脈沖激光打孔聲波產生機理研究

盧 軼，馮愛新，2，戴峰澤，溫德平

(1．江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江212000;2．溫州大學機電工程學院，浙江 溫州325035)

1 引言

激光打孔因其加工速度快、效率高、工件裝夾方便、適用材料廣的特點，在工業中得到了廣泛的應用［1］。然而在孔加工過程中，存在許多問題，例如:打孔重復精度低、孔深難以控制、孔壁有熔融物和微裂紋等［2－4］，這些缺陷在孔的加工中是應極力避免的。

對激光打孔過程進行反饋控制是改進激光打孔質量的有效手段，通過對打孔過程中各種參數的采集并進行反饋控制可以精確控制打孔的速度與深度［5－7］，然而大部分的監控手段對監測設備的要求較高，無形中增加了生產成本。聲波信號因其檢測方便，設備成本低得到了國內外研究人員的關注，但目前只有少量針對激光打孔過程中的聲波信號的研究:P．Sheng［8］等人測量了CO2激光打盲孔、通孔時發出的聲波信號，認為聲波頻譜信號的變化是由輔助氣體與孔底的物理作用引起的;Simon Strgar［9］等人對Nd∶YAG激光打孔過程中的超聲波進行了測量，利用聲波在介質中的傳播時間和傳播速度計算得到打孔深度;Aristidis Stournaras［10］等人認為CO2激光打孔過程中測得的聲波信號是由輔助氣體吹入小孔發出的，提出小孔形狀的改變引起氣流運動的變化，進而導致聲波信號的波動。

目前大部分學者認為，聲波信號產生的主要原因是輔助氣體與孔的物理作用。他們所采用的輔助氣體氣壓往往較高，即針對的為強氣流輔助打孔法，而目前一般的打孔過程并不會采用很高的氣壓，輔助氣體的主要作用為保護切割頭與透鏡，且在小孔加工時輔助氣體很難吹入孔內。聲波信號的產生是否由其他機制引發，在較低氣壓下輔助氣體對于聲波信號有著怎樣的影響，本文將對此類問題進行研究。

2 實驗裝置

實驗采用HC3015型CO2激光切割機進行打孔實驗，激光器輸出功率恒定為4000 W，激光波長為10．6μm，激光輸出參數包含輸出頻率f，占空比p，和輸出時間(打孔時間)t。當f，p確定時，激光器的輸出脈寬w為:w=f－1×p，輔助氣體氣壓為0．05 MPa，激光切割機的焦點均設定于材料上表面。實驗的測量裝置由PVDF傳感器和ECR118型背極電容傳聲器組成，二者采得的信號由YOKOGAWA DL850示波器記錄并連接電腦做濾波處理。實驗材料為A3鋼，制成50 mm×10 mm×10 mm的金屬條，PVDF傳感器貼于材料背面，傳聲器支架高6 cm安裝在距激光輸出軸線15 cm處，且傳聲器與材料表面成30°角，實驗裝置的具體布置如圖1所示。

圖1 實驗裝置Fig．1 experimental setup

3 實驗結果與分析

3．1 激光打孔過程中聲波產生機制分析

圖2為占空比為6%，激光輸出頻率200 Hz，打孔時間500 ms，無輔助氣體時PVDF測得的沖擊波信號(如圖2(a)所示)和傳聲器測得的聲波信號(如圖2(b)所示)，從圖2(a)中可以看出聲波與沖擊波的總體趨勢一致。圖2(b)為圖2(a)中矩形區域的局部放大圖，圖中顯示局部聲波信號的前兩個幅值與PVDF信號趨勢一致，測得聲波第一峰值與PVDF第一峰值之間的時間差及聲波第二峰值與PVDF第二峰值之間的時間差均為0．00041 s，根據聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，計算得傳聲器與PVDF之間的距離為13．94 cm，與實際距離相符，可以看出打孔過程中測得的聲波信號是由PVDF所測得的信號衰減后得到。

圖2 打孔過程中聲波信號和PVDF信號Fig．2 Signals of PVDF and microphone

在打孔過程中，激光將孔底材料熔融并蒸發產生大量材料蒸汽，材料蒸汽與激光能量進一步耦合產生等離子體，隨后等離子體不斷吸收激光能量在孔壁限制的極小的空間內急劇膨脹，當孔內壓力超過一定閾值后發生爆炸，導致熔融材料由孔口向外噴出造成熔融物飛濺現象，同時爆炸引起的沖擊波作用于孔壁，形成向孔外傳播的壓縮波。激光能量的不斷輸入，陸續傳入的壓縮波會形成一個陣面陡峭的激波，當爆炸結束時，孔壁的壓力降低，從而形成一個向靶內傳播的稀疏波，稀疏波速度較快，很快與激波匯合，稀疏波與激波的疊加使波陣面的壓力降低，最終衰減為聲波離開材料表面，即聲波產生的原因為激光作用于材料后引發等離子沖擊波。

