮短。

圖6 激光焦點(diǎn)位置位于孔口上方0 mm位置時(shí)空泡脈動(dòng)序列

圖7 為孔尾高速攝影序列圖。圖中整個(gè)過程出現(xiàn)一個(gè)明顯的較大的空泡。說明孔內(nèi)液體流出的速度較大，形成較大的環(huán)形空泡，圖中的空泡也出現(xiàn)明顯的膨脹和收縮過程，在A5 幀空泡膨脹到最大尺寸，之后開始收縮，但收縮過程不像圖2、圖4 和圖6 的空泡收縮，并沒有形成指向微孔的潰滅，圖7 中的空泡收縮過程是逐漸遠(yuǎn)離孔口的，最終在孔下端一定距離處潰滅，如圖中B5幀（150μs）所示，這主要是由于孔內(nèi)有高速液體流出，導(dǎo)致空泡被液體推向遠(yuǎn)離孔口的位置。從A2 幀到B4 幀可以發(fā)現(xiàn)空泡的下端都是平的，并不是呈球形，這也說明空泡中間有高速液體流出，因此，此處的空泡應(yīng)該也是環(huán)形空泡。同樣也可以借鑒空泡的移動(dòng)速度作為流體移動(dòng)的參考速度，圖中12.5 μs 時(shí)刻空泡移動(dòng)速度為11.1 m∕s，整個(gè)周期內(nèi)空泡移動(dòng)的平均速度為6.4 m∕s，較圖5和圖3有明顯的增大。

圖7 激光焦點(diǎn)聚焦于孔口上方0 mm位置時(shí)微孔出口端序列

2.4 空泡位于孔內(nèi)-1mm 位置情況

圖8 是激光焦點(diǎn)位于孔內(nèi)-1 mm 位置（即位于孔口下方1 mm位置）的空泡脈動(dòng)序列圖。此時(shí)空泡脈動(dòng)序列圖與激光焦點(diǎn)位于孔口上方的圖形有很大差別。圖8 中A1 幀顯示激光聚焦于孔內(nèi)-1 mm 處，形成擊穿液體介質(zhì)光亮點(diǎn)，A2 幀（12.5 μs）開始在孔口處形成0.75 mm ×0.22 mm 的環(huán)空泡，A3 幀（25μs）空泡繼續(xù)長大，并在A5 幀（50 μs） 呈 現(xiàn) 出 明 顯 的 倒 錐 形，空 泡B1 幀（62.5 μs）達(dá)到最大體積0.92 mm × 0.55 mm，空泡下端變得更細(xì)小，B2 幀（75 μs）時(shí)空泡下端出現(xiàn)將與微孔脫離的趨勢，此時(shí)空泡呈心形，B3幀（87.5μs）空泡完全與微孔脫離，并呈現(xiàn)向上移動(dòng)的趨勢，此時(shí)空泡為腰鼓 形，B4 幀（100 μs） 空 泡 體 積 逐 步 減 小，B5 幀（112.5μs）空泡進(jìn)一步脫離微孔，體積進(jìn)一步減小，此時(shí)空泡尺寸為0.75 mm×0.3 mm。

圖8 激光焦點(diǎn)聚焦于孔內(nèi)-1 mm位置時(shí)微孔入口端序列

圖9 是孔尾高速攝影序列圖。與激光焦點(diǎn)位于孔口的情況類似，圖中同樣也出現(xiàn)一個(gè)明顯的較大的空泡，圖中的空泡也出現(xiàn)明顯的膨脹和收縮過程，在A5 幀（50 μs）空泡膨脹到最大尺寸，之后開始收縮，同樣沒有形成指向微孔的潰滅，B1 幀（62.5 μs）空泡開始收縮，并在B3 幀（87.5 μs）脫離微孔，B5 幀（137.5 μs）空泡已經(jīng)縮小至很小的體積，同樣也可以借鑒空泡的移動(dòng)速度作為流體移動(dòng)的參考速度，經(jīng)測量12.5μs時(shí)刻空泡移動(dòng)速度為13.3 m∕s，整個(gè)周期內(nèi)空泡的平均速度為6.8 m∕s。

