印四華，郭鐘寧，陳鐵牛，黃志剛，曾柏文

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

水下激光加工的爆發(fā)沸騰實(shí)驗(yàn)研究

印四華，郭鐘寧，陳鐵牛，黃志剛，曾柏文

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

為了探尋水下脈沖激光加工的合適焦點(diǎn)位置，并與空氣中的加工效果進(jìn)行對(duì)比，采用改變激光焦點(diǎn)位置轟擊導(dǎo)熱硅膠片的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用激光掃描共聚焦顯微鏡測(cè)量凹坑尺寸，并繪制了凹坑深度、寬度與焦點(diǎn)位置趨勢(shì)圖。用高速攝影儀拍攝水下激光加工現(xiàn)象，得到了等離子體閃光及其誘導(dǎo)產(chǎn)生的空化泡現(xiàn)象，并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：當(dāng)焦點(diǎn)位置在材料表面以下時(shí)，水下激光加工是熱傳導(dǎo)、等離子體沖擊波及空化泡沖擊波共同作用的結(jié)果，激光加工效率與激光焦點(diǎn)位置密切相關(guān)。

爆發(fā)沸騰；水下激光加工；激光焦點(diǎn)位置；激光誘導(dǎo)空化

爆發(fā)沸騰在各類文獻(xiàn)中有不同的術(shù)語(yǔ)，如：蒸汽爆炸、熱爆炸、急速相變、閃蒸、燃料-冷卻液反應(yīng)、液-液反應(yīng)等。雖然每個(gè)術(shù)語(yǔ)各有側(cè)重，但本質(zhì)上都是指在瞬態(tài)高熱流作用下，由高強(qiáng)度的熱質(zhì)交換而引發(fā)的一種急速的汽液相變，是一種熱力學(xué)、傳熱學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)相互耦合的復(fù)雜過(guò)程。利用高能量脈沖激光作為熱源，在微秒甚至納秒量級(jí)內(nèi)直接或間接加熱液體中的材料，是一種常用的爆發(fā)沸騰加熱方式。其特點(diǎn)包括：液體在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到極高溫度條件下的沸騰，溫升率達(dá)103～107K/s甚至更高；能量密度達(dá)到MW/m2量級(jí)；爆發(fā)式的汽泡形核與增長(zhǎng)，瞬間布滿整個(gè)加熱面附近的微薄區(qū)域；極端條件下產(chǎn)生很高的壓力激波，并出現(xiàn)由蒸氣和液珠組成的高速射流；加熱面的溫度變化極高、過(guò)熱邊界層很?。?］。在水下激光加工過(guò)程中，高能量激光直接照射溶液中的材料表面，使材料不僅發(fā)生熔化式的固－液相變，還進(jìn)一步使液體發(fā)生爆發(fā)沸騰式的液－汽相變，形成過(guò)熱液體和蒸氣的混合物。爆發(fā)沸騰是在激光清洗、水下激光切割、水下激光打孔等水下激光加工過(guò)程中普遍伴隨的現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的激光加工（如激光打孔、激光切割）均在空氣中進(jìn)行?？諝庵屑す饧庸み^(guò)程中，高密度激光能量快速集中在工件表面，瞬間達(dá)到萬(wàn)攝氏度，材料瞬間熔化甚至氣化噴出，同時(shí)，緊靠工件基體的一部分熔質(zhì)會(huì)很快凝固、結(jié)晶，形成再鑄層；在激光沖擊點(diǎn)附近，材料經(jīng)過(guò)快速的熔化和冷卻凝固，必然產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力；在應(yīng)力作用下，再鑄層上會(huì)產(chǎn)生微裂紋，并有可能滲入基體。工件表面存在的再鑄層、微裂紋和殘余應(yīng)力等缺陷會(huì)嚴(yán)重影響工件的疲勞強(qiáng)度，在負(fù)載時(shí)有可能導(dǎo)致整個(gè)基體的破壞，已成為空氣中激光加工的“唯一致命弱點(diǎn)”［2］。

