水-气缩流导光机制仿真与试验研究

张广义，潮 阳，张 正，郭春海，张文武

（ 中国科学院宁波材料技术与工程研究所，先进制造技术研究所，浙江宁波315201 ）

先进制造工艺与装备直接关系到国家核心竞争力，是产业转型升级的重要基础[1-2]。 水导激光加工技术作为材料加工的一种有效手段，可对高温合金、复合材料等进行精密加工，相对于传统短脉冲激光加工具有热影响损伤小、加工锥度小、深度能力强、加工表面清洁等优势，受到国内外学者广泛关注。

Bernold[3-4]将激光和水射流结合起来，发展了微射流型水助激光加工技术，该技术将激光聚焦进高压水腔的微小喷嘴内，喷嘴射出层流水柱，将激光传输到工件进行加工； 而后，Bernold 积极探索射流类水助激光加工工艺的新应用，提高其可靠性与分辨率，并推出了系列水导激光加工设备。 张文武[5-6]发明了液核光纤水助激光加工技术， 对金属、CZT晶体、CFRP 等材料进行了打孔和切割实验，加工分辨率约为0.5 mm；而后，其团队继续推进水导激光的应用，联合几家公司共同推出了五轴联动水导激光加工系统，但由于激光耦合的稳定性要求，这类机床的加工尺度一般不宜太大，直接应用到大尺度材料的加工非常困难。 此外，Jiao 等[7]研究了辅助液体对飞秒激光打孔锥度的影响，发现由于液体的等离子体作用和冲击波作用，挥发性液体能有效减小飞秒激光打孔过程中的残渣沉积， 减小孔的锥度。Adelmann 等[8]对比研究了光纤激光器干式切割与水助激光切割金属片的加工质量，发现水助加工几乎无残渣和热影响区，锥角非常小，而干式加工有一定的残渣与热影响区，锥角明显。Nath 等[9]开发了水助激光表面清洗工艺。 Romoli 等[10]对比研究了电火花与水助激光加工喷油嘴的工艺，证明水助激光加工是一种可靠的加工方式。Wang 等[11]研究了水助激光加工硅片的材料去除机理，发现热影响几乎可忽略不计。 王扬[12]等对高速稳定水流的流体动力学原理进行了研究， 研制出水导激光微细加工设备，射流直径低于100 μm， 展示了水助激光加工多方面的优越性。 叶瑞芳[13]研究了水压、射流速度、喷嘴结构参数对射流稳定性的影响。 詹才娟[14]模拟计算了水助激光加工中熔池内部的流动情形。

相比干式激光加工技术，水导激光加工具有诸多优势，但仍存在激光耦合功率低和工艺可靠性差的关键难题，严重影响激光加工效率与工件加工质量。 本文在现有水导激光加工技术的基础上，提出了一种水-气缩流传导激光加工机制， 通过仿真分析与实验验证的方式，阐述其大功率传导与工艺可靠性机制。

1 水-气缩流导光原理与层流特性

1.1 水-气缩流导光原理

图1 是水-气缩流耦合激光加工喷头示意图。利用环形气体将水柱同轴压缩，将毫米级水柱压缩至百微米级，实现水柱缩流效应；激光焦点可位于缩流段区域，实现激光焦点大口径耦合，经水-气界面全反射效应，将水导激光收缩至所需百微米级直径。 采用该方法可有效避免传统水导激光加工中焦点由于受到振动、微气泡、杂质等扰动对喷口的损伤，改善水导激光加工可靠性；另外，将有助于水导激光加工中高功率激光耦合，可提高加工效率。

1.2 水-气层流特性

图2 是水-气缩流水柱流动状态， 与传统水导激光水射流流动状态有所不同。 水-气缩流的流动过程可分为三个阶段： 第一阶段为水-气缩流保持段，气体的包覆作用使水柱收缩，此时气体的速度远远大于水流速度，高速气流的作用使水柱表层速度增大， 即水柱内部的速度低于水柱表层的速度，且随着与喷嘴口距离的增大，气体的包覆作用越来越弱，气体的速度逐渐减小，此阶段缩流水柱状态较稳定，表现为层流，为有效的层流长度；第二段为气体包覆作用消逝段， 由于与喷口距离逐渐增大，气体逐渐消散，此时水柱动压力沿射流轴线分量逐渐降低，射流的紊流动态特性显著，水柱逐渐由层流变为湍流；第三段为水气混合段，速度分布满足自相似性条件，该段的水柱及气体与环境介质完全混合， 射流轴向速度和动压力都处于较低的状态，雾化效果明显。

针对水-气层流结构特性，本文将利用水-气层流保持段作为有效加工距离，合理调整工件位置与工件厚度。

2 水-气缩流导光仿真分析

针对水气缩流导光特性，进行了基于Fluent 软件的流体力学仿真与基于Zemax 软件的光学仿真优化， 设置水柱出口直径D=0.5 mm、 总出口直径d2=1 mm、缩流段长度为2 mm，水柱压缩后的直径d1、层流速度与层流长度为优化目标参数。

