毛衛(wèi)平，丁 偉，張朝陽(yáng)，曾永彬，秦昌亮

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院激光技術(shù)研究所，鎮(zhèn)江212013；2.南京航空航天大學(xué)江蘇省精密與微細(xì)造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

激光電化學(xué)復(fù)合加工的沖擊空化檢測(cè)及試驗(yàn)

毛衛(wèi)平1，丁 偉1，張朝陽(yáng)1，曾永彬2，秦昌亮1

（1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院激光技術(shù)研究所，鎮(zhèn)江212013；2.南京航空航天大學(xué)江蘇省精密與微細(xì)造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016）

為了測(cè)量脈沖激光擊穿電解液下產(chǎn)生的聲壓信號(hào)，探討沖擊空化效應(yīng)對(duì)激光電化學(xué)復(fù)合加工的作用和影響，建立了激光電化學(xué)復(fù)合加工檢測(cè)系統(tǒng)。采用水聽(tīng)器采集脈沖激光聚焦電解液下產(chǎn)生的聲壓信號(hào)，使用示波器對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、XVIEWER軟件對(duì)聲壓波形分析和計(jì)算，最后對(duì)激光電化學(xué)復(fù)合加工的區(qū)域進(jìn)行拍照，并分析沖擊空化效應(yīng)對(duì)激光電化學(xué)復(fù)合加工后的形貌特性和表面質(zhì)量的作用和影響。結(jié)果表明，脈沖激光聚焦電解液下，產(chǎn)生沖擊空化效應(yīng)，向外輻射3個(gè)不同聲壓信號(hào)；隨著激光能量的增加，激光沖擊空化的3個(gè)聲壓變大，空泡的半徑和泡能均增加；在激光電化學(xué)復(fù)合加工中，激光能量增加，產(chǎn)生的等離子沖擊波和射流力越大，工件去除的量越多；空泡脈動(dòng)促進(jìn)電解液的流動(dòng)，對(duì)加工區(qū)域的微觀形貌和表面質(zhì)量起重要作用。這一結(jié)果對(duì)復(fù)合加工的過(guò)程和形貌是有幫助的。

激光技術(shù)；復(fù)合加工；沖擊空化；聲壓信號(hào)；表面形貌

引 言

激光電化學(xué)復(fù)合加工是將激光加工與電化學(xué)加工結(jié)合，整合兩者優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的刻蝕加工［1-4］。激光穿過(guò)電解液聚焦在加工材料表面時(shí)，當(dāng)激光能量密度超過(guò)電解液的擊穿閥值時(shí)，電解液被擊穿，在擊穿的區(qū)域產(chǎn)生發(fā)出白光的等離子體。當(dāng)?shù)入x子體膨脹時(shí)，對(duì)外輻射高速的等離子沖擊波，少量的空泡在此過(guò)程中產(chǎn)生，即激光空化氣泡現(xiàn)象［5］。空泡空化所產(chǎn)生的沖擊空蝕作用，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波及高速射流，作用于附近固體壁表面，造成材料去除。在激光與電化學(xué)復(fù)合的刻蝕加工過(guò)程中，沖擊空蝕是影響材料去除的主要因素。因此，通過(guò)檢測(cè)激光對(duì)水下靶材的沖擊空化效應(yīng)來(lái)研究空泡空化的現(xiàn)象和機(jī)制非常重要。另外，流體中氣泡的沖擊空蝕作用也是船舶制造、水下機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)、水利設(shè)施建設(shè)和流體力學(xué)研究等領(lǐng)域的重要課題［6-7］。