而水下激光加工大大減少了空氣中激光加工出現(xiàn)的再鑄層、微裂紋和殘余應(yīng)力等缺陷，成為一種新的加工工藝。研究表明，水下激光加工與空氣中激光加工相比，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：① 由于水的冷卻作用，等離子較空氣中體積小、存在時(shí)間短，由此產(chǎn)生的屏蔽作用較小，水中燒蝕力將比空氣中大8～10倍，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)8～12倍［3］；水下的焦點(diǎn)直徑更小，提高了材料加工的能量密度，加工效率相應(yīng)提高；由于水的冷卻作用還可減薄加工表面的變質(zhì)層；②由于水介質(zhì)的不可壓縮性，等離子體向外膨脹過(guò)程中受到水介質(zhì)的約束作用，增加了對(duì)加工靶材的沖擊力，使加工效率得到提高；水下激光加工的效率是空氣中激光加工效率的4倍左右［4］；③由于爆發(fā)沸騰現(xiàn)象中會(huì)產(chǎn)生空化泡，在空化泡潰滅過(guò)程中會(huì)形成向靶面作用的高速射流，所產(chǎn)生的沖擊力往往可達(dá)到兆帕數(shù)量級(jí)，能對(duì)材料引起很大的撕裂破壞作用；④由于爆發(fā)沸騰過(guò)程中產(chǎn)生的水對(duì)流和沸騰蒸發(fā)，水的流動(dòng)和氣泡的不斷產(chǎn)生與破裂，有助于熔屑從加工區(qū)排出，避免碎片沉積，有利于提高加工表面質(zhì)量［5］。

根據(jù)材料的性能及加工要求，激光加工的焦點(diǎn)可位于工件之上，也可位于工件之下。為了得到較高的加工效率，激光焦點(diǎn)一般位于工件內(nèi)部。為了探索激光焦點(diǎn)對(duì)于水下激光加工導(dǎo)熱硅膠片的影響，尋找合適的加工焦點(diǎn)位置，設(shè)計(jì)并實(shí)施了本次激光焦點(diǎn)位置的單因素實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的爆發(fā)沸騰現(xiàn)象及焦距對(duì)加工的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，激光焦點(diǎn)距離導(dǎo)熱硅膠片表面-2～0 mm范圍內(nèi)有著相同的加工機(jī)理和規(guī)律。而激光焦點(diǎn)在導(dǎo)熱硅膠片表面上方時(shí)存在著不同的現(xiàn)象，有關(guān)這方面的詳細(xì)研究將另有報(bào)道。

1　水下激光加工實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

本文采用的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。脈沖激光器為Nd：YAG（Dawa-200），其輸出波長(zhǎng)為1064 nm，最大輸出能量為200 mJ，脈寬為6.7 ns，能量穩(wěn)定性≤0.8%，光束直徑為6.2 mm。激光經(jīng)衰減器調(diào)節(jié)能量后，由高反鏡的反射經(jīng)過(guò)設(shè)定的光路，最后經(jīng)凸透鏡聚焦于工件待加工處。用FieldMaxⅡ-TOP激光能量計(jì)測(cè)得入射凸透鏡之前的激光能量為12.3 mJ。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

有機(jī)玻璃水槽內(nèi)盛放蒸餾水，水面高于工件表面5 mm，水面上蓋有高透玻璃以防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的水滴飛濺至凸透鏡，并隨時(shí)擦拭高透玻璃上的飛濺水滴。有機(jī)玻璃水槽置于三維移動(dòng)平臺(tái)上，可沿X、Y、Z方向移動(dòng)，最小移動(dòng)距離為0.01 mm。有機(jī)玻璃水槽具有良好的透光性，LED光源正對(duì)高速攝影儀鏡頭入射，為高速攝影儀提供足夠的照明。使用的HiSpec5系類高速攝影儀，其最大分辨率為1696×1710，拍攝的圖像為黑白照片，該攝影儀每秒最多可記錄298 851張圖片。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用的加工材料為30 mm×30 mm×3 mm的導(dǎo)熱硅膠片（TP300），以硅膠為基材、添加金屬氧化物等各種輔材合成，其成分為硅膠和陶瓷。該材料導(dǎo)熱穩(wěn)定度好，有利于觀察激光熱效應(yīng)的影響；表面平整光滑，便于顯微鏡的觀察測(cè)量，易觀察到空化過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波、微射流對(duì)材料造成的破壞；硅膠材料可模擬人體軟組織。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為激光醫(yī)療、激光清洗、材料水下加工等水下激光加工提供參考。

