許本志，齊麗君*，王 偉，朱 曉，王海林，朱廣志，朱長虹

(1.華中科技大學 光學與電子信息學院，武漢430074； 2.華中科技大學 激光加工國家工程研究中心，武漢430074)

復(fù)合激光打孔最佳匹配參量的研究

許本志1,2，齊麗君1,2*，王 偉1.2，朱 曉1,2，王海林1.2，朱廣志1,2，朱長虹1,2

(1.華中科技大學 光學與電子信息學院，武漢430074； 2.華中科技大學 激光加工國家工程研究中心，武漢430074)

為了有效提高激光打孔的速率和激光能量的利用率，采用長脈沖激光和短脈沖激光空間疊加打孔的方法，對復(fù)合激光打孔的最佳匹配參量進行了理論和實驗研究。建立復(fù)合激光打孔最佳匹配模型，以熔融物的產(chǎn)生和去除達到平衡為準則，理論計算得出長脈沖激光和短脈沖激光的最佳匹配參量和最佳匹配情況下的復(fù)合激光打孔速率。同時進行了毫秒脈沖和納秒脈沖的 Nd∶YAG激光器復(fù)合作用于5mm的不銹鋼板的打孔實驗。結(jié)果表明，在實驗中得到的最佳匹配參量下，復(fù)合激光打孔速率相比于毫秒脈沖激光單獨打孔最大提高了3.3倍。實驗和理論模型均證明了復(fù)合激光打孔在最佳匹配狀態(tài)下，打孔速率達到最大，激光能量得到充分利用。

激光技術(shù)；激光打孔；復(fù)合激光；最佳匹配；打孔效率

引 言

激光打孔是以激光為熱源的熱加工過程，加熱表面材料并向材料內(nèi)部進行熱傳導(dǎo)，使得材料熔化，形成熔融層。隨著溫度增加達到材料沸點，材料開始汽化，材料蒸發(fā)會產(chǎn)生飽和蒸汽壓克服表面張力去除液態(tài)金屬[1-4]。激光打孔過程中材料去除包含蒸發(fā)和液體排出，液體排出消耗能量遠遠小于蒸發(fā)。因此，在打孔過程中需要重點考慮反沖力作用下的液體排出速度[5-6]。實際應(yīng)用中，激光打孔的潛在效率得不到充分利用，主要由于熔融物阻礙了激光向材料內(nèi)部滲透，排出熔融物需要消耗大量激光能量，導(dǎo)致激光打孔效率降低[7-8]。

為了解決上述問題，人們提出復(fù)合激光打孔的方法。FOX[9]于1975年提出一種改善連續(xù)激光對金屬的穿透力的方法，連續(xù)激光疊加一束脈沖激光作用于不銹鋼板，可以有效地利用連續(xù)激光的能量，同時脈沖起到去除熔融物的作用，結(jié)果不僅縮短了打孔時間并且減少了重鑄層。1979年,ROBIN[10]和TOWLE，McKAY[11]等人建立連續(xù)激光和脈沖激光結(jié)合打孔的理論模型，描述材料去除過程以及對脈沖激光的最低要求。2001年,LEHANE和KWOK[12]使用兩束Nd∶YAG激光作用于303不銹鋼來提高打孔效率，最終得出長脈寬的高能量脈沖和短脈寬的低能量脈沖結(jié)合效果最佳。WANG和 MICHALOWSKI[13]等人于2009年提出一種對不銹鋼板打孔的方法，將單束激光分束為兩束納秒脈沖激光，進行單束激光打孔和疊加激光打孔的對比實驗，結(jié)果表明,疊加打孔可有效改善打孔效率，短脈沖激光具有打孔的潛能。

