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        水-氣縮流導(dǎo)光機(jī)制仿真與試驗(yàn)研究

        2020-03-25 06:37:52張廣義郭春海張文武
        電加工與模具 2020年1期
        關(guān)鍵詞:水導(dǎo)水柱層流

        張廣義,潮 陽,張 正,郭春海,張文武

        ( 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,先進(jìn)制造技術(shù)研究所,浙江寧波315201 )

        先進(jìn)制造工藝與裝備直接關(guān)系到國家核心競(jìng)爭(zhēng)力,是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要基礎(chǔ)[1-2]。 水導(dǎo)激光加工技術(shù)作為材料加工的一種有效手段,可對(duì)高溫合金、復(fù)合材料等進(jìn)行精密加工,相對(duì)于傳統(tǒng)短脈沖激光加工具有熱影響損傷小、加工錐度小、深度能力強(qiáng)、加工表面清潔等優(yōu)勢(shì),受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。

        Bernold[3-4]將激光和水射流結(jié)合起來,發(fā)展了微射流型水助激光加工技術(shù),該技術(shù)將激光聚焦進(jìn)高壓水腔的微小噴嘴內(nèi),噴嘴射出層流水柱,將激光傳輸?shù)焦ぜM(jìn)行加工; 而后,Bernold 積極探索射流類水助激光加工工藝的新應(yīng)用,提高其可靠性與分辨率,并推出了系列水導(dǎo)激光加工設(shè)備。 張文武[5-6]發(fā)明了液核光纖水助激光加工技術(shù), 對(duì)金屬、CZT晶體、CFRP 等材料進(jìn)行了打孔和切割實(shí)驗(yàn),加工分辨率約為0.5 mm;而后,其團(tuán)隊(duì)繼續(xù)推進(jìn)水導(dǎo)激光的應(yīng)用,聯(lián)合幾家公司共同推出了五軸聯(lián)動(dòng)水導(dǎo)激光加工系統(tǒng),但由于激光耦合的穩(wěn)定性要求,這類機(jī)床的加工尺度一般不宜太大,直接應(yīng)用到大尺度材料的加工非常困難。 此外,Jiao 等[7]研究了輔助液體對(duì)飛秒激光打孔錐度的影響,發(fā)現(xiàn)由于液體的等離子體作用和沖擊波作用,揮發(fā)性液體能有效減小飛秒激光打孔過程中的殘?jiān)练e, 減小孔的錐度。Adelmann 等[8]對(duì)比研究了光纖激光器干式切割與水助激光切割金屬片的加工質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)水助加工幾乎無殘?jiān)蜔嵊绊憛^(qū),錐角非常小,而干式加工有一定的殘?jiān)c熱影響區(qū),錐角明顯。Nath 等[9]開發(fā)了水助激光表面清洗工藝。 Romoli 等[10]對(duì)比研究了電火花與水助激光加工噴油嘴的工藝,證明水助激光加工是一種可靠的加工方式。Wang 等[11]研究了水助激光加工硅片的材料去除機(jī)理,發(fā)現(xiàn)熱影響幾乎可忽略不計(jì)。 王揚(yáng)[12]等對(duì)高速穩(wěn)定水流的流體動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行了研究, 研制出水導(dǎo)激光微細(xì)加工設(shè)備,射流直徑低于100 μm, 展示了水助激光加工多方面的優(yōu)越性。 葉瑞芳[13]研究了水壓、射流速度、噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流穩(wěn)定性的影響。 詹才娟[14]模擬計(jì)算了水助激光加工中熔池內(nèi)部的流動(dòng)情形。

        相比干式激光加工技術(shù),水導(dǎo)激光加工具有諸多優(yōu)勢(shì),但仍存在激光耦合功率低和工藝可靠性差的關(guān)鍵難題,嚴(yán)重影響激光加工效率與工件加工質(zhì)量。 本文在現(xiàn)有水導(dǎo)激光加工技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種水-氣縮流傳導(dǎo)激光加工機(jī)制, 通過仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式,闡述其大功率傳導(dǎo)與工藝可靠性機(jī)制。