3．2 輔助氣體對聲波產生的影響

圖3(a)為占空比為6%，頻率200 Hz，打孔時間500 ms，輔助氣體為氧氣時的打孔聲波信號，圖3(b)為相同參數無輔助氣體時的聲波信號，由圖中可以看出:在打孔過程的500 ms內，聲波信號的輸出可分為多個階段(圖中標注)，圖3(a)的分段點在約200 ms和400 ms處，圖3(b)的分段點約在300 ms處，二者的第一階段波形相似但持續時間不同，在第二階段無輔助氣體作用時的聲波信號明顯減弱;然而，在氧氣作為輔助氣體時，打孔過程的后半段仍然保持了較大幅值的聲波信號輸出。

圖3 激光功率4000 W，p=6%，f=200 Hz，t=500 ms時打孔過程中的聲波信號Fig．3 Microphone signal during laser drilling with laser 4000 W，p=6%，f=200 Hz，t=500 ms

圖4 激光功率4000 W，p=3%，f=60 Hz，t=500 ms時打孔過程中的聲波信號Fig．4 Microphone signal during laser drilling with laser 4000 W，p=6%，f=200 Hz，t=500 ms

圖4 (a)、圖4(b)分別為占空比為3%，頻率為60 Hz，打孔時間500 ms，氧氣作為輔助氣體和無輔助氣體時的聲波信號。從圖4中可以看出占空比與頻率減小后輔助氣體對聲波信號的波形影響減弱，二者的聲波信號在整個打孔持續時間內保持了較為連續的聲波信號輸出，但圖4(a)的聲波信號仍然存在分段現象，氧氣為輔助氣體時聲波信號的最大值較大，而無輔助氣體時聲波信號的總體平均幅值大于前者。

綜合圖3和圖4的數據分析得出:在無輔助氣體且激光輸出頻率和占空比較高時，隨著激光作用時間的增長、孔深度的加深，孔內始終處于溫度較高的狀態，導致在孔的中上部維持了高溫高密的蒸汽層與等離子體層，使得大部分激光能量消耗在材料蒸汽等離子化以及等離子體對激光的吸收和屏蔽效應中，只有少部分激光能量到達孔底推進打孔過程。這些在孔中上部的蒸汽與等離子體由于靠近孔口，集聚的壓力能夠較快的得到釋放，因此發生的爆炸沖擊力小，產生的聲波信號較弱。

在氧氣作為輔助氣體時，氧氣起到兩方面作用:一方面氧氣在高溫下與材料發生氧化反應放出大量的熱，促進了材料融化，提高了聲波信號的幅值;另一方面氧氣吹散了孔口周圍以及孔內一定深度的高濃度等離子體和材料蒸汽，迫使其避開激光入射方向，從而激光能量能夠順利到達孔底推進打孔過程，并維持較高幅值的聲波信號輸出。但氧氣的引入也存在一定副作用，當氧氣到達激光與材料作用區域時，由于氧氣與材料發生的氧化反應使得過量的材料的融化，短時間內在孔中集聚了大量蒸汽，蒸汽加強了等離子體對激光的屏蔽作用，當孔內的蒸汽和等離子體超過一定閾值時，會暫時屏蔽大部分激光能量，造成聲波輸出信號急劇減少的現象，即圖3(a)和圖4(a)中的聲波分段現象。而后續輔助氣體的吹入又使得孔內的等離子和材料蒸汽濃度下降，屏蔽效應減弱，聲波信號恢復了一定幅值的輸出，當這部分氣體到達激光與材料作用區域時，氧氣與材料的化學反應又使得孔內材料蒸汽和等離子濃度上升，聲波信號再次發生間斷(如圖3(a)所示)，氧氣的物理作用和化學作用往復進行，造成了聲波信號時而連續時而分段的現象。

當輸出頻率和占空比較低時，孔內難以維持較高濃度的金屬蒸汽和等離子體，大部分的激光能量作用于孔底材料，因此在打孔過程中也能夠持續輸出一定幅值的聲波信號。

4 結論

(1)CO2激光打孔過程中聲波信號的產生主要由激光與孔內材料相互作用時誘導的等離子體沖擊波透過材料后衰減形成。

(2)無論有無輔助氣體，在打孔過程中都檢測到了聲波信號，輔助氣體不是產生聲波信號的必要條件，但輔助氣體可以影響聲波信號的輸出。

(3)氧氣作為輔助氣體時對聲波信號的輸出起到兩方面的作用:首先，氣流吹散了積聚在孔內的材料蒸汽和等離子體使其屏蔽效應減弱，維持輸出較為連續的聲波信號(物理作用);其次，氧氣與材料發生劇烈的放熱反應會加大材料的融化量，暫時增強材料蒸汽和等離子體的屏蔽效應(化學作用)，物理與化學作用的交替進行導致聲波信號出現分段現象。

(4)聲波信號可以反映出打孔過程中沖擊波信號的變化趨勢，將聲波與沖擊波的信號的幅值進行擬合，導出二者之間的關系就可以通過聲波來表征孔內沖擊力的大小，通過計算沖擊波導致孔內缺陷的閾值，則可以通過聲波預測孔內缺陷的發生，進而可以利用聲波幅值的大小來提高或降低激光能量，將孔內沖擊力控制在合理的范圍內。要實現聲波對激光打孔過程的調控還需要進行大量的更為深入的實驗研究。

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