摘 要:針對毫秒激光打孔中物質的氣化和噴濺過程進行了實驗和數值研究。首先通過高速攝影技術得到氣化和噴濺過程出現時間及熔融物噴濺軌跡。進而基于流體力學理論，利用有限元法建立毫秒激光打孔的計算模型，模擬熔融物噴濺過程。實驗結果表明，隨著激光能量增加，噴濺顆粒軌跡更多地集中于材料表面的法線方向，噴濺持續時間增加。噴濺速度逐漸增加至 10 m/s 量級，之后由于熔融物比重降低則逐漸趨于飽和。數值模擬結果與實驗基本一致，小孔深度的增加造成了噴濺速度降低。

　　關鍵詞:激光打孔; 熔融物噴濺; 數值模擬

　　0 引言

　　激光作為一種高亮度的定向能束，如今已廣泛應用于醫學、工業、軍事等多個領域[1]。激光打孔技術具有加工效率高，適應于各類材料，可獲得大的深徑比和可批量群孔加工等優點。

　　在激光打孔中，噴濺現象是去除孔內熔融物的重要機制，它直接影響著小孔的最終深度和孔內形貌。當材料氣化時，熔融物首先將產生氣體形式的質量遷移，隨后當蒸氣引起的反沖壓力超過抑制熔融物遷移的表面張力等力的作用時，才能產生噴濺形式的質量遷移。Zhang [2]等利用攝影儀拍攝脈沖激光作用于鋁靶材時發生的材料熔融和液滴噴濺脫離靶材的現象。K.T.Voisey [3-4]通過實驗研究了激光打孔中的熔融噴濺現象，發現在 0.2 MW/mm2 功率密度的脈沖激光下，噴濺物的速度可達到 30 m/s，并提出了一個測量熔融物噴濺速率的新方法。

　　在解析研究方面，趙東方等人[5]將相變過程考慮入熱傳導方程后，利用顯熱熔法模擬了毫秒激光作用于金屬材料的液化和氣化過程。Chan 等人[6]考慮到材料的熱損傷，建立了一維穩態模型來描述孔內材料的蒸發和熔體排出過程。徐立君等人[7]建立了二維軸對稱模型，模擬了高斯分布的激光能量作用于材料后的溫度場變化，并討論了激光光斑半徑對溫度場分布的影響。Ng 等人[8]提出了一種計算模型，有效地預測了熔體噴濺速度及其對打孔速率的貢獻。臧彥楠[9] 等在軸對稱坐標下建立準穩態噴濺模型，通過解析計算研究了毫秒激光對鋁熔融液體噴濺過程，得到了靶材的溫度分布以及熔池的最終形貌。然而，由于激光打孔過程較為復雜，解析研究中常需要進行多種假設，無法綜合全面地模擬打孔過程。同時，利用解析模型難以實現對不穩定的液-氣界面的準確追蹤。

　　隨著數值方法的不斷發展，建立的數學模型囊括了部分復雜的物理過程，如流體流動和傳熱過程可通過計算流體力學方法( CFD) 來解決，液-氣界面可用流體體積法 ( VOF) [10]或水平集法[11]來追蹤。同時，造成噴濺的主要作用 力，即蒸氣產生的反沖壓力也被引入了 CFD 模型[11-13]。Park [10]等人利用 VOF 方法建立模型，通過分析激光在硅片表面打孔時的熔融液體飛濺現象，進而研究了打孔行為。雖然這些研究得到的孔形貌與實驗結果一致，然而對于實際熔融物的噴濺過程[14]卻沒有完全重現。可見，需要通過數值模擬方法研究毫秒激光打孔中的噴濺現象，并通過實驗對模擬結果進行檢驗。

　　本文首先采用毫秒激光進行打孔實驗，利用高速攝影術捕捉打孔過程，得到氣化和熔融物的產生及熔融的噴濺情況，研究熔融物的噴濺軌跡和速率。然后依據實驗建立模型，利用數值模擬技術模擬研究激光打孔過程熔融物的噴濺情況。最后將兩者結果進行比較，證明數值模型的正確性，得到噴濺過程的基本規律。

