激光空泡在小孔中脉动过程的实验与数值模拟研究

发布时间：2020-05-17 11:19

【摘要】：激光水下打孔具有打孔效率高的优势,但打孔过程中激光与小孔和水三者的相互作用致水迁移促使熔渣大量排出过程的研究仍十分有限。本文针对激光水下作用过程,研究了孔径为数百微米且深度在毫米级的小孔中激光空泡脉动机理,为激光水下打孔提供理论参考。首先本论文通过实验观察得到纳秒激光作用小孔内水介质的瞬态过程,包括冲击波、相烧蚀、空泡脉动及水喷溅。在空泡膨胀阶段,自由水面形成水冢现象。在溃灭阶段,空泡溃灭产生射流,对孔底产生强力冲击。双泡脉动过程的溃灭形态和溃灭时刻明显不同于单泡脉动过程。确定空泡脉动为水迁移的主要机制,并将空泡脉动分为孔内膨胀、水面吸引和溃灭三个阶段。进而针对实验现象,基于流体力学理论,采用有限元法,模拟了空泡在注有水小孔中的脉动过程。由实验验证了数值模型合理性。进而通过数值计算揭示了初始泡压和空泡产生位置对空泡脉动过程的影响机制。初始泡压不断增大,单泡射流的速度和压强均不断增大。但当初始泡压达到35MPa时出现漏气现象,射流的速度和压强均减小。近水表面空泡初始泡压越大,对孔底空泡抑制作用越强。孔底空泡初始泡压越大,最终产生的射流速度和压强越大。空泡产生位置越靠近孔底,空泡脉动对水的迁移作用越强。空泡产生位置越靠近孔口,射流形成的时刻越早,射流速度和压强越大。最后,探究了孔深、孔径及孔形对空泡脉动过程的影响。研究结果表明2mm深小孔中空泡顶部泡壁半径和膨胀速度大于1mm和3mm深小孔中,孔深较大空泡膨胀出孔需要消耗更多泡能,孔深较小空泡膨胀出孔后过度膨胀消耗更多泡能,适中的孔深才能强化空泡对小孔中水的迁移作用。小孔半径越小,空泡顶部泡壁半径和膨胀速度增大,由于受到孔壁约束,泡能集中向孔外膨胀,孔径减小能强化空泡对小孔中水的迁移作用。孔形对于顶部泡壁半径和瞬时膨胀速度影响较大,由于孔壁约束空泡膨胀状态,锥形孔减弱空泡对小孔中水的迁移作用,倒锥形孔强化空泡对小孔中水的迁移作用。
【图文】：

成孔技术,油嘴,织构,筛网

拥有广泛的应用前景。激光微加工是激光制造业的基础，通常指加工尺寸在数百微米以逡逑内的激光加工工艺。激光打孔技术在激光微加工中具有重要地位，生活中常见应用如薄逡逑板筛网孔、油嘴喷孔以及刀具微织构等（如图１．１）。在医疗器械和航空航天等领域中，很逡逑多零部件上设计有小直径且高深径比的孔。例如：发动机涡轮叶片的冷却孔和手术针上逡逑的穿线孔等［１］。逡逑画？？？？＿「逡逑５？０邋Ｍｍ逦雪的邋ＢＯＳＣＨ逡逑图１．１激光成孔技术的应用ｄ逡逑（ａ）薄板筛网孔（ｂ）刀具微织构（ｃ）油嘴喷孔逡逑孔径在数百微米且孔深在毫米范围的小孔常用重复频率的纳秒激光来进行制备。然逡逑而纳秒激光打孔会出现再铸层、孔壁凹凸不平及熔渣飞溅等问题。这些缺陷一方面影响逡逑孔的质量，另一方面影响激光打孔的重复性。人们一直研宄改善激光打孔技术，研宄表逡逑明，在基体表面添加水层可以提高激光打孔过程中等离子体的反冲压力，同时水吸收热逡逑量减小热影响Ｒ，可以改善空气中激光打孔的再铸层问题，并避免熔渣沉积在孔内［＞５］。逡逑半导休材料的韧性和抗热震性差，激光水下打孔过程中水能减少热量累积，抑制裂纹形逡逑成［６，７］。但在激光水下打孔时会产生激光空泡，空泡在脉动周期内将向周围环境辐射冲击逡逑波，溃灭时在固壁表面产生指向靶面的高速水射流，，一般而言水射流冲击压力将大于等逡逑离子体冲击力，形成水迁移促使熔渣排出，防止熔渣再次沉积，但激光空泡的产生使成逡逑孔环境变得复杂

打孔机,强激光,空泡,等离子体

１．２激光水下打孔机理逡逑激光水下打孔过程可分为两个阶段：第一阶段，激光被水吸收，称为水吸收阶段；逡逑第二阶段，激光到达材料表面产生等离子体。激光水下打孔过程中，如图１．２所示，当逡逑强激光作用于靶材时，靶材表面熔化发生烧蚀，继续吸收激光能量产生高温高压等离子逡逑体［９］，形成反冲压力和激光空泡，冲击靶材表面成孔。逡逑＾ＨＬａｓｅｒ邋ｂｅａｍ逡逑Ｍｏｌｔｅｎ邋ｍａｔｅｒｉａｌ逦Ｂｕｂｂｌｅ逡逑ｐａｒｔｉｃｌｅ逦逦邋／逦逡逑图１．２激光水下打孔机理逡逑强激光作用于工件产生的等离子体与水相互作用，产生激光空泡，影响后续激光在逡逑工件表面的能量密度分布，影响打孔质量。激光水下作用时产生空泡按形成机制可分为逡逑两种：第一种，等离子体和熔融层向水中辐射能量，使空气析出形成热空泡；第二种，逡逑当激光能量密度达到水的击穿阈值，通过逆初致吸收和共振吸收，液体吸收激光能量产逡逑生等离子体空泡称为激光空化泡。逡逑空泡溃灭时在固壁表面产生指向靶面的水射流，水射流冲击压力大于等离子体冲击逡逑力
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

【参考文献】