在激光對(duì)水下靶材的沖擊效應(yīng)研究方面，VOGEL等［8］學(xué)者研究了調(diào)Q的1.064μm Nd∶YAG激光經(jīng)透鏡聚焦后作用于牛角膜時(shí)，等離子體沖擊和空泡空化及潰滅射流沖擊力造成了附近正常組織的損傷。AKHATOV等人［9-10］先后開(kāi)展了空泡脈動(dòng)和壁面附近空泡潰滅的高速攝影測(cè)量研究。在國(guó)內(nèi)，南京理工大學(xué)的XU等人［11］利用光偏轉(zhuǎn)法對(duì)激光水下加工金屬產(chǎn)生的沖擊波和空泡效應(yīng)展開(kāi)了一系列研究。海軍工程大學(xué)的ZONG等人［12］利用高速攝影法和壓電換能器探測(cè)法對(duì)壁面附近激光空泡的空蝕和圖像進(jìn)行了深入的研究。

作者針對(duì)激光電化學(xué)復(fù)合加工的特點(diǎn)，利用固體激光器發(fā)出高能脈沖激光，聚焦于電解液中工件表面，采用高靈敏度的針式水聽(tīng)器對(duì)激光擊穿電解液后等離子沖擊波和空泡脈動(dòng)產(chǎn)生的聲壓信號(hào)進(jìn)行采集，然后利用示波器存儲(chǔ)聲壓信號(hào)并使用XVIEWER軟件進(jìn)行后續(xù)分析與計(jì)算，得到等離子沖擊波和空泡聲脈沖信號(hào)的強(qiáng)度、周期大小、波形特征規(guī)律和空泡半徑、能量的大小，分析了脈沖激光聚焦電解液產(chǎn)生的沖擊空蝕對(duì)激光電化學(xué)復(fù)合加工的影響及其作用。

1 激光對(duì)電解液下工件的沖擊作用機(jī)理

1.1 激光空泡形成過(guò)程

高能脈沖激光擊穿電解液形成空泡的過(guò)程可以分為3個(gè)階段。

第一階段：當(dāng)激光透過(guò)電解液聚焦輻射在工件表面時(shí)，首先在能量聚焦處電解液將被擊穿，形成雪崩電離，在光斑聚焦處出現(xiàn)一個(gè)閃白光的等離子體，同時(shí)等離子體對(duì)外高速膨脹，持續(xù)壓縮附近電解液，產(chǎn)生沖擊波和空泡現(xiàn)象。

第二階段：初始的空泡泡內(nèi)壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于泡外的壓強(qiáng)，在壓強(qiáng)差驅(qū)使下向外擴(kuò)張變大，同時(shí)促進(jìn)周圍電解液向徑向流動(dòng)。當(dāng)空泡達(dá)到最大半徑后，受外界壓力和表面張力約束下，迅速被壓縮并閉合，在閉合瞬間，向外輻射沖擊波。空泡由于慣性，空泡開(kāi)始被壓縮，直到空泡內(nèi)壓強(qiáng)高到能限制空泡壓縮，達(dá)到暫時(shí)的平衡穩(wěn)定狀態(tài)。到此，空泡脈動(dòng)的第1次循環(huán)過(guò)程結(jié)束。

第三階段：經(jīng)過(guò)第1次的脈動(dòng)，此時(shí)泡內(nèi)壓強(qiáng)減小，但由于慣性被壓縮，所以泡內(nèi)壓強(qiáng)大于周圍介質(zhì)的靜壓，空泡開(kāi)始反彈，經(jīng)過(guò)第2次膨脹和壓縮。劇烈的空化氣泡閉合后，仍有幾次反彈現(xiàn)象，氣泡的每次再閉合，都會(huì)產(chǎn)生一次比一次小的的聲壓脈沖，直至空泡潰滅。

圖1是采用高速攝影技術(shù)拍攝的水下激光空泡形成階段圖，從圖中可以清晰地看到等離子體的形成與發(fā)光，空泡脈動(dòng)和潰滅的整個(gè)過(guò)程［13］。

Fig.1 Laser-induced bubble by high speed photograph

1.2 激光水下的力效應(yīng)

