李靖怡， 李元， 丁燁， 王揚(yáng)， 楊立軍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

自從1960年第一臺(tái)激光器出現(xiàn)以來(lái)，激光作為一種加工工具已逐漸應(yīng)用于航空航天儀器等領(lǐng)域. 連續(xù)激光和長(zhǎng)脈沖激光加工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)熱影響區(qū)、微裂紋、熔渣等顯著缺陷[1]，嚴(yán)重降低了加工質(zhì)量. 超短脈沖激光[2-3]加工效率較低，且設(shè)備維護(hù)成本過(guò)高. 這些問(wèn)題的存在對(duì)激光的進(jìn)一步應(yīng)用提出了較大的挑戰(zhàn).

水導(dǎo)激光加工作為一種新興的激光加工技術(shù)，其原理如圖1所示. 激光束聚焦形成一定大小的光斑，投射進(jìn)噴嘴口處. 激光束以全反射的形式在射流內(nèi)向前傳輸. 相比傳統(tǒng)激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光加工技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：①水射流穩(wěn)定長(zhǎng)度范圍內(nèi)都能進(jìn)行加工，工作距離較大；②水射流持續(xù)沖刷冷卻過(guò)程可抑制加工區(qū)域熱影響區(qū)形成和熔渣堆積[4-5].

圖1 水導(dǎo)激光加工原理圖

水導(dǎo)激光的加工能力主要受激光軸線與水射流軸線的重合程度以及激光光源的輸出參數(shù)等因素的影響. 目前，通過(guò)增加同軸調(diào)整與觀測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)激光軸線與水射流軸線的精準(zhǔn)重合. 而激光光源的輸出參數(shù)，例如脈寬、峰值功率密度等，則對(duì)耦合過(guò)程具有不可忽視的調(diào)控作用. KENNEDY等[6]指出，當(dāng)激光脈寬在亞納秒和飛秒尺度時(shí)，即使單脈沖能量很低，激光焦點(diǎn)區(qū)域的峰值功率密度也足以引起純水介質(zhì)的光學(xué)擊穿. 而光學(xué)擊穿現(xiàn)象會(huì)引起激光能量的大幅耗散，這對(duì)于水導(dǎo)激光加工過(guò)程中激光與水射流的高效耦合以及后續(xù)的材料高質(zhì)高效蝕除是極為不利的[7]. PORTER等[8]采用毫秒激光光源進(jìn)行水導(dǎo)激光切割金屬板材實(shí)驗(yàn)，研究表明相比于單一的毫秒激光加工，水導(dǎo)激光加工后切縫表面的熱缺陷得到有效抑制，但局部熱影響區(qū)和微裂紋仍無(wú)法徹底消除. 同時(shí)，激光與水射流耦合時(shí)熱吸收損耗較大，導(dǎo)致水射流間歇性失穩(wěn)，顯著降低了加工效率. GOBET 等[9]采用短納秒激光光源進(jìn)行水導(dǎo)激光刻劃硅晶圓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明相比于長(zhǎng)脈沖激光光源，該光源更有利于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的加工.

前述的研究結(jié)果表明，選取合適的激光光源，對(duì)于激光與水射流的高效率低損耗耦合以及耦合能束加工能力的提升具有重要意義. 但目前在這方面的理論研究相對(duì)較少. 文中建立了水中激光焦點(diǎn)區(qū)域自由電子密度演變模型，分析了不同波長(zhǎng)和脈寬的激光輻照下水的光學(xué)擊穿閾值，為選擇合適的激光光源提供了理論依據(jù). 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了水導(dǎo)激光刻劃與切割304不銹鋼樣件的實(shí)驗(yàn). 從理論與實(shí)驗(yàn)角度，實(shí)現(xiàn)了水導(dǎo)激光加工質(zhì)量和效率的有效提升，為水導(dǎo)激光加工應(yīng)用領(lǐng)域的拓展提供理論與參數(shù)指導(dǎo).

