李 朋,賀 斌,田東坡,康 偉,焦 悅
(中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,西安 710119)
飛秒激光脈沖具有極短的脈沖寬度和極高的峰值功率,與傳統(tǒng)長脈沖激光依靠熱熔的加工機(jī)理不同,其與物質(zhì)相互作用時呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)[1-2],它主要依靠多光子吸收機(jī)制來加工。飛秒激光加工具有諸多優(yōu)點[3-6],例如材料適應(yīng)性廣、極小化熱影響區(qū)、幾乎無重鑄層等。同時也具有加工中非接觸、無需液體酸堿輔助的特點,因此,飛秒激光微孔加工是目前最優(yōu)的制孔方式之一。
但是,飛秒激光微孔加工是一個受諸多因素影響的非線性、非穩(wěn)定過程,加工效率一直受到限制。例如采用20W飛秒激光器在厚度為3mm的試樣上進(jìn)行孔徑為0.3mm微孔加工,一般需要1min~2min,而對于大功率長脈沖激光加工或電火花加工,僅需十幾秒左右,因此大大限制了飛秒激光微孔加工的應(yīng)用范圍。一方面原因是飛秒激光器平均功率低,另一方面是加工過程中產(chǎn)生的等離子體屏蔽了大部分激光能量,導(dǎo)致實際作用到微孔底部的能量減小。為了解決加工過程中等離子體粉塵對激光的影響,目前最常用的方法是采用輔助吹氣[7]的方式將加工過程中產(chǎn)生等離子體殘渣去除。2000年,WANG,CHEN等人[8]驗證了輔助氣體種類、氣壓、氣嘴到樣件的距離和氣嘴孔徑等對制孔的影響,并利用激光加工出的微孔作為氣嘴,實現(xiàn)了高效高質(zhì)量的微孔加工。2006年,KHAN,O’NEILL等人[9]仿真了300μm喉道直徑的超音速氣嘴加工微孔時從盲孔到通孔的流場變化,詳細(xì)展示了軸對稱射流在不同打孔過程的變化。2008年,HU,GUO等人[10]研究了激光穿孔過程中的撞擊射流情形,提出了氣嘴與工件的距離對去除效率存在很大影響。以上的研究均采用光、氣同軸結(jié)構(gòu),氣嘴孔徑一般較小,適用于脈沖沖擊鉆孔和切割。而對于采用動光式加工方法進(jìn)行深孔加工時,繼續(xù)采用小孔徑氣嘴的同軸吹氣結(jié)構(gòu)很容易出現(xiàn)擋光現(xiàn)象,因此該方法不適用于動光式深孔加工。并且目前飛秒激光制孔過程中采用的氣嘴直徑較大,約2mm~3mm,氣體到達(dá)工件表面的區(qū)域很大,而實際進(jìn)入孔中的氣體很少,且氣壓較低,并不利于孔中等離子體粉塵的排出。
為了提高深孔加工過程中等離子體粉塵的排出效果,本文中設(shè)計了同軸和旁軸的雙路吹氣結(jié)構(gòu)[11],采用ANSYS軟件[12]對該種結(jié)構(gòu)氣體流場進(jìn)行仿真、分析,并進(jìn)行了相關(guān)的實驗驗證。
本文中設(shè)計的雙路吹氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中氣嘴1孔徑較大,可以保證光束螺旋轉(zhuǎn)動時不被遮擋,氣嘴2孔徑較小,可以提升去除微孔內(nèi)殘渣的能力。利用ANSYS CFD軟件對雙路吹氣結(jié)構(gòu)的氣體流場進(jìn)行模擬分析,建立如圖2所示模型,仿真雙路吹氣效果。加粗實線代表壁面,細(xì)實線代表輔助氣體入口,虛線代表非封閉區(qū)域。D1代表氣嘴1入口直徑,D2代表氣嘴2入口直徑,H1代表氣嘴1到微孔的距離,H2代表氣嘴2到微孔的距離,h表示微孔深度,d表示微孔直徑,α表示氣嘴2吹氣方向與孔軸線夾角,L表示流場區(qū)域大小,p1表示氣嘴1出口氣壓,p2表示氣嘴2出口氣壓,pa表示環(huán)境壓力。對以上參量值進(jìn)行設(shè)定,分別為:D1=2mm,D2=0.5mm,H1=7mm,H2=1.2mm,h=3mm,d=0.3mm,α=45°,L=5mm。
Fig.1 Schematic of double-channel auxiliary gas blowing
Fig.2 Diagram of simulation model
網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,相對結(jié)構(gòu)網(wǎng)格而言,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格編程比較復(fù)雜,但局部加密比較容易,易于顯示流場的細(xì)微結(jié)構(gòu),網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。在模擬過程中求解流場時選擇壓力基求解器。