圖9 激光焦點(diǎn)聚焦于孔-1 mm位置時(shí)微孔出口端序列

圖9中空泡下端各幀畫面都為平面，包括圖8中空泡各幀圖像中，空泡上端都為平面，這是由于激光聚焦于微孔內(nèi)，激光擊穿液體介質(zhì)后沖擊波在有限空間內(nèi)將孔內(nèi)液體向外高速推出，導(dǎo)致液體推向遠(yuǎn)離孔口的位置，在高速流動(dòng)液體周邊形成負(fù)壓，從而形成空泡。從圖9中A2 幀到B4 幀可以發(fā)現(xiàn)空泡的下端都是平的，并不呈球形，這也說明空泡中間有高速液體流出，因此，此處的空泡應(yīng)該是環(huán)形空泡。

3 不同激光能量空泡特性研究

以上實(shí)驗(yàn)針對不同焦點(diǎn)位置空泡脈動(dòng)情況進(jìn)行了高速攝影拍攝研究，不同位置空泡呈現(xiàn)的特性有很大差異，為進(jìn)一步研究能量大小對微孔附近空泡的影響，同時(shí)考慮較大激光能量下空泡有足夠的空間膨脹，采用孔口上方1.6 mm 的焦點(diǎn)位置，分別采用6.27、15.5、21.5 mJ 能量激光進(jìn)行空泡高速攝影實(shí)驗(yàn)，由于6.27 mJ實(shí)驗(yàn)情況已在圖2 和圖3 中展示，下面分別對15.5 mJ、21.5 mJ 激光能量下的空泡特性進(jìn)行研究。

3.1 激光能量為15.5 mJ時(shí)空泡脈動(dòng)情況

圖10為激光焦點(diǎn)位置位于孔口上方1.6 mm、激光能量為15.5 mJ 時(shí)空泡脈動(dòng)序列圖。圖中A2 幀（12.5 μs）已經(jīng)在孔口上方出現(xiàn)空泡，由于激光能量較大，此時(shí)擊穿位置類似成一條線狀；圖中A3 幀（25 μs）時(shí)，空泡呈中間大兩頭尖的紡錘形，氣泡左右尺寸為1.2 mm，上下尺寸為1.6 mm；A4 幀（125μs）時(shí)，空泡膨脹到最大直徑，為2.46 mm，此時(shí)空泡呈現(xiàn)球型，同時(shí)空泡底部已經(jīng)與孔口接觸；A5 幀（225μs）時(shí)，空泡已經(jīng)呈現(xiàn)趨向微孔的收縮，此時(shí)空泡尺寸為1.67 mm；圖中B1 幀（250μs）中，空泡呈現(xiàn)一個(gè)鼓形，上部和下部都呈現(xiàn)扁平，在B2 幀（262.5μs）塌陷，之后空泡再次膨脹，在B3 幀（337.5 μs）空泡再次膨脹到最大尺寸，此時(shí)空泡呈現(xiàn)類似半球形，半球左右尺寸為3.07 mm，上下尺寸為0.75 mm，最后在B5幀（437.5μs）空泡再次潰滅，之后C1（487.5 μs）至C5 幀（587.5 μs）空泡出現(xiàn)輕微的反彈后完全潰滅。