傳統(tǒng)的激光加工均在空氣中進(jìn)行，通過(guò)調(diào)整激光焦點(diǎn)相對(duì)于工件的不同位置進(jìn)行加工。本實(shí)驗(yàn)中，激光經(jīng)凸透鏡聚焦，其光路在聚焦之前呈錐形，進(jìn)入蒸餾水后由于水的折射作用，使激光實(shí)際焦點(diǎn)下移一定距離，但并不影響本實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)結(jié)果和相關(guān)結(jié)論的討論，因此將激光在空氣中的焦點(diǎn)位置視為水下激光焦點(diǎn)位置。實(shí)驗(yàn)中，用激光調(diào)相紙確定激光在空氣中的焦點(diǎn)位置，調(diào)節(jié)三維移動(dòng)平臺(tái)的Z向高度，以改變材料表面相對(duì)于激光焦點(diǎn)的位置，調(diào)整焦點(diǎn)間隔距離為0.05 mm。分別在空氣及水中進(jìn)行激光加工，對(duì)這兩種加工效果進(jìn)行對(duì)比。

為了消除隨機(jī)誤差的影響，在每個(gè)激光焦點(diǎn)位置對(duì)材料表面進(jìn)行單脈沖激光加工5次，得到5個(gè)不同的凹坑。三維移動(dòng)平臺(tái)沿X、Y水平方向移動(dòng)硅膠，移動(dòng)間距為1 mm，以保證激光加工所得的每個(gè)凹坑之間互不影響。用激光掃描共聚焦顯微鏡OLS4000放大216倍測(cè)量每個(gè)凹坑的寬度和深度。對(duì)每個(gè)激光焦點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的5個(gè)凹坑尺寸求取平均值，以繪制凹坑深度/寬度-激光焦點(diǎn)位置趨勢(shì)圖。用高速攝影儀對(duì)多個(gè)激光焦點(diǎn)位置處的水下激光加工過(guò)程進(jìn)行拍攝，觀察激光等離子體閃光及爆發(fā)沸騰現(xiàn)象中空化泡的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。-1 mm焦點(diǎn)位置處的加工現(xiàn)象具有代表性，并對(duì)其進(jìn)行了展示。最后，結(jié)合爆發(fā)沸騰、空化理論解釋導(dǎo)熱硅膠片破壞的機(jī)理。

2　激光能量損失及功率密度

激光在液體中傳輸會(huì)造成能量損失，吸收和散射是激光能量損失的兩大因素。根據(jù)微粒光散射理論［6］可知：散射強(qiáng)度與微粒大小、波長(zhǎng)長(zhǎng)短密切相關(guān)，主要分為瑞利散射、米氏散射和非選擇性散射。瑞利散射主要是由分子、原子和離子引起的，對(duì)于波長(zhǎng)超過(guò)1 μm的紅外光影響很小。由于散射引起的能量損失取決于溶液中所含微?；螂s質(zhì)的數(shù)量，對(duì)于蒸餾水這種雜質(zhì)含量較少的液體來(lái)說(shuō)，被散射掉的紅外激光的能量可忽略不計(jì)。

水下光程越長(zhǎng)，蒸餾水對(duì)激光能量的吸收越多。圖2是純凈水對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收曲線。橫坐標(biāo)為激光的波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為激光被完全吸收所穿過(guò)的溶液長(zhǎng)度。水下激光能量的變化可通過(guò)Beer-Lambert法則得出：