Fig.3 Mesh result
飛秒激光鉆孔過程中,由于氣體從氣嘴噴出的速度較快,與工件相互作用時,其流場往往同時具有層流和紊流的特性[13]。流場可用基于雷諾平均Navier-Stokes(Reynolds average Navier-Stokes,RANS)方程的重整化群(renormalization group,RNG)k-ε模型進(jìn)行描述[14-15],其表達(dá)式如下所示:
(1)
(2)
式中,uj為流體速度在j方向上的分量,v=v0+vt,v0為流體的運動粘度,vt為湍流運動粘性系數(shù),k為紊流脈動動能,ε為紊流脈動動能的耗散率,Sij為應(yīng)變速率張量模量,其中Sij=(?ui/?xj+?uj/?xi)/2。
與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比,RNGk-ε模型方程中的常數(shù)是通過重正規(guī)化群理論分析得到,而不是通過實驗得到。(1)式~(2)式中c1,c2為常量,取值為c1=1.42,c2=1.68;αk和αε為k方程和ε方程的湍流普朗特數(shù),取值為αk=αε=1.39。另外方程中有一附加項R,其代表平均應(yīng)變率對ε的影響。
(3)
式中,ul是流體速度在l方向上的分量,η=Sk/ε是湍流時間尺度與平均流時間尺度之比,S=(2vtSijSij)1/2是應(yīng)變率張量的范數(shù),η0是在均勻剪切流中的典型值,取為4.38。模型其它常數(shù)取為:cv=0.084,β=0.012。
為了對比同軸吹氣和旁軸吹氣兩種方式的差別,設(shè)置邊界條件時,p1和p2分為兩種情況:(1)p1=0.4MPa,p2=0MPa;(2)p1=0MPa,p2=0.4MPa。
對于氣流與加工工件之間相互作用的分析,主要是氣體在微孔中的動力學(xué)特性,因此從某種程度上講,等離子粉塵的去除最終取決于微孔中動態(tài)流場分布,因此在結(jié)果分析時,主要分析微孔內(nèi)部及周圍的動態(tài)流場以及流速矢量。
圖4a所示為p1=0.4MPa,p2=0MPa時動態(tài)流場分布情況??梢钥闯?,在微孔內(nèi)部動態(tài)氣壓很低,近似于0,這說明孔內(nèi)氣體流動很小。在孔口周圍,動態(tài)氣壓形成一個圓弧形穹頂,且動態(tài)氣壓相較于外圍區(qū)域偏小,從孔內(nèi)排出的粉塵容易在這個區(qū)域形成堆積。但是氣壓在遠(yuǎn)離孔口的區(qū)域仍然很大,有助于將粉塵從工件上吹走。圖4b所示為p1=0MPa,p2=0.4MPa時動態(tài)氣壓情況??梢钥闯觯變?nèi)動態(tài)氣壓也很低,說明旁軸吹氣下孔內(nèi)部氣體流動也很小。但是孔口周圍沒有穹頂,且動態(tài)氣壓相較于外圍區(qū)域偏大,因此材料不會出現(xiàn)孔口堆積現(xiàn)象。但外圍氣壓沒有同軸吹氣氣壓大,從孔中排出的等離子粉塵雖然不在孔口堆積,但是會在周圍形成沉積。
Fig.4 Contour map of flow field dynamic pressure of coaxial and paraxial gas blowing
a—p1=0.4MPa,p2=0MPa b—p1=0MPa,p2=0.4MPa
接下來分別對兩種情況下流場速度矢量分布進(jìn)行模擬分析,模擬結(jié)果如圖5所示。圖5a所示為p1=0.4MPa,p2=0MPa時孔內(nèi)流場速度矢量圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)部氣體為無方向隨機(jī)流動,因此加工過程中,等離子體粉塵在孔內(nèi)也隨機(jī)流動,很難排出孔外。圖5b為p1=0MPa,p2=0.4MPa時孔內(nèi)流場速度矢量圖。從圖中可以觀測到,內(nèi)部氣體流動成U型且有方向流動,并且孔沿內(nèi)壁流動速度大于孔中心的流動速度。在氣體有序流動的情況下,有助于等離子粉塵的排除。
Fig.5 Vector graph of pressure velocity in micro-hole of coaxial and paraxial gas blowing