圖10 激光能量為15.5 mJ時(shí)微孔出口端序列

圖11為激光焦點(diǎn)位置位于孔口上方1.6 mm、激光能量為15.5 mJ時(shí)，微孔下端出口處空泡脈動(dòng)序列圖。從圖中可見，A2 幀（25 μs）時(shí)，微孔出口處（與A1 幀對比）出現(xiàn)微小的環(huán)形空泡，左右寬0.63 mm，上下厚0.08 mm；A3 幀（50μs）時(shí)，環(huán)形空泡已近脫離孔口并向下運(yùn)動(dòng)；A4 幀（100μs）時(shí)，環(huán)形空泡已近開始變小并分散成兩處，說明空泡在向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也在逐步縮??；A5 幀（287.5μs）已經(jīng)觀測不到空泡，緊接著B1幀（300μs），孔口下方再次出現(xiàn)環(huán)形空泡，左右寬0.66 mm，上下厚0.13mm，比A2 幀時(shí)出現(xiàn)的空泡尺寸略微增大，空泡在B2 幀（325μs）時(shí)脫離孔口，之后空泡逐步遠(yuǎn)離孔口，在B5 幀（512.5μs）時(shí)，仍能清晰的觀測到空泡向下運(yùn)動(dòng)。對比空泡第一次出現(xiàn)的時(shí)刻A2幀和第二次出現(xiàn)的時(shí)刻B1幀，間隔時(shí)間剛好是275μs。再次觀察圖10 發(fā)現(xiàn)，激光聚焦液體中的A1 幀和空泡第一次潰滅的B2 幀，時(shí)間間隔也是275 μs。可見圖11 中孔尾的第一次空泡是由激光擊穿液體介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的沖擊波形成的，第二次空泡則是由空泡第一次潰滅時(shí)產(chǎn)生的潰滅沖擊波和射流綜合作用的結(jié)果。同時(shí)也觀測到第二次空泡遠(yuǎn)離孔尾的距離比第一次更遠(yuǎn)，且觀測到第二次空泡的尺寸比第一次的尺寸更大，說明空泡潰滅沖擊波和射流對孔尾的沖擊作用更強(qiáng)，這可能是由于空泡潰滅時(shí)已經(jīng)位于微孔入口處，比激光焦點(diǎn)更靠近微孔出口，因此其在微孔出口處表現(xiàn)出來的沖擊作用更加明顯。

3.2 激光能量為21.5 mJ時(shí)空泡脈動(dòng)情況

圖12 為激光焦點(diǎn)位置位于孔口上方1.6 mm 位置、激光能量為21.5 mJ 時(shí)空泡脈動(dòng)序列圖，圖中A2 幀（12.5μs）已經(jīng)在孔口上方出現(xiàn)空泡，同樣由于激光能量較大，出現(xiàn)兩個(gè)液體擊穿點(diǎn)，分別在孔口上方0.89 mm處和1.65 mm處形成兩個(gè)空泡，圖中A3幀（50μs）兩個(gè)空泡同步進(jìn)行膨脹，上部直徑為1.78 mm，下部直徑為1.57 mm，并且上下兩個(gè)空泡已經(jīng)開始融合，兩個(gè)空泡融合后高度為2.14 mm，A4幀（137.5μs）時(shí)，兩個(gè)空泡已經(jīng)融合，此時(shí)空泡基本呈現(xiàn)與單焦點(diǎn)空泡類似的球型，直徑為2.6 mm，同時(shí)空泡底部已經(jīng)與孔口接觸；A5 幀（225μs）時(shí)刻，空泡開始趨向壁面收縮，此時(shí)空泡形狀上下部出現(xiàn)明顯臺階，說明上部空泡和下部空泡沒有完全融合，出現(xiàn)不同步的收縮；圖中B1幀（262.5μs）中，空泡呈上大下小的錐臺形狀，并在B2 幀（275 μs）塌陷，之后空泡再次膨脹，在B3 幀（362.5μs）空泡再次膨脹到最大尺寸，此時(shí)空泡同樣呈類似半球形，半球左右 尺 寸3.28 mm，上 下 尺 寸0.78mm，最 后 在B5 幀（462.5 μs）空泡再次潰滅，之后C1（500 μs）至C5 幀（650μs）空泡出現(xiàn)輕微的反彈后完全潰滅。