脈沖激光穿透電解液，聚焦在工件表面上，激光能量密度大于電解液的擊穿閥值，試驗(yàn)中可以看到閃光的等離子體，聽(tīng)到清脆的啪啪聲；對(duì)外輻射等離子體沖擊波與激光空泡潰滅射流沖擊力。等離子體沖擊波壓強(qiáng)公式為：

式中，p1為等離子體沖擊工件壓強(qiáng)；Z為環(huán)境介質(zhì)和加工工件的折合聲阻抗，且2／Z＝1／Z1＋1／Z2，Z1是約束介質(zhì)的折合阻撓，Z2是工件材料的折合阻抗；I為激光功率密度；α為工件對(duì)激光的吸收比，β是激光等離子體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能的比例系數(shù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，電解液和工件材料一定時(shí)，等離子沖擊波壓強(qiáng)只與激光功率密度有關(guān)。所以在激光聚焦光斑大小和激光頻率一定時(shí)，等離子沖擊波壓強(qiáng)與激光的能量成正比關(guān)系。

空泡潰滅時(shí)的射流沖擊力為：

式中，p2為沖擊射流壓強(qiáng)；ρ1，ρ2分別為電解液和加工工件的密度；v1，v2分別為電解液和加工工件中的聲速；v為沖擊射流速率。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電解質(zhì)和工件的密度、電解質(zhì)和被作用工件中的聲速均一定時(shí)，空泡泡能直接決定了射流沖擊速率［14］，所以空泡能量決定了射流沖擊力，直觀表現(xiàn)為試驗(yàn)過(guò)程中工件材料去除量。

1.3 激光空泡脈動(dòng)參量

考慮到激光空泡作用在工件表面時(shí)，空泡的形狀為橢圓體［15］。但在計(jì)算分析中，可以近似認(rèn)為空泡為球形，忽略空泡的質(zhì)量擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)效應(yīng)。RAYLEIGH推導(dǎo)出空泡的最大半徑Rmax和泡能Eb為：

式中，ρ為水密度（1000kg／m3），T為空泡的脈動(dòng)周期（單位s），Rmax是空泡的最大半徑（單位m），p0是空泡內(nèi)的氣體壓強(qiáng)（取2330Pa），水的靜壓強(qiáng)pw可用當(dāng)?shù)卮髿鈮海ㄈ?05Pa）。

1.4 水聽(tīng)器的測(cè)量原理

NCS-1探針式水聽(tīng)器是利用壓電效應(yīng)原理測(cè)量水下超聲場(chǎng)的聲電傳感器，其敏感元件是聚偏氟乙烯壓電薄膜，受到聲壓作用后，電極的兩端有電壓（電荷）輸出。試驗(yàn)過(guò)程中將水聽(tīng)器的敏感端面置于激光聚焦點(diǎn)附近的溶液中，水被擊穿后的沖擊空化會(huì)對(duì)外輻射聲壓信號(hào)，水聽(tīng)器的壓電薄膜將檢測(cè)到的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過(guò)刺刀螺母連接器插頭連接到數(shù)字示波器進(jìn)行觀察、記錄和分析。

激光空泡輻射的聲壓以球形波向外擴(kuò)散，依據(jù)水聽(tīng)器的位置和采集的信號(hào)值，計(jì)算水下聲信號(hào)的聲能E為：

式中，vw為水中聲速（約為1500m／s），p為水聽(tīng)器測(cè)量的聲壓（單位Pa），l為水聽(tīng)器與空泡泡心之間的距離（單位m），t是時(shí)間。

2 試驗(yàn)測(cè)量裝置

Fig.2 Sketch map of laser electrochemical machining and detection

激光電化學(xué)復(fù)合加工檢測(cè)裝置如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。檢測(cè)激光水下沖擊波聲信號(hào)，可以得到聲壓的具體值和時(shí)間，計(jì)算空泡的半徑和能量，對(duì)研究激光沖擊空化效應(yīng)對(duì)復(fù)合加工的影響有重要意義。