1 物理模型建立

激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿存在兩種物理機(jī)制：雪崩電離和多光子電離. 雪崩電離過(guò)程是種子電子吸收激光能量后與重粒子碰撞，離化束縛電子，從而產(chǎn)生兩個(gè)能量較低的自由電子，新的自由電子繼續(xù)與重粒子碰撞，生成更多的自由電子. 碰撞過(guò)程的不斷發(fā)生使自由電子數(shù)量指數(shù)倍增長(zhǎng)，直至擊穿的產(chǎn)生. 而多光子電離不需要種子電子的激發(fā)，在焦點(diǎn)區(qū)域的介質(zhì)直接吸收多個(gè)光子而電離，相互之間互不影響，擊穿過(guò)程發(fā)生的非常迅速.

引起光學(xué)擊穿所需的功率密度會(huì)受到激光輸出參數(shù)的影響. 常用激光器輸出的激光在時(shí)域和空間域上均為高斯分布，激光束在聚焦后瑞利長(zhǎng)度ZR的定義為

(1)

式中:w0為激光焦點(diǎn)半徑,mm；n為介質(zhì)的折射率；λ為激光波長(zhǎng),nm.

在瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)，激光束的直徑可認(rèn)為是一致的. 而與焦點(diǎn)軸向距離Z>ZR時(shí)，激光光束半徑w(Z)為

(2)

相應(yīng)的，與焦點(diǎn)軸向距離為Z的激光峰值功率密度I0(Z)為

(3)

式中,Pmax為脈沖激光的峰值功率,W.

距離焦點(diǎn)不同位置的激光功率密度I(R，Z，t)表達(dá)式為[10]

(4)

式中:I0為焦點(diǎn)處激光峰值功率密度,W/cm2；τp為激光脈寬,s；t為時(shí)間,s；c為真空中的光速,m/s；σe為消光系數(shù)；v2為激光空間方差的2倍.

脈沖長(zhǎng)度lp的定義如式(5)所示. 不同脈寬激光的脈沖長(zhǎng)度之間存在極大差異，例如，波長(zhǎng)為532 nm，焦點(diǎn)直徑為15 μm的激光，當(dāng)脈寬為20 ns，脈沖長(zhǎng)度為6 m；脈寬為30 ps，脈沖長(zhǎng)度為9 mm，均遠(yuǎn)大于其瑞利長(zhǎng)度442 μm. 此時(shí)，相比于激光的空間范圍，焦點(diǎn)區(qū)域可近似為一個(gè)點(diǎn)，故在焦點(diǎn)區(qū)域功率密度可認(rèn)為是一恒定值，此時(shí)Z、R均為0，入射激光功率密度表達(dá)式可簡(jiǎn)化為式(6)所示. 而當(dāng)脈寬縮短至300 fs時(shí)，脈沖長(zhǎng)度降至90 μm，與瑞利長(zhǎng)度無(wú)量級(jí)差距，因而焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)激光的功率密度變化不僅和時(shí)間相關(guān)，還受到空間位置的影響.

lp=cτp

(5)

I(t)=I0e-4ln2×(t/τp)2

(6)

自由電子密度隨時(shí)間演變的規(guī)律可用速率方程來(lái)描述，如式(7)所示. 焦點(diǎn)區(qū)域的自由電子密度會(huì)受到多光子電離、雪崩電離以及電子擴(kuò)散和重組等過(guò)程的調(diào)控作用，式(7)中右邊第一項(xiàng)表示多光子電離引起的自由電子增量，第二項(xiàng)表示雪崩電離引起的自由電子增量，第三項(xiàng)描述的是電子擴(kuò)散到焦點(diǎn)區(qū)域之外引起的自由電子損耗，最后一項(xiàng)描述的是電子與離子或空穴等重組引起的自由電子損耗.

(7)

(8)

當(dāng)焦點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)一個(gè)自由電子后，它會(huì)通過(guò)逆韌致吸收獲得能量，產(chǎn)生更多自由電子，形成雪崩電離，表達(dá)式為

(9)

式中：τ為電子與粒子碰撞時(shí)間間隔,s；MH為水分子質(zhì)量,kg；Q為電子電荷,C.

將瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)光束近似看作是半徑為焦點(diǎn)半徑w0，長(zhǎng)為瑞利長(zhǎng)度ZR的圓柱體. 在這個(gè)區(qū)域內(nèi)電子擴(kuò)散速率為

(10)

電子重組速度經(jīng)驗(yàn)值為ηrec=2×10-9cm3/s[11].

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

文中采用的飛秒激光器型號(hào)為PHAROS-15W(light conversion)，納秒激光器型號(hào)為PR-532-40H(power laser)，主要輸出參數(shù)如表1所示. 激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，聲波信號(hào)接收裝置采用的是Precision Acoustics公司生產(chǎn)的水聽器(頻率響應(yīng)范圍：4～200 kHz)，并通過(guò)RIGOL數(shù)字示波器(帶寬：300 MHz；采樣頻率：2G Sample/s)顯示接收的信號(hào). 焦點(diǎn)區(qū)域通過(guò)型號(hào)為Phantom VEO 710L的高速相機(jī)，在21 000 fps幀率下進(jìn)行同步拍攝.

圖2 激光誘導(dǎo)擊穿實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

表1 激光器主要輸出參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中采用的樣件是厚度為500 μm的304不銹鋼材料. 實(shí)驗(yàn)采用的噴嘴直徑為120 μm，實(shí)際形成的射流直徑是100 μm.

3 結(jié)果與分析

3.1 自由電子密度演變規(guī)律分析

由于入射激光在時(shí)間和空間上都是高斯分布，激光焦點(diǎn)區(qū)域(z=0)的功率密度最大，故此處誘導(dǎo)產(chǎn)生的自由電子密度最大. 現(xiàn)采用龍格-庫(kù)塔方法求解式(7). 同時(shí)，采用NOACK等[11]對(duì)于擊穿閾值的描述，即當(dāng)自由電子密度到達(dá)光學(xué)擊穿的臨界電子密度值時(shí)認(rèn)為此時(shí)的激光功率密度為擊穿閾值. 如表2所示，Ith20、Ith21分別對(duì)應(yīng)臨界自由電子密度Pcr[11]為1020cm-3和1021cm-3時(shí)的擊穿閾值，Iexp為文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)測(cè)得的擊穿閾值[11-12]，將不同脈寬、波長(zhǎng)的激光焦點(diǎn)區(qū)域自由電子密度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

表2 計(jì)算擊穿閾值與實(shí)驗(yàn)擊穿閾值對(duì)比結(jié)果

對(duì)于納秒激光(76 ns和6 ns)，臨界值假定為1020cm-3時(shí)計(jì)算擊穿閾值與實(shí)驗(yàn)閾值更符合，而對(duì)皮秒激光(30 ps和3 ps)以及飛秒激光(300 fs)來(lái)說(shuō)，臨界值為1021cm-3時(shí)計(jì)算擊穿閾值與實(shí)際閾值更接近. 因此，選擇ρcr=1020cm-3作為納秒激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿的臨界值，皮秒激光和飛秒激光引起水擊穿臨界值則選定為ρcr=1021cm-3.

純水對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收曲線如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的激光在水中的吸收程度不同，選取合適的激光波長(zhǎng)能夠有效減小激光在水中傳輸時(shí)的吸收損耗，提高激光傳輸效率. 其中綠光波段的激光能量衰減較小，透過(guò)率較高. 故本文選用波長(zhǎng)532 nm的激光進(jìn)行進(jìn)一步的分析.

圖3 純水對(duì)于不同波長(zhǎng)激光的吸收系數(shù)[13]

激光波長(zhǎng)為532 nm且脈寬不同、功率密度均達(dá)到擊穿閾值時(shí)，純水中自由電子密度在時(shí)域上的演變?nèi)鐖D4所示,其中將坐標(biāo)軸進(jìn)行歸一化處理，脈沖前沿作用的階段作為計(jì)算結(jié)果的負(fù)半軸，達(dá)到峰值功率的時(shí)間點(diǎn)作為坐標(biāo)0點(diǎn)，計(jì)算時(shí)間跨度為4倍的激光脈寬.