圖12 激光能量為21.5mJ時(shí)微孔出口端序列圖

圖13 為微孔下端出口處空泡脈動(dòng)序列圖。從圖中可見，A2 幀（25μs）時(shí)，微孔出口處（與A1 幀對比）出現(xiàn)微小的環(huán)形空泡，左右尺寸0.77，上下厚度0.16 mm，相對于圖11 中該時(shí)刻的空泡尺寸要明顯增厚；A3 幀（50 μs）時(shí)，環(huán)形空泡進(jìn)一步增厚，左右寬0.72 mm，上下厚0.25mm，并呈現(xiàn)與孔口脫離的趨勢；A4 幀（100μs）時(shí)，環(huán)形空泡已近開始變小并與孔口脫離，此時(shí)空泡距離孔口0.36 mm；A5幀（287.5μs）時(shí)，空泡已經(jīng)縮小到非常小的尺寸，距離孔口1.1 mm，緊接著B1幀（300 μs），孔口下方再次出現(xiàn)第二個(gè)環(huán)形空泡，左右尺寸為0.69 mm，上下尺寸為0.12 mm，比A2 幀時(shí)出現(xiàn)的第一個(gè)空泡尺寸由略微減?。煌瑫r(shí)距離孔口1.19 mm，第一個(gè)空泡又再次開始增大，較A5 幀時(shí)變得更加明顯；之后B2 幀（325μs）第二個(gè)空泡進(jìn)一步增大，并準(zhǔn)備脫離孔口，此時(shí)空泡左右尺寸為0.72 mm，上下厚度為0.19 mm，與第一次空泡相應(yīng)位置（A3 幀）略微減小，之后空泡逐步遠(yuǎn)離孔口，在B5 幀（512.5μs）時(shí)，仍能清晰地觀測到空泡向下運(yùn)動(dòng)。

圖13 激光為15.5 mJ時(shí)微孔出口端序列

從圖13 可見，第一次空泡較第二次空泡尺寸更大、更明顯。這可能是由于激光能量的增加，激光聚焦于水中產(chǎn)生第一次沖擊波的能量也隨之增加，所以圖13 中A2 幀空泡相應(yīng)增大，而圖13 中B2 幀空泡相較于A2 幀，該時(shí)刻的潰滅沖擊波和射流沖擊作用沒有第一沖擊波增加明顯，所以第一次空泡尺寸大于第二次空泡尺寸，但整體第一次和第二次空泡尺寸都比圖11 激光能量較小時(shí)有明顯增大。

除了對不同激光焦點(diǎn)位置、不同激光能量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)外，還分別采用1、3、5、10 Hz 進(jìn)行激光空泡連續(xù)沖擊實(shí)驗(yàn)，由于以上頻率的激光作用間隔時(shí)間（10 Hz的間隔時(shí)間6 s）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光空泡幾百微秒的作用時(shí)間，相鄰兩空泡之間不會出現(xiàn)相互影響，因此采用低脈沖頻率可以實(shí)現(xiàn)空泡的連續(xù)沖擊作用，激光每個(gè)脈沖的沖擊作用機(jī)理與單個(gè)空泡的作用機(jī)理一樣，本文不再贅述。