目前實驗以及理論研究都表明復(fù)合激光打孔可以提高打孔效率[14]。但采用何種參量的激光進行疊加，存在最佳匹配問題。本文中在理論和實驗上研究了復(fù)合激光打孔的最佳匹配參量。理論上，長脈沖激光能量用于熔化金屬材料并形成熔池；短脈沖激光峰值功率用于去除熔融物。當熔融物的產(chǎn)生和去除達到平衡時，根據(jù)理論模型得到復(fù)合激光打孔的最佳匹配參量，以及復(fù)合打孔的最佳打孔速率。實驗中，利用毫秒脈沖和納秒脈沖 Nd∶YAG激光器疊加作用于不銹鋼材料進行激光打孔實驗，分析實驗結(jié)果得到最佳匹配參量。理論模型和實驗結(jié)果均表明，當長脈沖激光和短脈沖激光在最佳匹配的情況下打孔，復(fù)合激光打孔速率達到最大，激光能量得到充分利用。

1 復(fù)合激光打孔的最佳匹配模型

復(fù)合激光打孔的示意圖如圖1所示。長脈沖激光標記為laser 1，短脈沖激光標記為laser 2。復(fù)合激光打孔中，長脈沖激光能量主要用于形成熔融層，并向材料內(nèi)部延伸，熔化速率設(shè)為vm，短脈沖激光的主要作用是形成飽和蒸氣壓，產(chǎn)生反作用力使得金屬材料以液體形式排出，液體排出的速率為ul。復(fù)合激光打孔中，蒸發(fā)去除金屬材料所占比例極小，在模型中不考慮金屬蒸汽的影響。理論上，當vm和ul相等時，熔融物的產(chǎn)生和去除達到平衡，長脈沖激光和短脈沖激光的參量達到最佳匹配。

Fig.1 Schematic diagram of drilling by the combined laser

von ALLMEN在1976年對金屬材料的激光打孔速率進行研究，在忽略表面張力、熱傳導(dǎo)損失和蒸發(fā)吸收的情況下，提出包含液體排出速率和蒸發(fā)速率的激光打孔模型[15]?？紤]表面張力的影響改善激光打孔模型，可得到激光打孔速率公式[15-16]如下所示：

式中，jv和jl分別是蒸發(fā)比率和液體去除比率；T0為表面溫度;u為打孔速率,由蒸發(fā)速率uv和液體排出速率ul組成；α是材料表面反射系數(shù)；ρ為金屬材料密度；k為玻爾茲曼常數(shù)；m為粒子質(zhì)量；ps為飽和壓力；r為光斑半徑；a為熱擴散率[15];Tr為液體去除閾值溫度，即達到閾值溫度才可以克服表面張力使得液體排出。對于不銹鋼材料，表面張力大小約為200×105N，閾值溫度在3380K左右[17]。

長脈沖激光的熔化速率vm的計算公式[11]如下所示：

式中，α1為金屬材料吸收系數(shù)，I為功率密度，c為比熱容，ΔTm為熔點溫度和環(huán)境溫度差值，Lm為熔化潛熱。

2 復(fù)合激光打孔最佳匹配參量的理論值

2.1 長脈沖激光的熔化速率和打孔速率

選擇不銹鋼作為激光打孔材料，不銹鋼材料的物理性質(zhì)如表1所示。M表示摩爾質(zhì)量，Tm和Tv分別為熔化溫度和汽化溫度，Lv為汽化潛熱。將不銹鋼物理性質(zhì)代入 (1) 式～(3)式，可以得到長脈沖激光單獨打孔的速率與激光功率密度之間的關(guān)系，由于長脈沖激光的功率密度受激光脈沖能量和脈寬的影響,因此，可以得到不同脈寬的長脈沖激光的脈沖能量和打孔速率u之間的關(guān)系，如圖2所示。根據(jù)(4)式可得到不同脈寬的長脈沖激光脈沖能量與熔化速率vm之間的關(guān)系，如圖3所示。

Table 1 Physical properties of stainless steel [11-13,15-17]

Fig.2 Relationship between drilling velocity and pulse energy of long-pulse laser

Fig.3 Relationship between the melting velocity and pulse energy of long-pulse laser

