同轴水射流辅助激光加工效率及锥度实验研究

王玉峰，王 斌，张广义，张文武

（中国科学院宁波材料技术与工程研究所，浙江宁波315201）

激光加工是利用高功率密度的聚焦激光束照射工件，使工件材料熔融或气化，从而实现工件材料的去除，具有速度快、效率高、精度好等优势。但是，在激光与工件材料相互作用过程中产生的热量会导致工件表面产生热影响层（HAZ）、再铸层等，通常需进行二次加工[1]。为了减小激光加工表面的热影响区和再铸层，国内外学者提出了超短脉冲激光加工、水导激光加工、水下激光加工、激光与电解复合加工等技术。

超短脉冲激光加工能实现工件材料的非热熔性去除，大幅减弱了热效应对加工表面的影响[2]。随着激光技术的不断发展及激光器性能的提高，超短脉冲激光加工在微细加工领域的应用日益增多[3]，但目前还存在设备成本高、激光传输效率低等亟待解决的问题。水导激光加工技术利用水射流带走热量和热熔渣，能有效解决激光加工的有效加工范围小、热熔渣、热影响区大等问题[4]。哈尔滨工业大学研究了水导激光加工的激光耦合机理、水束稳定性、激光束与水束耦合对中控制、加工装置研制等关键技术[5-6]。江苏大学采用有限体积法研究了水导激光加工的动力学过程，分析了加工中的热传递过程、相变过程和动边界传递过程[7-8]。德国联邦材料研究与测试研究所利用飞秒激光对比了空气和水中的激光加工结果，表明水中激光加工可避免加工表面的再铸层[9]。澳大利亚新南威尔士大学和山东大学合作研究了侧向水射流辅助激光过程的温度分布随时间的变化，表明水射流可及时带走加工热量，从而减小加工表面热影响层[10-11]。陈笑研究了高功率激光与水下物质的相互作用机理[12]。徐家文等提出了喷射液束电解与激光复合加工技术，利用电化学刻蚀效应去除激光加工产生的热影响层，通过数值仿真和实验研究揭示了喷射液束电解与激光复合加工的材料去除机理[13]。上述加工技术大幅减小了激光加工表面的热影响区，提高了加工表面质量，但在加工效率和加工精度方面还需进一步提高。

本文研究了液体环境中的同轴水射流辅助激光加工技术，探讨了材料去除机理，建立了同轴水射流辅助激光加工实验平台，研究了激光能量、水射流初始流速、喷口与工件间隙对加工效率和锥度的影响规律，并采用SEM对工件表面微观结构进行了检测。

1 同轴水射流辅助激光加工原理

如图1所示，在同轴水射流辅助激光加工中，激光光束通过水射流聚焦于液体环境中的工件加工表面，激光光束与水射流同轴分布，水射流高速流向并冲击加工区域。通过控制激光光束或工件的运动轨迹，可实现对不同轮廓微细结构的加工。

图1 同轴水射流辅助激光加工示意图

加工过程中，高速水射流可及时带走激光加工区域产生的热量、热熔渣等，获得表面清洁、热影响区小的加工表面；还可及时冲刷加工区域产生的光致等离子体、热熔渣等，减小等离子体对激光的屏蔽效应，提高激光加工效率。另外，液体环境中的悬浮粒子（气泡、热熔渣、杂质等）对激光光束具有一定的散射效应，有利于减小激光加工产生的锥度（图 2）。

图2 液体环境中的悬浮粒子对加工轮廓的影响

2 实验条件及方法

同轴水射流辅助激光加工实验装置主要包括：五轴运动平台、水射流与激光耦合装置、高功率纳秒激光器、激光光束传输系统、去离子水增压系统等（图3）。为了减小水中杂质对激光传输效率的影响，实验采用去离子水与激光光束耦合。同时，采用波长为532 nm的固体纳秒激光器作为加工光源；水射流与激光耦合装置的喷口直径为0.72 mm；激光光束经聚焦透镜聚焦后的光斑直径约为40 μm；工件选用厚度为1 mm的铝合金（7075）板件。

图3 同轴水射流辅助激光加工实验装置示意图

加工后，用激光共聚焦显微镜测量工件的轮廓形貌，用扫描电子显微镜（SEM）检测工件表面的热影响层、再铸层。加工效率以激光打穿1 mm厚度铝板工件的时间表示。同轴水射流辅助激光加工轮廓见图4，所加工轮廓具有一定的锥度，可表示为：