4 討論

為了進(jìn)一步分析激光空泡的流體動(dòng)力學(xué)特性，繪制了空泡直徑、移動(dòng)速度、壓力等參數(shù)曲線。圖14 為孔口上方空泡水平和豎直尺寸曲線圖。從圖中對比可見，不同焦點(diǎn)位置空泡尺寸基本經(jīng)歷了3次振蕩，曲線出現(xiàn)3次膨脹和收縮（激光焦點(diǎn)位于孔內(nèi)1 mm時(shí)只觀測到兩次）；圖14（a）是孔口空泡水平尺寸曲線圖，圖中0～200 μs階段激光焦點(diǎn)與孔口平齊（即孔口上方0 mm）時(shí)，空泡水平尺寸最大，達(dá)到約2.25 mm，由于此時(shí)激光焦點(diǎn)正好與孔口平面平齊，空泡膨脹在豎直方向受到孔口所在壁面的限制，導(dǎo)致空泡只能朝水平兩側(cè)膨脹，所以此階段空泡水平尺寸最大（見圖6）。其次是激光焦點(diǎn)位于“孔口0.8 mm”時(shí)，此時(shí)空泡在膨脹到最大直徑時(shí)，空泡與孔口壁面接觸，開始受到壁面的影響（見圖5），所以從圖14（a）中可見，“孔口上方0.8 mm”與“孔口上方1.6 mm”兩種參數(shù)下，0～100 μs 時(shí)空泡水平尺寸接近，在膨脹到最大直徑時(shí)，“孔口上方0.8 mm”的水平尺寸略大于“孔口上方1.6 mm”；100～200 μs 階段可見“孔口上方0.8 mm”收縮速度小于“孔口上方1.6 mm”，原因是孔口壁面對空泡有阻礙作用；200～300 μs 空泡第二次振蕩階段，空泡水平直徑最大的是“孔口上方0.8 mm”，該時(shí)刻空泡緊貼孔口壁面進(jìn)行膨脹（見圖4），受到壁面的限制，只能在水平方向進(jìn)行長大。

圖14 孔口上方空泡尺寸曲線

圖14（b）為不同焦點(diǎn)位置空泡豎直方向尺寸曲線。從圖中可見，空泡在0～400μs 的振蕩周期內(nèi)，基本上焦點(diǎn)距離孔口越遠(yuǎn)，空泡豎直尺寸越大。原因是距離孔口越遠(yuǎn)，壁面對空泡的限制作用越小，空泡在豎直方向膨脹和收縮的限制越小，所以其空泡最大泡徑也就越大。

在激光空泡作用過程中，主要存在3種壓力：（1）激光擊穿液體時(shí)產(chǎn)生的等離子體沖擊波產(chǎn)生的壓力；（2）空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的潰滅沖擊波壓力；（3）當(dāng)空泡位于固體壁面附近時(shí)，空泡收縮階段還將產(chǎn)生微射流，射流作用在工件上將對工件產(chǎn)生壓力作用。

針對等離子體沖擊波，F(xiàn)abbro[23]在Anderholm、Lesser 等[24-25]研究的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了不同約束介質(zhì)（比如水、玻璃、金屬）條件下的激光等離子體運(yùn)動(dòng)模型，并提供了沖擊波壓力與激光能量密度的方程。

式中：P為激光等離子體壓力；I0為激光能量密度；α為激光等離子內(nèi)能轉(zhuǎn)化為激光壓力的系數(shù)，此處α≈0.1；Z為環(huán)境介質(zhì)（Z1）與施加目標(biāo)（Z2）的復(fù)合阻抗，有

其次，空泡潰滅時(shí)，也將在目標(biāo)物體上施加沖擊波壓力，根據(jù)Lord Rayleigh[26]的理想空泡方程：

式中：ρ為液體的密度；R為空泡的半徑；為空泡壁運(yùn)動(dòng)的速度；為空泡壁加速度；PR為空泡壁壓力；P∞為無限遠(yuǎn)處水域壓力。

由于Rayleigh 方程沒有考慮空泡含氣量、表面張力和可壓縮性等因素的影響，通過計(jì)算會發(fā)現(xiàn)空泡收縮到最小半徑時(shí)泡壁的速度和加速度將變得無窮大，并且空泡不會反彈，與實(shí)際情況不符。式（3）是陳笑[27]提供的改進(jìn)后的Rayleigh 方程，該方程考慮了含氣量、表面張力和液體黏度等因數(shù)。