　　1 實驗

　　1.1 裝置及測量過程噴濺過程

　　是激光打孔效率高的主要原因，而熔融物的不完全噴濺將降低小孔的質量。從實驗方面，首先對噴濺過程進行了測量，實驗裝置如圖 1 所示。毫秒激光發出的激光光束通過透鏡聚焦于鋁板表面，將高速攝影儀置于鋁板側面，則可以捕捉打孔中熔融物沿垂直于鋁板表面方向的噴濺軌跡。采用的激光波長為 1 064 nm，光斑半徑約為 0.3 mm，脈寬為 2.5 ms，能量為 7.5 J～ 42.6 J。高速攝影儀的幀率為 4 261 fps，即在激光脈沖作用時間內可以捕捉 10 幀圖片。

　　1.2 實驗結果

　　圖 2 為激光對鋁板打孔過程中物質的氣化和噴濺過程，激光的能量為 7.5 J。由于蒸氣和噴濺產生時，溫度較高并輻射出一定強度的光，高速攝影捕捉到的亮光部分代表了噴濺和蒸氣。為了更好地觀察，對拍攝圖片做反色處理，圖中黑色的部分代表了蒸氣和噴濺。當激光作用到 0.23 ms時( 圖 2 ( a) ) ，鋁 板 發 生 氣 化，氣 體 噴 出。而 到 0.46 ms( 圖 2( b) ) ，由于激光能量較小，蒸氣消失，熔融的鋁液在氣化產生的反沖壓力作用下噴出小孔，從而觀察到了噴濺的顆粒。此后的照片中可以觀察到不連續的氣化產生，在 1.38 ms 之后，再也觀察不到氣化現象，同時也幾乎沒有熔融物噴出。可見對于低能量激光作用情況，雖然激光仍在持續照射，而鋁板內形成的小孔使激光束分布在孔內，對激光的吸收沒有平面情況強，導致了氣化和噴濺的截止。

　　為了進一步觀察和計算噴濺的路徑和速度，將拍攝的照片疊加起來，如圖 2( d) 所示。鋁液在反沖壓力作用下沿壁面噴出，而激光能量較弱時孔的壁面通常呈錐型，因而觀察到噴濺角度大多偏離鋁板的法線方向。從顆粒的軌跡來看，相鄰時間的顆粒位置變化較小，表明噴濺速度較小。通過將初始照片中的相對顆粒位置除以照片拍攝的間隔時間，得到噴濺顆粒的速度約為 2.7 m/s。

　　為了與低能量激光作用情況比較，給出了激光能量為 46.2 J 時的鋁板氣化及熔融噴濺過程，如圖 3 所示。在 0.23 ms時刻出現了較強的蒸發現象，而后在 0.46 ms 觀察到了熔融物的噴濺，此后兩種物質遷移過程貫穿了整個激光作用時間，直到 2.53 ms 結束，這個時間與激光脈沖作用時間相等。可見在較強激光作用下，激光大于鋁板的氣化與熔融閾值，始終存在物質遷移。得到的噴濺的軌跡圖 ( 圖 3( d) ) 表明，噴濺軌跡集中于垂直鋁板表面的方向，這是由于能量較大時小孔的孔壁幾乎垂直于鋁板法線。噴濺的軌跡較長，說明噴濺的初始速度較大，此時測得的速度約為 12.6 m/s。另外，還觀察到噴濺顆粒的間距在遠離孔面的位置處增加，表明顆粒的速度增加。可能的原因是，噴出的顆粒受到了持續產生的蒸氣作用，使得速度進一步提高到約 20 m/s。