圖4 脈寬不同且功率密度為擊穿閾值的激光輻照下自由電子密度演變規(guī)律

實(shí)線ρtotal代表由多光子電離和雪崩電離共同作為增強(qiáng)項(xiàng)作用時(shí)的自由電子密度變化，虛線ρmp代表只有多光子電離項(xiàng)作為增強(qiáng)項(xiàng)時(shí)的自由電子密度變化，點(diǎn)劃線ρcr代表自由電子密度臨界值. 對(duì)于脈寬為20 ns的激光，最初由多光子電離產(chǎn)生自由電子，增速緩慢，經(jīng)過(guò)大約10 ns的發(fā)展之后，自由電子密度達(dá)到108cm-3，雪崩電離逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，電子密度顯著增加. 當(dāng)激光到達(dá)峰值功率密度時(shí)，自由電子密度達(dá)到了最大值1020cm-3，光學(xué)擊穿產(chǎn)生. 此時(shí)自由電子的增長(zhǎng)速率與電子損失速率保持平衡，平衡時(shí)間持續(xù)約40 ns. 僅僅由多光子電離產(chǎn)生的自由電子密度無(wú)法達(dá)到擊穿臨界值. 隨著激光功率密度的降低，產(chǎn)生的自由電子無(wú)法補(bǔ)償電子重組的損失，自由電子密度隨著激光脈沖作用的結(jié)束迅速衰減.

激光脈寬為30 ps時(shí)，前期多光子電離產(chǎn)生的電子密度接近1012cm-3后雪崩電離對(duì)電子密度的提升作用才逐漸增強(qiáng)，在激光功率密度升至峰值時(shí)自由電子密度到達(dá)臨界值，發(fā)生擊穿現(xiàn)象. 再經(jīng)過(guò)60 ps脈沖作用結(jié)束時(shí)，電子密度仍維持在1019cm-3左右. 因?yàn)殡娮又亟M所需時(shí)間遠(yuǎn)低于脈沖持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)致了直至激光脈沖作用結(jié)束，重組過(guò)程才剛剛發(fā)生，電子密度還是保持在較高的水平.

隨著激光脈寬的縮短，多光子電離的作用更加重要. 當(dāng)脈寬下降至300 fs時(shí)，如圖4(c)所示，飛秒激光極高的功率密度使焦點(diǎn)區(qū)域發(fā)生多光子電離，產(chǎn)生了大量的初始自由電子，之后雪崩電離過(guò)程才開始進(jìn)行，焦點(diǎn)區(qū)域自由電子密度到達(dá)峰值時(shí)間相比于激光脈沖到達(dá)峰值功率密度時(shí)間出現(xiàn)延遲，再經(jīng)過(guò)400 fs激光脈沖作用結(jié)束時(shí)重組過(guò)程尚未發(fā)生，電子密度仍處于峰值1021cm-3.

對(duì)于飛秒激光，自由電子密度受電子重組的影響可以忽略不計(jì)，但其脈沖長(zhǎng)度與瑞利長(zhǎng)度的尺度處于同一數(shù)量級(jí)，無(wú)法忽略不計(jì)，在瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)，自由電子密度會(huì)隨著位置不同而變化. 脈寬為300 fs且峰值功率密度達(dá)到擊穿閾值時(shí)瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)自由電子密度變化趨勢(shì)如圖5所示.

圖5 飛秒激光瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)電子密度演變規(guī)律

圖5(a)中，激光脈沖開始作用時(shí)，距離焦點(diǎn)最遠(yuǎn)處(z=-z_r)處最先電離產(chǎn)生自由電子，脈沖不斷向前傳輸，自由電子逐漸產(chǎn)生，隨著功率密度的提升，電子數(shù)量也不斷增加. 只有焦點(diǎn)區(qū)域(z=0)能達(dá)到擊穿臨界值，沿z軸遠(yuǎn)離焦點(diǎn)區(qū)域的自由電子密度峰值逐漸減小. 同樣，圖5(b)中看出，焦點(diǎn)中心處的自由電子密度最大，在光束邊緣(R=ω0)電子密度已經(jīng)降至1015cm-3. 所以對(duì)于飛秒脈沖，焦點(diǎn)中心處的自由電子密度最大，光學(xué)擊穿過(guò)程首先出現(xiàn)在焦點(diǎn)中心處. 而根據(jù)脈沖長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于納秒激光和皮秒激光，瑞利長(zhǎng)度相比于脈沖長(zhǎng)度可忽略不計(jì)，可認(rèn)為瑞利長(zhǎng)度范圍內(nèi)自由電子密度變化趨勢(shì)是一致的，擊穿現(xiàn)象發(fā)生在整個(gè)焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi).