式中：Ix（λ）為在液體中傳輸路程為x后的激光能量；I0（λ）為激光到達(dá)水面表層的能量；u（λ）為光束衰減系數(shù)，表示激光傳輸1 m距離后能量衰減的對(duì)數(shù)值（自然對(duì)數(shù)），單位為m-1?！?1/u（λ）為激光在溶液中的吸收長(zhǎng)度，即激光被完全吸收穿過(guò)的溶液長(zhǎng)度，則Beer-Lambert法則還可寫(xiě)為：

由式（2）可方便地估算出不同水深的激光衰減比例。由文獻(xiàn)［7］可知，1064 nm激光在純水中的衰減系數(shù)為34.2438，其對(duì)應(yīng)吸收長(zhǎng)度為29.202 mm。本文采用的水深為5 mm，此時(shí)紅外激光被吸收了約17.12%。而本實(shí)驗(yàn)中入射凸透鏡之前的激光能量為12.3 mJ，則到達(dá)導(dǎo)熱硅膠片表面的激光能量為10.19 mJ。

圖2　純凈水對(duì)不同真空中波長(zhǎng)的激光吸收曲線［5］

水下激光加工是借助高能量密度的激光束直接作用于被加工材料表面，使材料熔化、氣化，從而去除材料。因此，它也是一個(gè)伴有相變過(guò)程的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。當(dāng)聚焦的激光束作用于被加工材料表面時(shí)，激光高斯光束徑向功率密度的計(jì)算公式為：

式中：R為光斑半徑；x為距光斑中心點(diǎn)的徑向距離；I0為光斑中心的峰值功率密度。

在理想情況下，針對(duì)基模高斯光束在空間分布的特點(diǎn)，將激光加工凹坑的工件從光斑中心進(jìn)行剖開(kāi)，建立一個(gè)描述激光加工過(guò)程的二維非線性瞬態(tài)熱平衡方程［8］，即：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為密度；c為比熱容；qv為熱流密度；初始邊界條件為T(mén)（x，y，0）=T0，T0為環(huán)境溫度。

3　激光加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

激光加工有熱加工和冷加工兩種，本實(shí)驗(yàn)使用的YAG激光為紅外光，激光輻照在金屬或非金屬工件上，基于熱效應(yīng)使工件升溫、熔化或氣化，以完成各種加工，屬于熱加工。激光能量的橫向分布一般是柱面對(duì)稱的高斯分布：

式中：I（0）為光軸處（r=0時(shí)）的能量；w為光束半徑；r為距光軸處的距離。此時(shí)，光強(qiáng)在波面上不相等，中心強(qiáng)、邊緣弱。設(shè)波長(zhǎng)為λ，焦點(diǎn)處光斑半徑為ω0，則距焦點(diǎn)△l處的光斑直徑為［9］：

由圖3可知，空氣中激光加工導(dǎo)熱硅膠片時(shí)，激光焦點(diǎn)在導(dǎo)熱硅膠片表面以下并逐漸上升靠近導(dǎo)熱硅膠片表面的過(guò)程中，所形成的凹坑尺寸逐漸增大。這是因?yàn)榧す庾饔孟虏牧衔占す饽芰康倪^(guò)程和隨后往內(nèi)部傳遞熱能的過(guò)程遵守?zé)崃W(xué)基本定律，加熱過(guò)程速度極快、溫度梯度大。激光焦點(diǎn)在導(dǎo)熱硅膠片下方較遠(yuǎn)時(shí)，投射至工作表面的光斑面積較大，能量密度較小，尚未達(dá)到擊穿導(dǎo)熱硅膠片的能量閾值，僅光斑中心處能量較高，燒蝕形成尺寸較小的凹坑；隨著激光焦點(diǎn)靠近導(dǎo)熱硅膠片表面，激光能量密度逐漸增大，產(chǎn)生的凹坑尺寸隨之增加。且根據(jù)后續(xù)實(shí)驗(yàn)可知，激光焦點(diǎn)位于材料表面上方1 mm左右位置處破壞性最大，這是空氣中加工導(dǎo)熱硅膠片的特有現(xiàn)象。但如果焦點(diǎn)太高，會(huì)因?yàn)榉稚⒛芰棵芏榷鵁o(wú)法繼續(xù)加工。

