超快激光制孔輔助吹氣優化的仿真與實驗研究

李 朋，賀 斌，田東坡，康 偉，焦 悅

(中國科學院 西安光學精密機械研究所，西安 710119)

引 言

飛秒激光脈沖具有極短的脈沖寬度和極高的峰值功率，與傳統長脈沖激光依靠熱熔的加工機理不同，其與物質相互作用時呈現強烈的非線性效應[1-2]，它主要依靠多光子吸收機制來加工。飛秒激光加工具有諸多優點[3-6]，例如材料適應性廣、極小化熱影響區、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生的等離子體屏蔽了大部分激光能量，導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，實現了高效高質量的微孔加工。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、氣同軸結構，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行深孔加工時，繼續采用小孔徑氣嘴的同軸吹氣結構很容易出現擋光現象，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，氣體到達工件表面的區域很大，而實際進入孔中的氣體很少，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，本文中設計了同軸和旁軸的雙路吹氣結構[11]，采用ANSYS軟件[12]對該種結構氣體流場進行仿真、分析，并進行了相關的實驗驗證。

1 ANSYS有限元模型建立及氣體流場數值模擬

1.1 模型的建立及主要參量的選擇

本文中設計的雙路吹氣結構如圖1所示。其中氣嘴1孔徑較大，可以保證光束螺旋轉動時不被遮擋，氣嘴2孔徑較小，可以提升去除微孔內殘渣的能力。利用ANSYS CFD軟件對雙路吹氣結構的氣體流場進行模擬分析，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，細實線代表輔助氣體入口，虛線代表非封閉區域。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表示環境壓力。對以上參量值進行設定，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

網格劃分采用非結構網格，相對結構網格而言，非結構網格編程比較復雜，但局部加密比較容易，易于顯示流場的細微結構，網格劃分結果如圖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模型進行描述[14-15]，其表達式如下所示：

(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，k為紊流脈動動能，ε為紊流脈動動能的耗散率，Sij為應變速率張量模量，其中Sij=(?ui/?xj+?uj/?xi)/2。

與標準k-ε模型相比，RNGk-ε模型方程中的常數是通過重正規化群理論分析得到，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，取值為αk=αε=1.39。另外方程中有一附加項R，其代表平均應變率對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是應變率張量的范數，η0是在均勻剪切流中的典型值，取為4.38。模型其它常數取為: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。

1.2 氣體流場模擬結果及分析

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流場分布，因此在結果分析時，主要分析微孔內部及周圍的動態流場以及流速矢量。

圖4a所示為p1=0.4MPa，p2=0MPa時動態流場分布情況。可以看出，在微孔內部動態氣壓很低，近似于0，這說明孔內氣體流動很小。在孔口周圍，動態氣壓形成一個圓弧形穹頂，且動態氣壓相較于外圍區域偏小，從孔內排出的粉塵容易在這個區域形成堆積。但是氣壓在遠離孔口的區域仍然很大，有助于將粉塵從工件上吹走。圖4b所示為p1=0MPa，p2=0.4MPa時動態氣壓情況?？梢钥闯觯變葎討B氣壓也很低，說明旁軸吹氣下孔內部氣體流動也很小。但是孔口周圍沒有穹頂，且動態氣壓相較于外圍區域偏大，因此材料不會出現孔口堆積現象。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行模擬分析，模擬結果如圖5所示。圖5a所示為p1=0.4MPa，p2=0MPa時孔內流場速度矢量圖。從圖中可以發現孔內部氣體為無方向隨機流動，因此加工過程中，等離子體粉塵在孔內也隨機流動，很難排出孔外。圖5b為p1=0MPa，p2=0.4MPa時孔內流場速度矢量圖。從圖中可以觀測到，內部氣體流動成U型且有方向流動，并且孔沿內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，將會起主導作用，氣嘴2的效果將會大大降低。因此當兩路氣體同時工作時，采用不同氣壓，即p1=0.4MPa，p2=1MPa,其動態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，在孔內部氣體形成有方向流動，孔口區域沒有低氣壓區，孔周圍區域仍然具有較強的吹塵能力。

2 雙路吹氣結構對制孔影響的實驗研究

圖7所示為利用同軸和旁軸雙路吹氣結構進行微孔加工的實驗裝置。主要由激光器、擴束器、反射鏡、光束掃描模塊、聚焦鏡、運動平臺、工件和計算機組成。其中激光器為飛秒激光器，其脈寬約290fs，重復頻率100kHz，功率0W～20W可調，波長1030nm，光束質量因子M2≤1.1。光束經過2倍可調擴束器后經過反射鏡進入光束螺旋掃描模塊，經聚焦鏡聚焦后實現微孔的加工。其中光束掃描模塊主要用于控制光束螺旋掃描運動，經聚焦鏡聚焦后，可實現孔徑為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厚鋼片上進行孔徑d=0.3mm的通孔加工，對其加工效率Q按下式進行計算:

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。結果如表1所示?？梢钥闯?，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、旁軸和雙路吹氣結構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域；雙路吹氣孔口及周圍最干凈，與前面仿真結果吻合。

Fig.8 Hole morphology at different air blowing modesa—coaxial blowing b—paraxial blowing c—double air blowing

3 結 論

通過ANSYS CFD軟件仿真了激光鉆孔過程中同軸吹氣、旁軸吹氣、雙路吹氣穩態下的流場狀態。仿真結果表明：采用同軸吹氣，微孔內部動態流場成無方向流動，不利于孔內等離子體粉塵排除，且孔口會形成低動態氣壓區，造成粉塵在孔口堆積；采用旁軸吹氣，微孔內部動態流場形成有方向流動，有利于等離子體粉塵排出，且孔口沒有低動態氣壓區，不會造成粉塵堆積孔口現象，但是孔口周圍動態氣壓區域較小，粉塵容易粘在工件上；采用雙路吹氣，既可以在孔內形成動態流場有方向運動，又有利于孔口和工件的潔凈。最后進行了試驗，驗證了仿真結果的準確性，采用雙路輔助吹氣既可以提高效率，又達到了潔凈加工的效果。