該復(fù)合加工檢測(cè)系統(tǒng)采用脈沖固體SGR-10激光器為試驗(yàn)提供加工能量，脈沖寬度為10ns，激光波長(zhǎng)為1064nm，重復(fù)頻率為1Hz～10Hz，能量在50m J～1000m J可供選用，光斑直徑為100μm。采用7075航空鋁合金作為加工工件，先用砂紙打磨后用丙酮清洗（工件表面貼膠帶，只在刻蝕區(qū)域預(yù)留2mm×2mm，降低工件表面對(duì)聲信號(hào)的反射），固定到X-Y工作臺(tái)上的電解槽中。計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制激光器和X-Y工作臺(tái)。

采用?5mm的銅線環(huán)作為工具陰極，距工件1mm，放于電解液中，為電化學(xué)反應(yīng)提供電場(chǎng)。電解液為0.5mol／L的NaNO3溶液，選擇電解液厚度時(shí)，溶液太厚，激光穿透時(shí)能量損失較大；溶液太薄，水聽(tīng)器和工件距離太近，激光易對(duì)水聽(tīng)器造成損害，且加工過(guò)程易濺起水花。因此，工件表面以上的溶液厚度為8mm。電解液和工件放置于石英玻璃電解槽（尺寸150mm×100mm×100mm，四周及底部均安裝吸音橡膠，排除槽壁面對(duì)聲信號(hào)的反射）。脈沖信號(hào)發(fā)生器（型號(hào)DF1511A）提供復(fù)合加工過(guò)程中所需的脈沖電流。

采用中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所研制的NCS-1探針式水聽(tīng)器對(duì)激光穿過(guò)溶液產(chǎn)生的聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。水聽(tīng)器的聚偏氟乙烯壓電薄膜直徑為0.8mm、厚度為25μm，靈敏度為10nV／Pa，頻率范圍為0.5MHz～15MHz，響應(yīng)時(shí)間為幾十個(gè)納秒。水聽(tīng)器放置距離鋁靶5mm，在示波器上清晰顯現(xiàn)采集的信號(hào)強(qiáng)度與波形，滿足實(shí)驗(yàn)分析計(jì)算需要［16］，與入射激光夾角為45°。

泰克公司生產(chǎn)的TDS3012B數(shù)字存儲(chǔ)示波器（帶寬100MHz；2條通道，每條通道的取樣速率為1.25Gsample／s，最大記錄長(zhǎng)度10000點(diǎn)、采用自動(dòng)觸發(fā)）用于觀測(cè)和存儲(chǔ)激光作用電解液下工件時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)。測(cè)量在室溫下進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果采用XVIEWER軟件，將二進(jìn)制波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CSV，Excel或浮點(diǎn)十進(jìn)制格式，進(jìn)行后續(xù)分析和計(jì)算。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 激光沖擊空化的聲壓信號(hào)檢測(cè)

根據(jù)前述激光能量對(duì)等離子體沖擊波和射流沖擊力影響的分析，加工試驗(yàn)分別采用單脈沖能量為50mJ，80mJ，110mJ，140mJ，170mJ和200mJ時(shí)的激光束，聚焦作用于浸入電解液的鋁合金工件表面，以檢測(cè)激光水下空化效應(yīng)時(shí)所輻射的聲壓脈沖信號(hào)。圖4為激光單脈沖能量為50mJ，110mJ和170mJ時(shí)，由NCS-1探針式水聽(tīng)器檢測(cè)采集的聲壓信號(hào)波形。