激光脈寬不同導(dǎo)致自由電子密度的演變規(guī)律不同，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)舸╅撝荡嬖谝欢ú町悾?32 nm波長(zhǎng)脈沖激光的計(jì)算擊穿閾值和擊穿脈沖能量隨激光脈寬變化曲線如圖6所示. 可以發(fā)現(xiàn)，超短脈沖激光在很低的脈沖能量下即可達(dá)到極高的峰值功率密度，例如：脈寬300 fs的激光在焦點(diǎn)直徑15 μm，單脈沖能量?jī)H為5.3 μJ時(shí)，峰值功率密度即可達(dá)到1013W/cm2，而對(duì)脈寬20 ns的激光，要達(dá)到相同的峰值功率密度則需要0.35 J的單脈沖能量，即當(dāng)脈寬減小時(shí)，引起擊穿的單脈沖能量數(shù)值也逐漸降低. 考慮到激光與水射流耦合加工要通過(guò)提高單脈沖能量來(lái)提高耦合激光的功率. 相比于納秒激光，皮秒和飛秒激光脈寬過(guò)窄，峰值功率過(guò)高，會(huì)在更低的單脈沖能量下引起光學(xué)擊穿. 功率較低時(shí)無(wú)法形成有效加工，而增大單脈沖能量將造成光學(xué)擊穿，引起激光能量的顯著耗散，嚴(yán)重削弱耦合能束的加工能力，也無(wú)法進(jìn)行有效加工. 納秒激光的峰值功率密度相對(duì)較低，可以在增加功率時(shí)將單脈沖能量維持在擊穿能量以下，保證了耦合過(guò)程的順利進(jìn)行，因此，納秒激光更適合作為耦合的短脈沖激光光源.

圖6 計(jì)算擊穿閾值與擊穿脈沖能量和脈寬的關(guān)聯(lián)

3.2 激光誘導(dǎo)擊穿實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)激光焦點(diǎn)處的功率密度大于液體擊穿閾值，會(huì)造成擊穿，在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生密集等離子體通過(guò)逆韌致吸收獲得激光能量，局部溫度可達(dá)6 000～15 000 K，局部壓力量級(jí)可達(dá)1～10 GPa. 高溫高壓的環(huán)境使得等離子體向外擴(kuò)散并產(chǎn)生沖擊波. 激光脈沖作用結(jié)束后，等離子體保持?jǐn)U散趨勢(shì)，熱量使周圍液體蒸發(fā)，造成擾動(dòng)，在擊穿區(qū)域產(chǎn)生空化氣泡，氣泡不斷生長(zhǎng)，直到最后破裂，產(chǎn)生聲波信號(hào).

根據(jù)以上理論，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，逐步提升激光能量，對(duì)表1所用的飛秒激光器，水聽器探頭在脈寬300 fs，功率密度I=5.7×1012W/cm2的激光輻照時(shí)接收到了聲波信號(hào)，焦點(diǎn)區(qū)域在脈沖作用結(jié)束之后捕捉到即將破裂的空化氣泡，如圖7所示. 實(shí)驗(yàn)獲得的擊穿閾值與理論擊穿閾值基本一致.

圖7 飛秒激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿觀測(cè)結(jié)果

對(duì)表1使用的納秒激光器來(lái)說(shuō)，若要達(dá)到擊穿閾值，則需將功率提升至28.63 W，而激光器的最高功率僅為15 W，始終無(wú)法檢測(cè)到聲波信號(hào)，采用高速相機(jī)對(duì)焦點(diǎn)區(qū)域處進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)以及作用后并無(wú)氣泡產(chǎn)生，如圖8所示.