        1 水-氣縮流導(dǎo)光原理與層流特性

        1.1 水-氣縮流導(dǎo)光原理

        圖1 是水-氣縮流耦合激光加工噴頭示意圖。利用環(huán)形氣體將水柱同軸壓縮,將毫米級(jí)水柱壓縮至百微米級(jí),實(shí)現(xiàn)水柱縮流效應(yīng);激光焦點(diǎn)可位于縮流段區(qū)域,實(shí)現(xiàn)激光焦點(diǎn)大口徑耦合,經(jīng)水-氣界面全反射效應(yīng),將水導(dǎo)激光收縮至所需百微米級(jí)直徑。 采用該方法可有效避免傳統(tǒng)水導(dǎo)激光加工中焦點(diǎn)由于受到振動(dòng)、微氣泡、雜質(zhì)等擾動(dòng)對(duì)噴口的損傷,改善水導(dǎo)激光加工可靠性;另外,將有助于水導(dǎo)激光加工中高功率激光耦合,可提高加工效率。

        1.2 水-氣層流特性

        圖2 是水-氣縮流水柱流動(dòng)狀態(tài), 與傳統(tǒng)水導(dǎo)激光水射流流動(dòng)狀態(tài)有所不同。 水-氣縮流的流動(dòng)過程可分為三個(gè)階段: 第一階段為水-氣縮流保持段,氣體的包覆作用使水柱收縮,此時(shí)氣體的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水流速度,高速氣流的作用使水柱表層速度增大, 即水柱內(nèi)部的速度低于水柱表層的速度,且隨著與噴嘴口距離的增大,氣體的包覆作用越來越弱,氣體的速度逐漸減小,此階段縮流水柱狀態(tài)較穩(wěn)定,表現(xiàn)為層流,為有效的層流長度;第二段為氣體包覆作用消逝段, 由于與噴口距離逐漸增大,氣體逐漸消散,此時(shí)水柱動(dòng)壓力沿射流軸線分量逐漸降低,射流的紊流動(dòng)態(tài)特性顯著,水柱逐漸由層流變?yōu)橥牧鳎坏谌螢樗畾饣旌隙?,速度分布滿足自相似性條件,該段的水柱及氣體與環(huán)境介質(zhì)完全混合, 射流軸向速度和動(dòng)壓力都處于較低的狀態(tài),霧化效果明顯。

        針對(duì)水-氣層流結(jié)構(gòu)特性,本文將利用水-氣層流保持段作為有效加工距離,合理調(diào)整工件位置與工件厚度。

        2 水-氣縮流導(dǎo)光仿真分析

        針對(duì)水氣縮流導(dǎo)光特性,進(jìn)行了基于Fluent 軟件的流體力學(xué)仿真與基于Zemax 軟件的光學(xué)仿真優(yōu)化, 設(shè)置水柱出口直徑D=0.5 mm、 總出口直徑d2=1 mm、縮流段長度為2 mm,水柱壓縮后的直徑d1、層流速度與層流長度為優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)。

        2.1 水-氣兩相流仿真分析

        水壓大小設(shè)置為0.1 MPa, 通過改變氣壓值研究水氣壓力變化對(duì)層流特性的影響,縮流水柱的仿真相見圖3,氣壓變化對(duì)層流直徑、速度及長度的影響規(guī)律見圖4。 仿真結(jié)果表明:水壓保持0.1 MPa 不變時(shí),隨著氣壓不斷增大,層流直徑由0.41 mm 減小到0.02 mm;而層流速度隨氣壓增加而逐漸增大,氣壓值在0.08 MPa 前,速度增加緩慢,之后迅速增大;層流長度僅在氣壓為0 時(shí)達(dá)到80 mm(空氣計(jì)算域長度),隨著氣壓的增大,層流長度基本保持在40 mm 左右,直到氣壓增大到0.11 MPa 時(shí),出現(xiàn)氣堵水現(xiàn)象,層流消失。

        通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)得出:水壓恒定時(shí),氣壓增大導(dǎo)致層流直徑減小、層流速度增大,層流長度基本恒定,一旦施加氣壓大過水壓,層流長度會(huì)急劇縮短;同時(shí),由層流速度增加趨勢(shì)可看出,氣壓在0.08 MPa 之前, 由于速度增加趨勢(shì)緩慢,層流縮流效果較穩(wěn)定,繼續(xù)增大氣壓時(shí),速度急劇增大,層流水-氣界面層變厚,層流穩(wěn)定性變差。 綜上可得出,在縮流比滿足加工需要的情況下,氣壓控制在0.8 倍的水壓以內(nèi), 能有效提升縮流水柱的穩(wěn)定性。