式中：θ为轮廓的锥度；Dintrance为轮廓入口直径；Dexit为轮廓出口直径；L为工件厚度。

3 实验结果及讨论

3.1 激光能量对加工效率和锥度的影响

由图5可知，加工时间和加工锥度均随着激光单脉冲能量的增加呈减小趋势，所用的同轴水射流的流速为20 m/s，喷口与工件间隙为5 mm。分析原因：激光能量越高，作用于加工表面的功率密度越高，工件材料的去除速率增大，加工效率提高。激光功率密度越高，金属蒸汽产生等离子体的膨胀压力越大，越有利于热熔渣等的抛出。在纳秒脉冲间隙，水射流可及时冲走加工区域的热量、热熔渣和等离子体，有利于激光光束传输至加工区域底部，从而提高激光加工效率。

图4 加工微孔轮廓示意图

图5 加工时间及锥度随激光能量的变化

3.2 同轴水射流流速对加工效率和锥度的影响

由图6可知，当激光能量为100%、喷口与工件间隙固定为5 mm时，加工效率和加工锥度均随着喷口处的同轴水射流流速的增加呈减小趋势。分析原因：水射流流速越大，作用于工件加工区域的压强越大，有利于水射流进入狭窄的加工区域，及时带走加工产生的热量、热熔渣和等离子体，也有利于激光传输光路的保持，从而提高加工效率。同时，高速的同轴水射流可冲刷加工表面，避免热熔渣等附着，减小其对加工锥度的影响。本文采用的水射流最大流速约为27 m/s，这是因为当射流速度大于该值时，在喷口直径为0.72 mm的条件下，水射流无法保持层流状态，激光无法高效率地传输至加工区域。因此，提高水射流的流速有利于提高激光加工效率和加工精度。

3.3 喷口与工件间隙对加工效率和锥度的影响

图7是加工效率和加工锥度随着喷口与工件间隙变化的趋势。当激光能量为100%、喷口水射流流速为20 m/s、喷口与工件间隙大于3 mm时，间隙越大则激光在去离子水中的传输路程越长、水射流的沿程压力损失越大，不利于水射流冲刷热熔渣、等离子体等，使加工时间增加即加工效率降低；当喷口与工件间隙小于3 mm时，加工效率随着间隙减小呈降低趋势，这是由于高速水射流在工件表面的反射流对水射流的稳定性有干扰，不利于激光光束的高效传输，即激光能量的损耗随着间隙减小而逐渐增大，导致加工效率下降。

图6 加工时间及锥度随同轴水射流流速的变化

同时，当喷口与工件间隙小于5 mm时，激光加工微孔的锥度随着间隙的增加而增大；当间隙大于5 mm时，加工锥度基本保持不变，且此时水射流作用于加工区域的压强相对较小，无法及时排出微孔中的热熔渣。激光加工微孔的锥度主要和激光能量相关，由于去离子水对于波长532 nm激光能量的吸收系数小于0.04[14]，随着间隙的增加，激光能量的损失相对较小，可保持加工锥度基本不变。

图7 加工时间及锥度随喷口与工件间隙的变化

3.4 微孔加工参数优化及加工表面质量检测

图8是分别在空气中进行激光打孔和同轴水射流辅助激光加工微孔的三维轮廓对比，所用激光能量为100%，水射流流速为25 m/s，喷口与工件间隙为3 mm。可见，在空气中激光加工微孔的锥度为10°，而同轴水射流辅助激光加工微孔的锥度为2°，且加工表面质量较好。

图9是在空气中和同轴水射流辅助激光加工微孔的侧壁表面微观结构。可见，同轴水射流辅助激光加工可避免在空气中进行激光打孔而引起的热影响层、再铸层和微裂纹等表面缺陷。

图8 激光加工微孔的三维轮廓对比

图9 激光加工微孔的侧壁表面微观结构对比

4 结束语

本文研究了液体环境下的同轴水射流辅助激光加工技术，对其加工机理进行了初步研究，通过建立加工实验装置分析了同轴高速水射流对加工微孔的效率、锥度的影响，总结了加工效率、锥度随激光能量、水射流流速、喷口与工件间隙的变化规律。实验结果表明，同轴水射流辅助激光加工效率随着激光能量、水射流流速的增加呈增大趋势，喷口与工件间隙约为3 mm时的加工效率较高；加工微孔的锥度随着激光能量、水射流流速的增加呈减小趋势，随着喷口与工件间隙的增加呈增大趋势，且当间隙大于5 mm时，加工锥度基本保持不变。利用优化的工艺参数，可加工出锥度约为2°且无热影响层、再铸层和微裂纹等的表面完整性好的微孔。