a—p1=0.4MPa,p2=0MPa b—p1=0MPa,p2=0.4MPa
通過以上模擬結(jié)果的對比可以看出,同軸吹氣作用范圍更大,可以把粉塵吹離工件,旁軸吹氣可以使孔內(nèi)氣體有方向性的流動,有助于等離子體粉塵的排除,同時孔口沒有低氣壓區(qū)域,不會造成等離子體粉塵在孔口的堆積。兩者如果同時使用,既有助于微孔內(nèi)部的排渣效率,又會使工件表面更干凈。
由于本文中氣嘴1孔徑大于氣嘴2孔徑,如果采用相同氣壓共同吹氣,氣嘴1流量較大,將會起主導(dǎo)作用,氣嘴2的效果將會大大降低。因此當(dāng)兩路氣體同時工作時,采用不同氣壓,即p1=0.4MPa,p2=1MPa,其動態(tài)氣壓等值線圖和流速矢量圖如圖6所示??梢?/p>
Fig.6 Vector diagram of dynamic pressure and velocity of flow field whenp1=0.4MPa andp2=1MPa
a—pressure b—velocity
看出,在孔內(nèi)部氣體形成有方向流動,孔口區(qū)域沒有低氣壓區(qū),孔周圍區(qū)域仍然具有較強(qiáng)的吹塵能力。
圖7所示為利用同軸和旁軸雙路吹氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行微孔加工的實驗裝置。主要由激光器、擴(kuò)束器、反射鏡、光束掃描模塊、聚焦鏡、運動平臺、工件和計算機(jī)組成。其中激光器為飛秒激光器,其脈寬約290fs,重復(fù)頻率100kHz,功率0W~20W可調(diào),波長1030nm,光束質(zhì)量因子M2≤1.1。光束經(jīng)過2倍可調(diào)擴(kuò)束器后經(jīng)過反射鏡進(jìn)入光束螺旋掃描模塊,經(jīng)聚焦鏡聚焦后實現(xiàn)微孔的加工。其中光束掃描模塊主要用于控制光束螺旋掃描運動,經(jīng)聚焦鏡聚焦后,可實現(xiàn)孔徑為0.05mm~2mm的圓孔加工。
Fig.7 Diagram of experimental setup
通過以上實驗裝置,其中同軸氣嘴直徑為2mm,旁軸氣嘴直徑為0.5mm,激光功率為8W~12W,采用同模擬實驗相同的工藝參量,分別利用同軸吹氣、旁軸吹氣、同軸和旁軸組合吹氣3種吹氣方式,在h=3mm厚鋼片上進(jìn)行孔徑d=0.3mm的通孔加工,對其加工效率Q按下式進(jìn)行計算:
Q=π(d/2)2×h/t
(4)
式中,h為孔深,d為微孔直徑,t為完成通孔加工所需時間。結(jié)果如表1所示。可以看出,采用旁軸吹氣效率有了明顯提升。
Table 1 Processing time under different blowing modes
孔口表面質(zhì)量如圖8所示。圖8a、圖8b圖8和圖8c分別為加入同軸、旁軸和雙路吹氣結(jié)構(gòu)時微孔加工后孔口形貌,從圖中可以看出,同軸吹氣時,孔口較小,這是因為等離子體粉塵在孔口堆積;旁軸吹氣時孔直徑變大,孔口沒有粉塵堆積,但是存在一片旁軸吹氣帶來的輻射狀粉塵區(qū)域;雙路吹氣孔口及周圍最干凈,與前面仿真結(jié)果吻合。
Fig.8 Hole morphology at different air blowing modesa—coaxial blowing b—paraxial blowing c—double air blowing
通過ANSYS CFD軟件仿真了激光鉆孔過程中同軸吹氣、旁軸吹氣、雙路吹氣穩(wěn)態(tài)下的流場狀態(tài)。仿真結(jié)果表明:采用同軸吹氣,微孔內(nèi)部動態(tài)流場成無方向流動,不利于孔內(nèi)等離子體粉塵排除,且孔口會形成低動態(tài)氣壓區(qū),造成粉塵在孔口堆積;采用旁軸吹氣,微孔內(nèi)部動態(tài)流場形成有方向流動,有利于等離子體粉塵排出,且孔口沒有低動態(tài)氣壓區(qū),不會造成粉塵堆積孔口現(xiàn)象,但是孔口周圍動態(tài)氣壓區(qū)域較小,粉塵容易粘在工件上;采用雙路吹氣,既可以在孔內(nèi)形成動態(tài)流場有方向運動,又有利于孔口和工件的潔凈。最后進(jìn)行了試驗,驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用雙路輔助吹氣既可以提高效率,又達(dá)到了潔凈加工的效果。