圖3　凹坑深度、寬度與焦點(diǎn)位置趨勢(shì)圖

在水下激光加工過(guò)程中，隨著激光焦點(diǎn)靠近導(dǎo)熱硅膠片表面，所形成的凹坑尺寸逐漸減小，展現(xiàn)出與空氣中激光加工導(dǎo)熱硅膠片完全相反的趨勢(shì)。這是因?yàn)榧す饽芰客渡渲翆?dǎo)熱硅膠片表面，在水的約束作用下，激光能量密度超過(guò)了導(dǎo)熱硅膠片的擊穿閾值，在激光焦點(diǎn)逐漸接近材料表面的過(guò)程中，激光投射至材料表面的影響面積越來(lái)越小，導(dǎo)致加工得到的凹坑尺寸逐漸減小。

當(dāng)激光焦點(diǎn)位置在導(dǎo)熱硅膠片表面以下2 mm的時(shí)候，水下激光加工得到的凹坑尺寸是空氣中激光加工所得凹坑尺寸的4倍左右；隨著激光焦點(diǎn)逐漸靠近導(dǎo)熱硅膠片表面，水下激光加工得到的凹坑尺寸逐漸接近空氣中激光加工所得的凹坑尺寸；當(dāng)激光焦點(diǎn)位置在導(dǎo)熱硅膠片表面以下1 mm處時(shí)，水下激光與空氣中激光加工得到的凹坑尺寸相等；然后，隨著激光焦點(diǎn)繼續(xù)接近導(dǎo)熱硅膠片表面，水下激光加工得到的凹坑尺寸將小于空氣中激光加工所得的凹坑尺寸，這是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了水下激光加工效率是空氣中激光加工效率的4倍左右，并認(rèn)為這是水對(duì)激光等離子體的約束作用造成的，這種“約束模式”限制了等離子體的噴射，可將沖擊波峰值提高近一個(gè)量級(jí)，持續(xù)時(shí)間展寬提高2～3倍［10］。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果表明，水下激光加工效率與激光焦點(diǎn)的位置密切相關(guān)，只有當(dāng)激光焦點(diǎn)位于材料表面以下一定距離的時(shí)候，激光熱擊穿材料產(chǎn)生的等離子體在水的約束作用下，才能高于空氣中激光加工效率。這對(duì)于激光水下加工是一種有益的探索和補(bǔ)充。

用激光共聚焦（3D測(cè)量）顯微鏡放大216倍后測(cè)得的凹坑形貌見(jiàn)圖4。寬度為138.667 μm，高度為37.260 μm。從凹坑形貌可看出，凹坑周圍沒(méi)有材料堆積，凹坑呈錐形，符合激光能量高斯分布的特點(diǎn)。由此可推斷該焦點(diǎn)位置處，凹坑的形成主要是由于激光等離子體的燒蝕作用，激光能量在水的約束下大大超過(guò)了導(dǎo)熱硅膠片的擊穿閾值，而將材料氣化。根據(jù)高速攝影結(jié)果（圖6）可知，空化泡對(duì)外輻射的沖擊波也起到了輔助加工的作用。該激光焦點(diǎn)位置處，激光對(duì)導(dǎo)熱硅膠片表面的加工質(zhì)量好，可應(yīng)用于微納加工。