由圖4可以看出，激光穿過(guò)電解液產(chǎn)生的等離子沖擊波和空泡輻射聲脈沖的時(shí)間序列中主要包括3個(gè)脈沖：第1個(gè)沖擊波信號(hào)V1是由于高能脈沖激光擊穿電解液，產(chǎn)生1個(gè)閃光的等離子體，對(duì)外膨脹時(shí)輻射產(chǎn)生的聲信號(hào)；第2個(gè)沖擊波信號(hào)V2是空泡在泡內(nèi)外壓差的作用下對(duì)外膨脹到最大位置時(shí)輻射的聲信號(hào)；第3個(gè)沖擊波信號(hào)V3是由于空泡第1次脈動(dòng)循環(huán)后，由于慣性被壓縮，泡內(nèi)壓強(qiáng)大于周圍介質(zhì)的靜壓，導(dǎo)致空泡反彈，形成第2次脈動(dòng)，膨脹到最大位置時(shí)輻射的聲信號(hào)。第1個(gè)聲信號(hào)與第2個(gè)聲信號(hào)之間的時(shí)間間隔是空泡第1次脈動(dòng)的生存周期T1；第2個(gè)聲信號(hào)與第3個(gè)聲信號(hào)之間的時(shí)間間隔是空泡第2次脈動(dòng)的生存周期T2。

Fig.4 Acoustic signals with the variation of pulse laser energy by oscilloscope

由于試驗(yàn)過(guò)程中使用的高能脈沖激光的能量呈高斯分布，激光脈沖可重復(fù)性不好。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采取20次測(cè)量，去除最大最小值后，以平均值作為檢測(cè)數(shù)據(jù)。表1為試驗(yàn)中水聽(tīng)器檢測(cè)到的等離子沖擊波聲壓信號(hào)和空泡脈動(dòng)產(chǎn)生的聲壓信號(hào)。

由表1可以看出：隨著脈沖激光能量的遞增，T1和T2也增加。這是因?yàn)椋杭す饽芰吭黾?，空泡的初始能量增加，空泡諧振周期增大。其中T1明顯大于T2，這是因?yàn)椋弘S著空泡的脈動(dòng)，泡能減小，泡內(nèi)含氣量越小，空泡收縮越劇烈，對(duì)應(yīng)最小泡半徑越小，其空泡諧振周期也相應(yīng)越短。

Table 1 Data collection by hydrophone

圖4中縱向的3個(gè)脈沖是探針式水聽(tīng)器采集的電信號(hào)，利用水聽(tīng)器的輸出電壓除以水聽(tīng)器的靈敏度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的聲壓信號(hào)。由圖4和表1都可以看出：隨著脈沖激光能量的增加，3個(gè)脈沖的電壓信號(hào)越來(lái)越大，即等離子體和空泡效應(yīng)3個(gè)脈沖的聲壓信號(hào)越來(lái)越大。這是因?yàn)榧す饽芰吭黾?，等離子體和空泡所具有的初始能量增大，向外輻射的聲波強(qiáng)度增強(qiáng)，與（1）式和（2）式的分析一致。

由表1和圖4還可以看出：空泡第1次聲信號(hào)明顯大于第2次聲信號(hào)。這是因?yàn)榭张莸?次潰滅對(duì)外輻射沖擊波和射流沖擊力，同時(shí)在周圍液體粘滯力作用下造成了泡能的大量損失，所以空泡在第2次收縮末期，所剩余的泡能顯著小于空泡第1次收縮時(shí)的泡能，向外輻射的聲信號(hào)強(qiáng)度明顯減小。

3.2 激光能量對(duì)沖擊空化聲壓的影響

圖5是不同激光能量下水聽(tīng)器采集電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲壓信號(hào)的趨勢(shì)圖。由圖5可以看出，隨著脈沖激光能量的增加，3個(gè)聲壓信號(hào)均增加，等離子沖擊波聲壓和第1次空泡膨脹聲壓很大。但隨著空泡的脈動(dòng)和以及周圍水的粘滯力的作用，泡能減小，第2次空泡膨脹產(chǎn)生的聲壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第1次。