式中：Pv為飽和蒸汽壓力；R0為空泡初始半徑；σ和μ分別為液體的表面張力系數(shù)和黏度系數(shù)；γ為氣體絕熱指數(shù)。

圖15為孔尾空泡水平和豎直尺寸曲線。從圖中可見，只有激光焦點(diǎn)位于“孔口上方0 mm”和“孔內(nèi)1 mm”時(shí)，空泡水平和豎直尺寸較大，其他焦點(diǎn)位置空泡尺寸都較小。從圖15（a）可見，空泡第一次振蕩周期約為100 μs，空泡水平尺寸最大約為1.2～1.3 mm，較激光焦點(diǎn)為“孔口上方0.8 mm”和“孔口上方1.6 mm”時(shí)空泡大0.3～0.5 mm。同樣，圖15（b）空泡豎直尺寸也是激光焦點(diǎn)位于“孔口上方0 mm”和“孔內(nèi)1 mm”時(shí)較大。由于空泡半徑越大，空泡推動(dòng)周邊液體移動(dòng)的距離也就越大，空泡推動(dòng)液體所做的功也就越大，即空泡越大，空泡所具有的能量也就越大。因此可見，激光焦點(diǎn)位于“孔口上方0 mm”和“孔內(nèi)1 mm”時(shí)，孔尾空泡具有更大的能量，對周邊物體將產(chǎn)生更大的沖擊作用力。

圖15 孔尾空泡尺寸曲線圖

圖16 為孔尾空泡豎直方向移動(dòng)速度曲線。該曲線圖以空泡中心點(diǎn)作為觀測對象，通過高速攝影測量的距離與間隔時(shí)間計(jì)算得到。從圖中可見，激光焦點(diǎn)位于“孔內(nèi)1 mm”時(shí)，空泡移動(dòng)速度最大，其次是激光焦點(diǎn)位于“孔口上方0 mm”。當(dāng)位于“孔內(nèi)1 mm”時(shí)，在12.5 μs時(shí)刻，空泡移動(dòng)最大速度為13.33 m∕s；在112.5μs時(shí)刻，空泡移動(dòng)最大速度再次達(dá)到13.33 m∕s。空泡移動(dòng)速度排第二的是激光焦點(diǎn)為“孔口上方0 mm”。在12.5 μs 時(shí)刻，空泡移動(dòng)速度為11.11 m∕s，在112.5 μs 時(shí)刻，空泡速度為12.78 m∕s。對比圖16和圖15，空泡移動(dòng)速度最大的時(shí)刻對應(yīng)于孔尾空泡初生和空泡潰滅的階段。空泡初生階段，由于孔內(nèi)液體高速流出，與周邊液體形成速度差，從而形成孔尾環(huán)形空泡，因此孔尾空泡第一次速度最大值出現(xiàn)在孔尾空泡生成的初期，此時(shí)沖擊波帶動(dòng)著空泡一起向下運(yùn)動(dòng)；孔尾空泡移動(dòng)速度的第二次峰值出現(xiàn)在孔尾空泡潰滅階段，由于該階段孔尾空泡已經(jīng)縮小到最小泡徑，并發(fā)生潰滅，而空泡在潰滅階段將再次輻射沖擊波，該速度與空泡原有移動(dòng)速度疊加，因此在該時(shí)刻觀測到空泡移動(dòng)速度較大。

圖16 孔尾空泡移動(dòng)速度曲線

圖17 孔尾空泡水錘壓力曲線

為了進(jìn)一步研究孔尾空泡產(chǎn)生的壓力作用，根據(jù)水錘壓力公式[28]，可以將孔尾空泡運(yùn)動(dòng)的速度轉(zhuǎn)化為壓力，水錘壓力公式如式（4）所示。

式中：c1和c2分別為水中和目標(biāo)物體（此處假設(shè)液體沖擊純鋁）中的聲速；ρ1和ρ2分別為水和目標(biāo)物體的密度；v為水錘速度；P為施加在目標(biāo)物體上的壓力。