圖4　激光焦點(diǎn)位于導(dǎo)熱硅膠片以下1 mm處的凹坑形貌

4　激光焦點(diǎn)距離導(dǎo)熱硅膠片以下1 mm處的加工現(xiàn)象及機(jī)理

4.1激光焦點(diǎn)及等離子體作用機(jī)理

本實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)于圖3所示激光焦點(diǎn)距離導(dǎo)熱硅膠片以下1 mm處的高速攝影圖像，具有代表性，能反映激光焦點(diǎn)位于導(dǎo)熱硅膠片表面至以下2 mm范圍內(nèi)的加工現(xiàn)象。激光在水中傳播的圖像見(jiàn)圖5，激光光路右側(cè)為參照物，拍攝參數(shù)如下：分辨率1696× 1710；幀率6 fps；曝光時(shí)間142 855 μs。由于激光等離子體在焦點(diǎn)處有逆著激光入射方向后退的趨勢(shì)［11］，而本實(shí)驗(yàn)中激光焦點(diǎn)位于導(dǎo)熱硅膠片表面以下，熱擊穿導(dǎo)熱硅膠片材料產(chǎn)生高溫高壓等離子體，則等離子體逆著入射方向后退的趨勢(shì)更明顯，激光焦點(diǎn)上方發(fā)生光擊穿形成如珠串一樣的光柱。

圖5　激光光路攝影

4.2水下激光加工現(xiàn)象及機(jī)理

圖6是激光焦點(diǎn)在導(dǎo)熱硅膠片表面以下1 mm處的高速攝影圖像。每一個(gè)序列拍攝出了一個(gè)脈沖激光加工導(dǎo)熱硅膠片的全過(guò)程，拍攝參數(shù)如下：分辨率480×1040；幀率2490 fps；曝光時(shí)間52 μs。圖6a～圖6d的第一幅圖片顯示，激光直接作用于導(dǎo)熱硅膠片表面導(dǎo)致急劇升溫，在周圍的蒸餾水環(huán)境中產(chǎn)生爆發(fā)沸騰，誘導(dǎo)產(chǎn)生較大的球形空化泡；但導(dǎo)熱硅膠片表面同一位置經(jīng)多次脈沖的轟擊，球形空化泡逐漸矮化貼附于材料表面，體積越來(lái)越小，直至圖6e、圖6f的第一幅圖片所顯示的那樣，激光在凹坑內(nèi)更低位置熱擊穿導(dǎo)熱硅膠片產(chǎn)生等離子體閃光，繼而對(duì)外拋出小的空化泡，小空化泡在等離子體沖擊波、水的浮力作用下上升。這是因?yàn)殡S著多次激光脈沖的作用，硅膠材料被燒蝕氣化，形成的凹坑深度逐漸增大；激光熱擊穿凹坑內(nèi)部材料產(chǎn)生的等離子體位置越來(lái)越低，激光等離子體與蒸餾水接觸得越來(lái)越少，爆發(fā)沸騰產(chǎn)生的環(huán)境條件受到了極大的局限，較大的球形空化泡消失。此時(shí)，材料內(nèi)部的破壞作用主要是激光擊穿導(dǎo)熱硅膠片產(chǎn)生等離子體燒蝕引起的，空化泡的潰滅微射流、沖擊波破壞作用居次要地位。