Fig.5 Acoustic pressure value with laser energy

圖4 中兩相鄰峰值之間的時(shí)間的一半為空泡腔體的脈動(dòng)周期，圖6是利用（3）式、（4）式經(jīng)計(jì)算得出的激光能量與空泡半徑和空泡泡能（第1次和第2次泡能的疊加）的關(guān)系。由圖6可以看出，隨著激光能量的增加，空泡第1次和第2次膨脹最大半徑依次增加，空泡泡能增加。同時(shí)，相同激光能量下，空泡第1次膨脹后的最大半徑大于空泡第2次的膨脹后的最大半徑。

Fig.6 Relationship between laser energy，radius and energy of bubble

3.3 激光沖擊空化對(duì)復(fù)合加工的作用

利用所構(gòu)建的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了脈沖激光與電化學(xué)復(fù)合的定點(diǎn)加工試驗(yàn)。激光單次脈沖的能量分別為50mJ，110mJ，170mJ；激光頻率為5Hz。電化學(xué)加工的電源參量為脈沖寬度50ns，頻率2MHz，峰值電壓2.5V，加工過(guò)程中的平均電流為6mA。為了研究激光沖擊空化對(duì)加工形貌的影響，每個(gè)定點(diǎn)輻照80個(gè)激光脈沖，圖7為所得到的表面形貌SEM照片。

Fig.7 Surface morphology of monopoles laser electrochemical machine

由圖7中可看到，由于等離子沖擊波和空泡現(xiàn)象作用，工件被加工區(qū)域的材料形成了由中心向四周噴濺的形態(tài)。其原因是：等離子沖擊波傳播至工件表面后反射產(chǎn)生的沖擊力使去除材料向外擴(kuò)散；高能激光擊穿電解液產(chǎn)生的空泡，由于泡內(nèi)外壓強(qiáng)差，向外膨脹和收縮，促進(jìn)附近電解液向外流動(dòng)。當(dāng)?shù)入x子沖擊波沿徑向輻射時(shí)，會(huì)推動(dòng)附近電解液及被刻蝕工件的熔融材料往四周噴濺，加工后的表面形態(tài)如圖7所示，從而證明了激光沖擊空化的作用及效果。繼續(xù)增加激光作用的脈沖個(gè)數(shù)和電化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，就可以獲得較好的表面質(zhì)量。

激光沖擊空化與電化學(xué)反應(yīng)復(fù)合的加工機(jī)理［17］：鋁合金在NaNO3溶液的浸泡下，鋁表面會(huì)生成鈍化膜，由于鈍化膜的庇護(hù)，工件與電解液隔絕，不再發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)脈沖激光穿過(guò)電解液聚焦在工件表面時(shí)，激光聚焦的光斑區(qū)域的電解液被擊穿，對(duì)外輻射等離子體沖擊波，工件附近的激光空泡潰滅，產(chǎn)生的射流沖擊力，工件表面鈍化膜被破壞，刻蝕工件材料。同時(shí)暴露出的工件基體與金屬熔融物質(zhì)繼續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成沉淀物和離子物被電解液流沖走，在電化學(xué)作用下重新暴露出的工件基體重新生膜。該過(guò)程在脈沖激光的作用下反復(fù)進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)的刻蝕加工。

在激光電化學(xué)復(fù)合加工過(guò)程中，結(jié)合圖7試驗(yàn)加工形貌可知：激光聚焦電解液中的工件，依靠擊穿電解液產(chǎn)生的等離子沖擊波和空泡潰滅產(chǎn)生的射流沖擊力刻蝕工件材料，激光的能量越大，等離子沖擊波和射流力越大，去除量越多，與圖7的加工形貌相一致。同時(shí)，空泡空化作用對(duì)加工質(zhì)量起兩方面作用：（1）空泡在膨脹和收縮過(guò)程中，輻射聲壓，推動(dòng)周圍液體高速向外流動(dòng)，破壞工件表面的鈍化膜，帶動(dòng)被去除材料向四周噴濺；（2）空泡在膨脹和收縮過(guò)程中，輻射聲壓，增強(qiáng)了加工區(qū)域的電解液流動(dòng)性，促進(jìn)了新鮮離子的補(bǔ)充，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)減小了熱影響區(qū)的范圍，有利于改善微細(xì)結(jié)構(gòu)的刻蝕加工的表面質(zhì)量。激光能量越大，空泡對(duì)外輻射的聲壓越大，周圍液體的向外流動(dòng)的能力越大，減小濃差極化，進(jìn)一步提高電化學(xué)反應(yīng)速率，改善了微細(xì)加工區(qū)域的表面質(zhì)量。