根據(jù)圖2可得，長脈沖激光單獨打孔速度隨脈沖能量增長的過程有個轉(zhuǎn)折點，在轉(zhuǎn)折點處打孔速率迅速提高。這個轉(zhuǎn)折點表明不銹鋼材料溫度達到液體去除的閾值溫度(3380K)。在轉(zhuǎn)折點之前，材料去除的方式只有蒸發(fā)；在轉(zhuǎn)折點之后，材料去除方式是蒸發(fā)和液體濺射。根據(jù)脈寬3ms和5ms時的情況對比可知，在相同脈沖能量情況下，脈寬較小的激光打孔速率更大，因為脈寬較小的長脈沖激光峰值功率較大，導(dǎo)致液體去除速率會更快，因此打孔速率更大。

在復(fù)合激光打孔中，長脈沖激光的主要作用是熔化不銹鋼材料，形成熔融物。在長短脈沖參量達到最佳匹配的情況下，復(fù)合激光打孔最大速率由長激光熔化不銹鋼材料的速率決定，根據(jù)圖2和圖3的對比可知，復(fù)合激光打孔的最佳打孔速率是長脈沖激光單獨打孔速率的1.24倍～3.68倍。

2.2 短脈沖激光打孔的液體排出速率

1992年，BASU和DEBROY提出激光對金屬材料作用過程中的液體排出模型，用于計算液體排出方式占金屬材料去除的比例，根據(jù)這個模型可得到短脈沖激光作用下不銹鋼材料表面溫度的變化情況，如以下公式[17]所示：

式中,n表示脈沖數(shù)；T(n-1)/f表示第(n-1)個脈沖作用后的表面溫度；t為激光照射時間；tp為脈寬；f為頻率；κ為材料的熱導(dǎo)率[17]。初始溫度選為不銹鋼材料的熔點溫度(1811K)。

根據(jù)(5)式～(6)式可知，表面溫度受短脈沖激光的參量影響。選擇峰值功率密度為1×107W/cm2、脈寬為20ns、頻率為10kHz的短脈沖激光。作用于初始溫度為1811K的不銹鋼熔融物，表面溫度隨激光照射時間變化曲線如圖4a所示。將表面溫度代入(2)式可得液體排出速率隨時間變化的曲線，如圖4b所示。

Fig.4 Relationship between surface temperature, liquid discharge velocity and irradiation time of short-pulse laser

a—surface temperature b— liquid discharge velocity

根據(jù)圖4a可知，短脈沖激光作用下，熔融物表面溫度隨著照射時間逐漸增加。每個脈沖作用下，表面溫度先是迅速上升至最高溫度，再降低至最低溫度。相對于前一個脈沖表面溫度都有所增加。當熔融物的最高溫度超過3380K，才開始會有液體排出。

根據(jù)圖4b可知，在短脈沖激光作用的前期還沒有液體排出速率，主要是因為熔融物的表面溫度未達到液體排出的閾值溫度。達到閾值溫度后，每個脈沖的作用下，液體排出速度會迅速上升至最大值，但持續(xù)時間很短。相對于前一個脈沖液體排出速度有所增加。

對每個脈沖的液體排出速度進行時間積分即可得到排出不同厚度的不銹鋼熔融物所需時間。脈寬為20ns、頻率為10kHz的短脈沖激光作用于不銹鋼熔融物，對其液體排出速度積分，進行計算得到不同峰值功率密度下排出1mm，3mm，5mm不銹鋼熔融物所需時間，如圖5所示。

根據(jù)圖5可得，液體排出時間隨著短脈沖激光的峰值功率增加是逐漸減小的；對不同厚度的熔融物，相同峰值功率密度的短脈沖作用下，液體排出時間與厚度并不成正比。例如，對于峰值功率1×107W/cm2，排出1mm,3mm,5mm熔融物所需時間分別為39ms，44.5ms，48.5ms。這主要是因為相同參量的短脈沖激光作用于不同厚度的熔融物，達到閾值溫度的時間相同，達到閾值溫度之后液體排出速率會隨著激光照射時間逐漸增加。因此熔融物厚度越大，短脈沖激光發(fā)揮的作用越大。

Fig.5 Relationship between liquid discharge time and peak power density of short-pulse laser