圖8 納秒激光功率為15 W時(shí)焦點(diǎn)區(qū)域觀測(cè)結(jié)果

此時(shí)峰值功率密度為2.12×1010W/cm2，遠(yuǎn)小于此參數(shù)下的計(jì)算擊穿閾值4.05×1010W/cm2，可認(rèn)為擊穿過(guò)程不會(huì)發(fā)生，利用該納秒激光器可實(shí)現(xiàn)激光與射流的高效耦合.

3.3 激光與水射流耦合加工效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用表1中的納秒激光器開展水導(dǎo)激光加工304不銹鋼的實(shí)驗(yàn)研究. 以3.1節(jié)仿真結(jié)果與3.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)選取水導(dǎo)激光加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表3所示. 首先進(jìn)行刻劃實(shí)驗(yàn). 值得注意的是，激光功率1 W時(shí)，耦合能束能量密度約為14.12 J/cm2，大于304不銹鋼損傷閾值1.72 J/cm2[14]，故激光與射流的耦合能束可以有效蝕除材料. 采用OLS3000激光共聚焦顯微鏡對(duì)溝槽尺寸進(jìn)行測(cè)量，得到溝槽深度和寬度隨激光功率和掃描次數(shù)的演變?nèi)鐖D9所示. 可以發(fā)現(xiàn)，溝槽寬度處于50～70 μm之間，且隨功率的變化并不顯著. 而溝槽深度隨著功率的提升增加較為明顯. 激光功率為1 W時(shí)，加工深度增加幅度較平緩，加工10次之后，溝槽深度就達(dá)到極限90 μm，不再隨次數(shù)增加，而激光功率大于等于2 W時(shí)，溝槽深度隨著掃描次數(shù)的增加迅速增加. 當(dāng)激光功率和掃描次數(shù)分別為5 W和20次時(shí)，溝槽深度可達(dá)400 μm.

圖9 不銹鋼表面溝槽尺寸

表3 水導(dǎo)激光刻劃不銹鋼實(shí)驗(yàn)參數(shù)

分析認(rèn)為，溝槽寬度與射流直徑和射流內(nèi)激光能量分布相關(guān)，為分析這一現(xiàn)象，使用SP620U光束質(zhì)量分析儀對(duì)耦合能束中的激光能量分布進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖10所示，激光在空氣中是常規(guī)高斯分布，而耦合能束中的激光是在水射流內(nèi)部經(jīng)全反射向前傳輸，呈現(xiàn)出類似于平頂光的分布. 當(dāng)激光功率較低時(shí)，射流邊緣區(qū)域的激光能量密度低于材料的蝕除閾值，因而溝槽寬度與射流直徑存在一定偏差，且激光功率越低，這一偏差越顯著. 而溝槽寬度對(duì)掃描次數(shù)并不敏感，這是由于激光能量被局限在射流內(nèi)部，且與上述類似的是，當(dāng)且僅當(dāng)射流內(nèi)能量密度高于材料蝕除閾值的部分才會(huì)引起有效蝕除，這一現(xiàn)象與掃描次數(shù)并無(wú)明顯關(guān)聯(lián).

而溝槽的深度與耦合能束內(nèi)平頂區(qū)域的能量密度有關(guān)，即更高的能量密度意味著更強(qiáng)的蝕除能力，這一點(diǎn)與激光直接燒蝕類似. 同樣掃描次數(shù)的增加也會(huì)導(dǎo)致槽深方向上有效蝕除量的增加. 但是當(dāng)激光功率一定時(shí)，槽深的增加幅度隨著掃描次數(shù)的增加逐漸減緩，這是由于槽內(nèi)部淤積了一定量的水層，這會(huì)引起耦合能束的發(fā)散以及激光的散射或折射，從而削弱了耦合能束的蝕除能力.