4 結(jié) 論

在激光電化學(xué)復(fù)合加工過(guò)程中，利用水聽(tīng)器和示波器采集了電解液下聲壓信號(hào)，結(jié)合激光電化學(xué)加工原理及過(guò)程，分析研究了沖擊空化對(duì)加工過(guò)程的作用。

（1）激光電化學(xué)復(fù)合加工中，隨著激光能量的增加，等離子沖擊波和空泡脈動(dòng)時(shí)的聲壓信號(hào)明顯增強(qiáng)?？张菰诿}動(dòng)過(guò)程中，隨著激光能量的增加，空泡第1次和第2次膨脹時(shí)最大半徑依次增加，其中空泡第1次最大半徑顯著大于空泡第2次最大半徑。同時(shí)隨著激光能量的增加，空泡的泡能也增加。

（2）激光沖擊空化對(duì)復(fù)合加工的作用主要表現(xiàn)在：隨著激光能量的增加，等離子沖擊波和射流力越大，去除工件的量越多；空泡在膨脹和收縮過(guò)程中，輻射聲壓，推動(dòng)周圍液體高速向外流動(dòng)，破壞工件表面的鈍化膜，實(shí)現(xiàn)定域刻蝕加工；空泡在膨脹和收縮過(guò)程中，輻射聲壓，加工區(qū)域的電解液流動(dòng)性增強(qiáng)，有利于補(bǔ)充新鮮離子和提高電化學(xué)反應(yīng)速率，同時(shí)減小了熱影響區(qū)的范圍，改善了微細(xì)結(jié)構(gòu)的刻蝕加工的表面質(zhì)量。

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Detection and experiment of shock cavitations of laser electrochemical composite processing

MAO Weiping1，DING Wei1，ZHANG Zhaoyang1，ZENG Yongbin2，QIN Changliang1
（1.Institute of Laser Technology，School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-Manufacturing Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In order to measure the sound pressure signals generated by the breakdown of pulse laser through the electrolyte and discuss the impact and influence of shock cavitations on laser electrochemical composite processing，a laser electrochemical composite processing detection system was established.At first，the sound pressure signal was stored with an oscilloscope and the acoustic pressure and waveform was analyzed and calculated with the XVIEWER software.Then，pictures of the composite laser electrochemical machining area were taken and the effect of cavitations on laserelectrochemical machining area’s the characteristics morphology and surface quality was analyzed.The experimental results indicate that because pulsed laser is focused in the electrolyte，cavitations effect is generated and three different sound pressure signals are radiated.With the increase of laser energy，three acoustic pressures of laser-induced shock cavitations increase and the radius and energy of laser-induced bubble increase.In the applications of laser electrochemical machine，when the laser energy increases，the laser plasma shock wave and jet force will improve and the material removal will increase.Meanwhile bubble oscillation promotes the electrolyte flow，it plays a key role on the morphology of the processing area and surface quality.The result is very useful for complex machining process and morphology.

laser technique；composite processing；shock cavitations；acoustic pressure signal；surface morphology

TN249

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.007

1001-3806（2014）06-0753-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275218）；江蘇省自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（BK2011522）；江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目

毛衛(wèi)平（1964-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事液壓傳動(dòng)與控制、激光加工技術(shù)方面的研究。

E-mail：weipingmao＠ujs.edu.cn

2013-12-02；

2014-01-07