式（4）中水錘壓力P與水錘速度v成正比，速度越大壓力也就越大。將圖16 孔尾空泡移動(dòng)速度轉(zhuǎn)化為水錘壓力，可得到圖17 不同時(shí)刻空泡的水錘壓力-時(shí)間曲線。從圖17 可見，激光焦點(diǎn)位置位于“孔口上方0 mm”和“孔內(nèi)1 mm”時(shí)可獲得較大的水錘壓力；當(dāng)時(shí)間為12.5μs時(shí)，“孔口上方0 mm”和“孔內(nèi)1 mm”獲得的水錘壓力分別為15.15 MPa 和18.18 MPa，在112.5 μs 時(shí)，水錘壓力分別為17.14 MPa和18.18 MPa。

通過上面實(shí)驗(yàn)和分析可見，激光聚焦于水中微孔附近不同焦點(diǎn)位置時(shí)，能夠產(chǎn)生不同形態(tài)的空泡?？张菰谂蛎浐褪湛s的振蕩過程中，將推動(dòng)微孔內(nèi)液體高速流出，并在微孔出口處產(chǎn)生環(huán)形空泡。當(dāng)激光焦點(diǎn)距離微孔較近時(shí)（微孔上方0 mm 和孔內(nèi)1 mm），能在微孔出口處產(chǎn)生較大的環(huán)形空泡。該環(huán)形空泡同樣伴隨著膨脹和收縮，通過高速攝影儀觀測可以得到該空泡移動(dòng)速度為13.33 m∕s（激光能量為6.27 mJ，焦點(diǎn)位于孔內(nèi)1 mm）和11.11 m∕s（激光能量為6.27 mJ，焦點(diǎn)位于孔口0 mm），相應(yīng)的水錘壓力分別為18.18 MPa 和15.15 MPa。因此可以通過控制激光焦點(diǎn)到工件的距離大小得到不同大小的沖擊壓力。如果將該沖擊壓力引入沖擊強(qiáng)化制造領(lǐng)域，通過不同激光參數(shù)的組合，將能夠?qū)崿F(xiàn)材料的沖擊強(qiáng)化。

同時(shí)通過調(diào)整激光能量大小可以得到不同大小的空泡，微孔出口端形成的環(huán)形空泡也將發(fā)生尺寸等變化，因此也能夠通過調(diào)整不同能量激光聚焦于水中微孔附近，在微孔出口端形成不同壓力的沖擊作用。

5 結(jié)束語

本文實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)不同激光焦點(diǎn)位置和激光能量聚焦于水下微孔附近時(shí)，將在激光焦點(diǎn)處產(chǎn)生空泡，伴隨著空泡膨脹和收縮，推動(dòng)孔內(nèi)液體高速流出，并在微孔出口端產(chǎn)生環(huán)形空泡。通過實(shí)驗(yàn)的開展，發(fā)現(xiàn)激光焦點(diǎn)距離微孔較近，或者激光能量較大時(shí)，微孔下方出現(xiàn)兩次環(huán)形空泡，第一次為空泡生成初級的沖擊波導(dǎo)致，第二次由空泡潰滅沖擊波導(dǎo)致，實(shí)驗(yàn)中第一次沖擊波的速度和沖擊力明顯大于第二次沖擊波，因此，激光誘導(dǎo)空泡沖擊強(qiáng)化過程中起主要作用的應(yīng)該為空泡初生的沖擊波。實(shí)驗(yàn)中通過觀測環(huán)形空泡的移動(dòng)速度和計(jì)算水錘壓力，可以發(fā)現(xiàn)激光焦點(diǎn)距離微孔越近，產(chǎn)生的水錘壓力越大；激光能量越大，產(chǎn)生的水錘壓力越大。因此可以利用該壓力對材料進(jìn)行沖擊強(qiáng)化加工，通過改變激光焦點(diǎn)與微孔的距離、激光能量等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)沖擊壓力可控的沖擊強(qiáng)化加工，這將有利于空泡沖擊強(qiáng)化等研究的開展，揭示激光沖擊強(qiáng)化作用機(jī)理。