2.1 水-气两相流仿真分析

水压大小设置为0.1 MPa， 通过改变气压值研究水气压力变化对层流特性的影响，缩流水柱的仿真相见图3，气压变化对层流直径、速度及长度的影响规律见图4。 仿真结果表明：水压保持0.1 MPa 不变时，随着气压不断增大，层流直径由0.41 mm 减小到0.02 mm；而层流速度随气压增加而逐渐增大，气压值在0.08 MPa 前，速度增加缓慢，之后迅速增大；层流长度仅在气压为0 时达到80 mm（空气计算域长度），随着气压的增大，层流长度基本保持在40 mm 左右，直到气压增大到0.11 MPa 时，出现气堵水现象，层流消失。

通过对试验现象进行分析总结得出：水压恒定时，气压增大导致层流直径减小、层流速度增大，层流长度基本恒定，一旦施加气压大过水压，层流长度会急剧缩短；同时，由层流速度增加趋势可看出，气压在0.08 MPa 之前， 由于速度增加趋势缓慢，层流缩流效果较稳定，继续增大气压时，速度急剧增大，层流水-气界面层变厚，层流稳定性变差。 综上可得出，在缩流比满足加工需要的情况下，气压控制在0.8 倍的水压以内， 能有效提升缩流水柱的稳定性。

2.2 全反射导光仿真分析

结合仿真结果得到层流缩流水柱，优选出水压0.1 MPa、气压0.075 MPa 时的层流状态作为全反射导光仿真的初始条件， 水柱直径由0.5 mm 缩减至0.1 mm。 对缩径层流的三维形貌进行仿形建模，利用Zemax 光学仿真软件，对其最终缩流出口平行段激光能量进行测量，并将测量值与初始输入激光能量作为耦合效率，对激光以轴向、径向、角度三个维度偏移方式下激光传输的可靠性进行研究，其偏差示意见图5，得到的仿真结果见图6。

由图6 可看出， 激光光斑在轴向偏移8.5 mm（-2.8～5.7 mm）、径向偏移0.3 mm（-0.15～0.15 mm）、角度偏移20°（-10°～10°）的条件下，均能满足耦合效率≥95%。 同时，当激光加工系统存在振动、水中杂质、气泡干扰的情况下，激光光斑可在较大范围扰动下保证喷口激光耦合的可靠性，使传统水导激光加工技术中光斑易破坏喷口的情况得到改善。

3 工艺试验验证

3.1 水-气缩流导光试验验证

利用石英玻璃，对优化后的喷口结构进行了样机加工及试验研究，结果见图7。 通过调节水-气压力大小可得到稳定层流，耦合装置射出的水柱可分为三段区域，分别为层流区、湍流区及破碎区。 层流区为激光在水气层流界面完成全反射并加工材料的有效区域，由于气体的包覆作用，该区域的层流水柱被压缩；气体的包覆作用沿轴线竖直向下逐渐减弱，水柱直径逐渐增大，层流逐渐演化为湍流，且水柱表面发生轻微波动，该区域的水柱不能与空气形成稳定界面，因而激光无法完成全反射，无法进行材料去除加工； 随着水柱以自由落体方式下落，水柱速度不断增大，当水柱速度大到足以摆脱表面张力束缚时， 水柱将在其边缘甚至内部破碎为水滴，这些水滴与空气混杂在一起，出现了大量的气-液界面，形成了破碎区。 此外，利用532 nm 纳秒激光器进行了水-气界面全反射界面导光试验， 由图7c 所示试验结果可看出，激光可在水气缩流层流界面完成全反射传导，利用仿真优化后的结构进行耦合效率试验，耦合效率可达95%。耦合，实现大深度、表面无热影响加工奠定了基础。

3.2 初步加工试验

为验证本方法的实际材料加工能力， 对1 mm厚7075 铝板进行打孔和切割加工试验， 层流水柱长度为20 mm，工件表面与喷口距离为10 mm。 用激光共聚焦显微镜测试加工后的样件表面质量和三维形貌，结果见图8。试验结果表明，水-气缩流传导激光加工方法具备一定的材料去除能力，打孔与切割材料表面几乎无热影响区，为后续大功率激光

4 结论

在传统水导激光加工基础上， 提出一种水-气缩流导光激光加工方法，解决了激光大功率耦合与工艺可靠性难题，得到以下研究结论：

（1）对水-气缩流原理进行了阐述，并对形成层流水柱结构状态进行了分析。

（2）利用流体力学与光学仿真分析方法，对水-气缩流特性进行了分析，可知激光光斑在轴向偏移8.5 mm、径向偏移0.3 mm、角度偏移20°条件下，均能满足耦合效率超过95%。

（3）通过试验方式验证了水-气缩流导光方法进行激光传导与材料加工的可行性，为试件的加工提供理论与实践的依据。