　　在研究氣化和噴濺產生時間與過程之后，對噴濺的速度隨著激光能量的變化進行了分析。研究中僅考慮了激光作用初期的噴濺速度，未考慮蒸氣對噴濺顆粒的再次加速情況。圖 4 為噴濺速度隨激光能量變化的情況。由于大能量激光作用下，氣化現象更為明顯，在捕捉的照片中難以捕捉噴濺顆粒，同時蒸氣對噴濺顆粒還存在再次加速作用，因而只給出了 7.5 J～ 22.1 J 情況的結果。

　　由圖 4 可得隨著激光能量的增加，噴濺速度一開始增加，而后又趨于穩定。噴濺速度變化范圍約在 10 m/s 量級。激光能量增加，蒸發的材料增加，蒸氣引起的反沖壓力增加，則使得噴濺速度增加。有研究表明，大激光能量輻照下，氣化形式的質量遷移增加，而熔融物質減少，這可能是噴濺速率趨于飽和的原因。

　　2 毫秒激光打孔過程的數值模擬

　　2.1 模型

　　如圖 5 所示，基于流體力學理論，采用有限元方法，建立二維幾何模型來模擬毫秒激光對鋁板的打孔過程。為簡化計算過程，對模型提出如下假設: 1) 將計算中涉及的流體作為不可壓縮牛頓流體處理; 2) 將金屬蒸氣作為理想氣體處理，且對于入射的激光無影響; 3) 鋁液的沸點不受其他因素影響。

　　2.2 模擬結果

　　圖 6 為數值模擬得到的激光打孔中熔融物的噴濺過程圖，激光能量為 21 J。圖中深色與淺色部分分別表示氣體和鋁板，相交處是兩種物質的過渡。由圖 6( a) 可知在打孔剛開始階段，熔融物噴濺行為還比較弱，此時孔內的氣壓還比較小，且孔深還比較淺，孔壁比較平緩，熔融物的噴濺方向基本是垂直于材料表面的。在 0.3 ～ 0.4 ms( 圖 6 ( b) 、圖 6( c) ) 時，熔融物的噴濺行為比較劇烈，繼續到 0.5 ms時( 圖 6( d) ) 孔深進一步增加，可看到熔融物的噴濺開始減緩，這是由于孔形成后，底面變成了曲面，不利于熔融層內形成這種壓力，再者孔壁的坡度逐漸增加，也增加了熔融物噴濺的難度。

　　圖 7 為不同能量的激光作用下，熔融物噴濺速率。從 15 J 開始，材料出現明顯的噴濺，隨著激光能量的增加噴濺速率增大，并且在激光能量超過 20 J 之后，噴濺速率增加得更快。蒸發反沖壓力所帶來的物質噴濺的速度在 10 m/s 范圍。與實驗結果相比，計算得到的噴濺速率在量級上一致，但大能量激光作用下趨勢略有不同，這是由于實驗誤差與理想的計算模型共同帶來的。

　　3 結語

　　通過實驗研究了脈寬為 2.5 ms 的單脈沖毫秒激光對鋁靶材打孔過程中的熔融物噴濺情況。實驗結果表明: 隨著激光能量的增加，噴濺物的速度持續增加，隨后又趨于穩定。當激光能量為 7.5 J 時，氣化及噴濺現象在 1.38 ms 即截止。當激光能量為 46.2 J 時，熔融物噴濺速度達到約 12.6 m/s。進一步的模擬計算得到的噴濺速率在數值上與實驗結果比較一致，在變化趨勢上略有差異，考慮到實驗誤差與理想的計算模型所帶來的實驗誤差，實驗結果與模擬計算結果總體是相符的。研究結果對毫秒激光打孔過程中熔融物噴濺遷移現象提供理論依據，有助于激光打孔技術在加工領域的進一步應用。

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　　相關期刊推薦：《激光技術》(雙月刊)創刊于1971年，本刊是經國家科學技術部(原國家科委)批準向國內外公開發行的學術性刊物，是我國無線電電子學、電信技術類及物理類中文核心期刊，屬國家級科學技術刊物。