        2.2 全反射導(dǎo)光仿真分析

        結(jié)合仿真結(jié)果得到層流縮流水柱,優(yōu)選出水壓0.1 MPa、氣壓0.075 MPa 時(shí)的層流狀態(tài)作為全反射導(dǎo)光仿真的初始條件, 水柱直徑由0.5 mm 縮減至0.1 mm。 對(duì)縮徑層流的三維形貌進(jìn)行仿形建模,利用Zemax 光學(xué)仿真軟件,對(duì)其最終縮流出口平行段激光能量進(jìn)行測(cè)量,并將測(cè)量值與初始輸入激光能量作為耦合效率,對(duì)激光以軸向、徑向、角度三個(gè)維度偏移方式下激光傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行研究,其偏差示意見圖5,得到的仿真結(jié)果見圖6。

        由圖6 可看出, 激光光斑在軸向偏移8.5 mm(-2.8~5.7 mm)、徑向偏移0.3 mm(-0.15~0.15 mm)、角度偏移20°(-10°~10°)的條件下,均能滿足耦合效率≥95%。 同時(shí),當(dāng)激光加工系統(tǒng)存在振動(dòng)、水中雜質(zhì)、氣泡干擾的情況下,激光光斑可在較大范圍擾動(dòng)下保證噴口激光耦合的可靠性,使傳統(tǒng)水導(dǎo)激光加工技術(shù)中光斑易破壞噴口的情況得到改善。

        3 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 水-氣縮流導(dǎo)光試驗(yàn)驗(yàn)證

        利用石英玻璃,對(duì)優(yōu)化后的噴口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了樣機(jī)加工及試驗(yàn)研究,結(jié)果見圖7。 通過調(diào)節(jié)水-氣壓力大小可得到穩(wěn)定層流,耦合裝置射出的水柱可分為三段區(qū)域,分別為層流區(qū)、湍流區(qū)及破碎區(qū)。 層流區(qū)為激光在水氣層流界面完成全反射并加工材料的有效區(qū)域,由于氣體的包覆作用,該區(qū)域的層流水柱被壓縮;氣體的包覆作用沿軸線豎直向下逐漸減弱,水柱直徑逐漸增大,層流逐漸演化為湍流,且水柱表面發(fā)生輕微波動(dòng),該區(qū)域的水柱不能與空氣形成穩(wěn)定界面,因而激光無法完成全反射,無法進(jìn)行材料去除加工; 隨著水柱以自由落體方式下落,水柱速度不斷增大,當(dāng)水柱速度大到足以擺脫表面張力束縛時(shí), 水柱將在其邊緣甚至內(nèi)部破碎為水滴,這些水滴與空氣混雜在一起,出現(xiàn)了大量的氣-液界面,形成了破碎區(qū)。 此外,利用532 nm 納秒激光器進(jìn)行了水-氣界面全反射界面導(dǎo)光試驗(yàn), 由圖7c 所示試驗(yàn)結(jié)果可看出,激光可在水氣縮流層流界面完成全反射傳導(dǎo),利用仿真優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合效率試驗(yàn),耦合效率可達(dá)95%。耦合,實(shí)現(xiàn)大深度、表面無熱影響加工奠定了基礎(chǔ)。

        3.2 初步加工試驗(yàn)

        為驗(yàn)證本方法的實(shí)際材料加工能力, 對(duì)1 mm厚7075 鋁板進(jìn)行打孔和切割加工試驗(yàn), 層流水柱長度為20 mm,工件表面與噴口距離為10 mm。 用激光共聚焦顯微鏡測(cè)試加工后的樣件表面質(zhì)量和三維形貌,結(jié)果見圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明,水-氣縮流傳導(dǎo)激光加工方法具備一定的材料去除能力,打孔與切割材料表面幾乎無熱影響區(qū),為后續(xù)大功率激光

        4 結(jié)論

        在傳統(tǒng)水導(dǎo)激光加工基礎(chǔ)上, 提出一種水-氣縮流導(dǎo)光激光加工方法,解決了激光大功率耦合與工藝可靠性難題,得到以下研究結(jié)論:

        (1)對(duì)水-氣縮流原理進(jìn)行了闡述,并對(duì)形成層流水柱結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行了分析。

        (2)利用流體力學(xué)與光學(xué)仿真分析方法,對(duì)水-氣縮流特性進(jìn)行了分析,可知激光光斑在軸向偏移8.5 mm、徑向偏移0.3 mm、角度偏移20°條件下,均能滿足耦合效率超過95%。

        (3)通過試驗(yàn)方式驗(yàn)證了水-氣縮流導(dǎo)光方法進(jìn)行激光傳導(dǎo)與材料加工的可行性,為試件的加工提供理論與實(shí)踐的依據(jù)。

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