2.3 長脈沖激光和短脈沖激光復(fù)合打孔的最佳匹配參量

通過第2.1節(jié)和第2.2節(jié)中的理論分析可以得到：長脈沖激光和短脈沖激光作用于相同厚度不銹鋼材料所需的熔化時間和液體排出時間。理論上，當熔化時間和液體排出時間相等時，長脈沖激光和短脈沖激光達到最佳匹配情況。材料熔化速率受到長脈沖激光的脈沖能量和脈寬影響，熔融物排出速率由短脈沖的峰值功率密度決定。因此，復(fù)合激光打孔中，最佳匹配參量指的是長脈沖激光的脈沖能量和短脈沖激光的峰值功率密度。最佳匹配情況下，兩者的關(guān)系曲線如圖6所示。

Fig.6 Optimal matching parameters for long-pulse laser and short-pulse laser with different pulse widths

根據(jù)圖6可知，對于1mm厚的不銹鋼板，對于相同脈寬的長脈沖激光，隨著脈沖能量增加，所需匹配的峰值功率密度增加；相同脈沖能量下，3ms脈寬的長脈沖激光熔化速率大于5ms脈寬的長脈沖激光，因此所需匹配的短脈沖激光的峰值功率密度較大。在最佳匹配情況下，復(fù)合激光的打孔速率即為長脈沖激光的熔化速率。根據(jù)最佳匹配參量的增長趨勢可知，峰值功率密度隨著脈沖能量增加的速度越來越大，然而當峰值功率密度超過1×107W/cm2，會產(chǎn)生等離子屏蔽效應(yīng)[12]，影響激光的吸收。因此，當匹配的峰值功率密度較大時，復(fù)合打孔的效率會受到等離子體的影響。

3 復(fù)合激光打孔最佳匹配的實驗研究

3.1 實驗裝置

實驗裝置圖如圖7所示。包括兩臺Nd∶YAG固體激光器(激光器參量如表2所示)，布儒斯特鏡(BS)，擴束準直系統(tǒng)(T)，兩片反射鏡(M1,M2)，聚焦透鏡(F)和5mm厚不銹鋼板(P)。兩束激光通過布儒斯特鏡后合束，復(fù)合激光束經(jīng)過擴束準直系統(tǒng)，通過焦距為150mm的聚焦透鏡，聚焦于厚度為5mm的不銹鋼板表面。

Fig.7 Experimental setup of drilling by the combined laser

pulsewidthfrequencypulseenergyradiusmslaser3ms～5ms30Hz2J～5J0．5mmnslaser20ns10kHz0．9mJ～1．92mJ0．5mm

3.2 實驗結(jié)果及分析

實驗中采用不同脈寬和脈沖能量的長脈沖激光與不同峰值功率密度的短脈沖激光復(fù)合作用于不銹鋼板，記錄不銹鋼板打穿時間，得到復(fù)合激光打孔時間與短脈沖峰值功率密度、長脈沖激光能量和脈寬的關(guān)系曲線，實驗結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)圖8的實驗結(jié)果可知，復(fù)合激光打孔中匹配的納秒脈沖激光存在最佳峰值功率密度。在達到最佳峰值功率密度之前，隨著納秒脈沖激光峰值功率密度增加，復(fù)合激光打孔時間逐漸減?。淮蚩讜r間最低點即為最佳匹配點，之后打孔時間基本不變，是因為匹配的納秒脈沖激光峰值功率密度過大，毫秒脈沖激光熔化速度不夠，沒有熔融物排出。

在4種不同參量的毫秒脈沖激光器單獨打孔中，圖8a單獨打孔時間最短為153s。最佳復(fù)合打孔時間為57s，打孔速率提高倍數(shù)為2.68倍，所需匹配的最佳峰值功率密度為7.89×106W/cm2。根據(jù)圖8b、圖8c、圖8d對比可知，對于相同脈寬的毫秒脈沖激光，隨著脈沖能量增加，單獨打孔時間降低，所需匹配的最佳峰值功率密度會增加，達到的最佳復(fù)合打孔時間降低。圖8d中單獨打孔時間為155.7s，所需匹配的最佳峰值功率密度為8.22×106W/cm2，最佳復(fù)合打孔時間是47s，打孔速率提高倍數(shù)為3.3倍。