圖6　高速攝影序列圖

本實(shí)驗(yàn)需使用較低幀率、較長(zhǎng)曝光時(shí)間以拍攝較大范圍的變化情況，所以捕捉到的圖像有限，未能拍攝到空化泡的膨脹、收縮、潰滅反彈的振蕩現(xiàn)象。激光焦點(diǎn)均位于導(dǎo)熱硅膠片表面以下，誘導(dǎo)產(chǎn)生的空化泡無(wú)量綱距離γ（壁面距泡心的距離與最大泡半徑的比值）均小于1，且接近于0。在空化泡脈動(dòng)過(guò)程中，射流產(chǎn)生的隨后時(shí)刻在空泡收縮到最小體積時(shí)還會(huì)輻射聲脈沖沖擊波，而沖擊波作用能激活受壓材料中的初始位錯(cuò)，使之增值和運(yùn)動(dòng)。由文獻(xiàn)［12］的研究結(jié)果可知，當(dāng)γ＜0.67時(shí)，射流沖擊力強(qiáng)度減弱，空蝕損傷機(jī)制則以空泡潰滅后期對(duì)外輻射的沖擊波為主。文獻(xiàn)［3］的研究表明，空泡在最后潰滅階段對(duì)外輻射的聲脈沖與溶液中激光等離子沖擊波的幅值相當(dāng)，約幾百兆帕。超急速爆發(fā)沸騰產(chǎn)生的高壓氣體是驅(qū)動(dòng)液體運(yùn)動(dòng)的良好動(dòng)力，空化泡在加熱后的導(dǎo)熱硅膠片表面上長(zhǎng)大和脫離，使蒸餾水出現(xiàn)強(qiáng)烈的擾動(dòng)和混合，同時(shí)，這些氣泡還破壞著加熱表面的熱邊界層，從而使加熱表面與蒸餾水之間的傳熱強(qiáng)度顯著提高。當(dāng)氣泡長(zhǎng)大膨脹時(shí)，會(huì)把加熱壁面上的液體驅(qū)趕出去，而當(dāng)氣泡脫離后，一部分較低溫度的蒸餾水又被吸入到產(chǎn)生氣泡的地點(diǎn)。由此可得出結(jié)論：激光水下加工過(guò)程中產(chǎn)生爆發(fā)沸騰現(xiàn)象，少量脈沖轟擊導(dǎo)熱硅膠片表面，爆發(fā)沸騰現(xiàn)象中產(chǎn)生的較大球形空化泡，對(duì)導(dǎo)熱硅膠片的破壞作用主要是通過(guò)沖擊波的破壞引起的。較大空化泡振蕩潰滅過(guò)程中，提高了傳熱強(qiáng)度，帶走加工區(qū)域的碎屑，提高了加工速率。

紅外激光水下加工硅膠的過(guò)程是通過(guò)激光的熱效應(yīng)進(jìn)行加工，激光束攜帶的能量在時(shí)間和空間上高度集中，導(dǎo)熱硅膠片表面的溫度可在幾納秒時(shí)間內(nèi)達(dá)到上萬(wàn)度，使材料瞬間熔化；繼續(xù)加熱材料表面溫度達(dá)到氣化溫度時(shí)，會(huì)形成大量蒸汽粒子噴射出去，同時(shí)熔化的材料大部分被夾帶著噴出。蒸汽粒子服從與表面溫度對(duì)應(yīng)的麥克斯韋速度分布，但它們的速度矢量均背離表面，該現(xiàn)象發(fā)生在離表面僅幾個(gè)平均自由程的Knudsen層內(nèi)（其數(shù)量級(jí)一般為幾微米）。蒸汽粒子繼續(xù)吸收激光能量而導(dǎo)致雪崩或電離，形成高溫高密度的等離子體，誘導(dǎo)蒸餾水產(chǎn)生空化泡。這也是圖6e、圖6f的第一幅圖片拍攝到的對(duì)外拋出小空化泡現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。爆發(fā)沸騰氣泡群的整體運(yùn)動(dòng)速度較小，爆發(fā)沸騰發(fā)生的過(guò)程非常短暫。雖然流動(dòng)、擾動(dòng)等相關(guān)傳熱因素可能存在一定程度的影響，但是起主導(dǎo)作用的機(jī)制是導(dǎo)熱過(guò)程［1］。由此可得出結(jié)論：激光水下加工過(guò)程中出現(xiàn)爆發(fā)沸騰現(xiàn)象，其破壞機(jī)理主要是激光能量的熱傳導(dǎo)、蒸汽粒子的反沖作用力和等離子體沖擊波。

5　結(jié)論

（1）空氣中激光加工導(dǎo)熱硅膠片，激光焦點(diǎn)在材料表面以下并逐漸上升靠近表面的過(guò)程中，形成的凹坑尺寸逐漸增大。這是因?yàn)榻裹c(diǎn)在材料下方較遠(yuǎn)時(shí)，激光光斑周圍能量密度較小，尚未達(dá)到熱擊穿導(dǎo)熱硅膠片的能量閾值。僅僅光斑中心處能量較高燒蝕形成尺寸較小的凹坑；隨著激光焦點(diǎn)靠近導(dǎo)熱硅膠片表面，光斑能量密度逐漸增大，產(chǎn)生的凹坑尺寸隨之增加。