值得注意的是，較多的掃描次數(shù)不僅可以增加溝槽深度，還可以有效降低溝槽的錐度，提升溝槽的形貌質(zhì)量. 對(duì)比如圖11所示，其中激光功率為3 W. 隨著掃描次數(shù)的增加，水導(dǎo)激光耦合能束中激光能量的沉積愈發(fā)顯著，使得溝槽側(cè)壁與底部的材料溫升、相變、熔化更為充分，在水射流持續(xù)沖刷下材料去除量得到提升，溝槽深度顯著增加，錐度顯著降低.

圖11 掃描次數(shù)不同時(shí)的溝槽形貌

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用5 W的激光功率進(jìn)行水導(dǎo)激光切斷實(shí)驗(yàn). 掃描次數(shù)增加至32次. 加工過(guò)程如圖12(a)、(b)所示，A、C分別為切縫入口和出口，B為切縫壁面. 加工區(qū)域形貌如口(c)所示，切縫壁面齊整，有射流沖刷痕跡，且附著少許熔渣. 切縫入口處和出口處的邊緣齊整，并無(wú)明顯的燒蝕痕跡.

圖12 水導(dǎo)激光加工過(guò)程圖及結(jié)果圖

此外，為進(jìn)一步驗(yàn)證合適的激光光源對(duì)水導(dǎo)激光加工質(zhì)量的提升程度，采用同一光源、5 W的激光功率，分別進(jìn)行單一激光和水導(dǎo)激光切割304不銹鋼樣件的實(shí)驗(yàn). 采用200～2 000目、間隔200目的金相砂紙分別打磨切縫入口，并采用腐蝕液對(duì)入口處進(jìn)行腐蝕處理，其中腐蝕液是五水合硫酸銅、濃鹽酸和乙醇的比例為2∶5∶93的混合物. 腐蝕時(shí)間為4 s. 采用Leica DMi8金相顯微鏡對(duì)切縫入口的微觀組織進(jìn)行金相分析，對(duì)比如圖13所示. 結(jié)果表明，水導(dǎo)激光的加工質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于納秒激光，整體加工區(qū)域殘留的熱影響區(qū)和再鑄層極其微小. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明，選擇合適的激光光源，能夠有效提升水導(dǎo)激光的加工能力. 同時(shí)，水導(dǎo)激光可以在一些對(duì)加工質(zhì)量要求較高的工況中代替常規(guī)激光作為加工工具.

圖13 納秒與水導(dǎo)激光加工切縫的金相對(duì)比

4 結(jié) 論

為提升水導(dǎo)激光的加工能力，本文對(duì)激光與純水的耦合機(jī)制進(jìn)行了理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證. 在此基礎(chǔ)上選取合適的激光光源實(shí)現(xiàn)了304不銹鋼樣件的水導(dǎo)激光高質(zhì)量加工.

脈沖激光與水相互作用時(shí)，多光子電離和雪崩電離共同作用導(dǎo)致了光學(xué)擊穿的發(fā)生，對(duì)于納秒脈沖，電子重組導(dǎo)致了脈沖作用后期自由電子密度的下降. 但對(duì)于皮秒和飛秒脈沖，它的作用可以忽略不計(jì). 而自由電子密度演變規(guī)律的差異造成了光學(xué)擊穿閾值的變化，納秒激光誘導(dǎo)光學(xué)擊穿所需的脈沖能量最高，相比于皮秒和飛秒激光，擊穿過(guò)程不易發(fā)生，可以在保證耦合過(guò)程順利進(jìn)行的同時(shí)最大限度提升耦合能量. 因此，納秒激光更適合作為耦合的短脈沖激光光源.

采用納秒激光作為水導(dǎo)激光光源刻劃不銹鋼時(shí)，當(dāng)激光功率和掃描次數(shù)分別在1～5 W及5～20 W范圍內(nèi)，隨著加工次數(shù)和激光功率的增加，溝槽寬度變化較小，而溝槽深度增長(zhǎng)較為顯著，最深可達(dá)400 μm. 與單一納秒激光加工相比，水導(dǎo)激光加工獲得的切縫無(wú)明顯熱缺陷殘留. 在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步拓展水導(dǎo)激光在加工金剛石、碳纖維復(fù)合材料等難加工材料方面的應(yīng)用.