Fig.8 Relationship between drilling time and peak power density with di-fferent parameters of the combined laser

3.3 討論

實驗結(jié)果表明:長脈沖激光和短脈沖激光復(fù)合打孔可以有效提高打孔速率，并且兩束激光存在最佳匹配參量，達到最佳匹配參量時，復(fù)合打孔速率達到最大。實驗結(jié)果證明了理論模型的正確性和整體趨勢，但具體匹配的數(shù)值兩者存在差異。究其原因，主要是因為：(1)實驗過程中一些因素，如合束過程中光束同軸性和鏡片污染等帶來的激光能量損失、鋼板穿孔的判斷標準、穿孔過程中重鑄層的影響等，使得實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差；(2)理論模型進行了簡化，材料對激光的吸收率是隨溫度以及材料形態(tài)變化，為了方便計算，理論上選取固定值；忽略復(fù)合激光打孔中的蒸發(fā)速度；兩束激光對熔化材料和去除材料均有貢獻，但理論上只考慮各自發(fā)揮的主要作用。

4 結(jié) 論

本文中對長脈沖激光和短脈沖激光復(fù)合打孔參量的最佳匹配進行了理論分析和實驗研究。理論模型中，長脈沖激光能量主要用于熔化不銹鋼形成熔融層，短脈沖激光作用于熔融物產(chǎn)生飽和蒸汽壓克服表面張力排出熔融物。以熔融物的產(chǎn)生和去除達到平衡為匹配準則，即長脈沖激光的熔化速率等于短脈沖激光的液體排出速率，理論計算得到長脈沖激光和短脈沖激光復(fù)合打孔中的最佳匹配參量。采用毫秒脈沖激光和納秒脈沖激光復(fù)合激光束作用于5mm不銹鋼板進行打孔實驗，結(jié)果表明,復(fù)合激光打孔能提高激光打孔效率，納秒脈沖激光對某一參量的長脈沖激光存在最佳峰值功率密度。在最佳匹配的情況下，復(fù)合激光打孔速率相比于毫秒脈沖激光單獨打孔最大提高了3.3倍。

理論模型和實驗結(jié)果均證明了復(fù)合激光打孔中存在最佳匹配參量，當達到最佳匹配時，復(fù)合激光打孔速率達到最大，激光能量得到充分利用。研究結(jié)果為復(fù)合激光打孔中的激光參量選擇提供理論參考，更大程度地提高了激光打孔的效率。

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Studyontheoptimummatchingparametersofthecombinedlaserdrilling

XUBenzhi1,2,QILijun1,2,WANGWei1,2,ZHUXiao1,2,WANGHailin1,2,ZHUGuangzhi1,2,ZHUChanghong1,2

(1.School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2.National Engineering Research Center for Laser Processing, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to improve laser drilling velocity and the utilization of laser energy, the optimal matching parameters of the combined laser drilling were studied by means of space superposition drilling by long-pulse laser and short-pulse laser. The optimal matching model of the combined laser drilling was established. Based on the balance of generation and expulsion of the melted metal, the optimal parameters of long-pulse laser and short-pulse laser, and the combined laser drilling velocity at the optimum matching point were obtained theoretically. The combined laser drilling of stainless steel with the thickness of 5mm was performed with ms and ns pulse Nd∶YAG lasers. The experimental results show that in the case of the optimum matching, the combined laser drilling velocity is 3.3 times higher than that of the ms pulse laser alone. Both theory and experiments indicate that the maximum drilling velocity can be obtained at the optimum matching point, and laser energy is fully utilized.

laser technique; laser drilling; the combined laser; optimum matching; drilling efficiency

1001-3806(2018)01-0005-06

許本志(1992-)，女，碩士研究生，主要從事不銹鋼材料激光打孔的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail:qlj@hust.edu.cn

2017-03-27；

2017-05-06

TG665

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.002