（2）水下激光加工過(guò)程中，隨著激光焦點(diǎn)靠近導(dǎo)熱硅膠片表面，形成的凹坑尺寸逐漸減小。這是因?yàn)榧す饽芰客渡渲翆?dǎo)熱硅膠片表面，在水的約束下激光能量密度超過(guò)了導(dǎo)熱硅膠片的擊穿閾值，在激光焦點(diǎn)靠近導(dǎo)熱硅膠片表面的過(guò)程中，激光投射至導(dǎo)熱硅膠片表面的影響面積越來(lái)越小，且水對(duì)激光等離子體的冷卻作用導(dǎo)致激光等離子體的體積較空氣中小，由此導(dǎo)致凹坑尺寸逐漸減小。

（3）人們已發(fā)現(xiàn)了水下激光加工效率是空氣中激光加工效率的4倍左右，且認(rèn)為這是因?yàn)樗募s束作用增強(qiáng)了等離子體的燒蝕破壞性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水下激光加工效率與激光焦點(diǎn)位置密切相關(guān)，激光焦點(diǎn)在距離導(dǎo)熱硅膠片表面以下2 mm的時(shí)候，水下激光加工得到的凹坑尺寸是空氣中激光加工所得凹坑尺寸的4倍左右；隨著激光焦點(diǎn)逐漸靠近導(dǎo)熱硅膠片表面，水下激光加工得到的凹坑尺寸逐漸減小，激光焦點(diǎn)在導(dǎo)熱硅膠片表面以下1 mm位置處，二者加工尺寸相等；1 mm位置以上時(shí)，空氣中激光加工效率高于水下激光加工效率。

（4）水下激光加工時(shí)，焦點(diǎn)位于導(dǎo)熱硅膠片表面以下，出現(xiàn)爆發(fā)沸騰現(xiàn)象，其破壞機(jī)理主要是激光能量的熱傳導(dǎo)、蒸汽粒子的反沖作用力和等離子體沖擊波；少量激光脈沖轟擊形成的凹坑深度較淺，產(chǎn)生的球形空化泡較大，空化泡對(duì)導(dǎo)熱硅膠片的破壞作用主要是通過(guò)沖擊波的破壞引起的。空化泡的振蕩、潰滅提高了傳熱強(qiáng)度，帶走了加工區(qū)域的碎屑，提高了加工速率；但隨著多脈沖的作用，硅膠材料經(jīng)過(guò)激光等離子體的燒蝕氣化，凹坑越來(lái)越深，爆發(fā)沸騰產(chǎn)生的環(huán)境條件受到了極大的局限，空化破壞的影響逐漸減小，激光等離子體燒蝕作用占主要地位。

（5）激光水下加工能減少再鑄層、微裂紋和殘余應(yīng)力對(duì)工件的傷害，提高表面品質(zhì)和加工效率。

可根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇合適的激光焦點(diǎn)位置及適當(dāng)?shù)募す饷}沖數(shù)進(jìn)行微米級(jí)的水下加工，也可為激光醫(yī)療（如激光消融血栓）提供參考。

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The Explosive Boiling Experiment Study on Underwater Laser Processing

Yin Sihua，Guo Zhongning，Chen Tieniu，Huang Zhigang，Zeng Baiwen
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

In order to find an appropriate focus position of underwater pulse laser processing，and then compared with the processing effect in the air，the experiment by changed the laser focal distance to bombardment thermal conductive silicone piece was carried out.Used a laser scanning confocal microscope to measure the pit size，and draw the pit depth/width-focus distance trend chart.Used a high-speed photography to shoot underwater laser processing phenomenon，got the phenomenon of plasma flash and cavitation bubbles，this phenomenon had been theoretical analysis and experimental verification.The results show that when the focus position is below the surface of the material，mechanism of underwater laser processing is heat transfer，the plasma shock wave and cavitation bubble burst combination result.Laser machining efficiency is closely related with the laser focal position.

explosive boiling；underwater laser processing；laser focus position；laser-induced cavitation

TG665

A

1009－279X（2016）03－0036-06

2016-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175091）

印四華，男，1983年生，碩士研究生。