（流体力学专业论文）微水射流导引激光精密打孔过程的传热与流动分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 微水射流导引激光束精密加工是一项世界性的前沿技术，综合了激光加工和 水射流切割的优点，具有相当优异的加工性能。同时，相对于传统激光加工方法 这种技术存在着更多的影响因素。激光、水射流及工件材料三者之间的相互作用 也甚为复杂。本文研究微水射流导引激光束精密打孔的动力学过程，着重从工程 热物理和流体力学的基础出发对此过程中的传热及流动现象进行理论分析，首次 采用f i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) 方法建立了描述其问的物理过程的数值模型。进 行的研究工作和主要成果： 1 建立了微水射流导引激光束打孔的三维数值模型，采用动边界实时赋值法 对打孔过程进行动态模拟，将打孔过程分为三个阶段分别为初始阶段、传播阶段、 冷却阶段，并分析其问复杂的热力学及流动过程。考虑了工件材料随着温度变化 的热力学特性、熔化相变、材料的去除及边界的运动。分析过程中的温度分布规 律，预测了孔的传播速度，获得了孔的成形规律，并定量分析水射流的冷却效应。 2 双脉冲激光作为一种新型激光加工技术，比传统激光有更高的加工性能。 对双脉冲激光应用于水射流导引激光打孔进行了探索，模拟其传热过程，考虑了 不同延迟时间下的钻孔过程，分析延迟时间对打孔效率和加工质量的影响，得到 在给定激光模式下的最佳延迟时间( 对材料硅的最佳延迟时问是0 6 m s ) ，并分 析影响最佳延迟时间的凶素。 3 对打孔过程中熔池内部的流动和传热进行了模拟和分析，得到了不同时刻 熔池内的流场和温度分布，计算结果显示：孔刚形成时孔的传播速率要大于停滞 区界面的传播速率；随着孔的加深，停滞区晁面停止向孔的内部传播。比较了不 同射流速度对熔池内传热和流动的影响，结果显示流动结构几乎不受射流速度的 影响，但是高速射流具有更好的冷却效果。 研究意义：提出了一种处理微水射流导引激光打孔过程中动边界的方法，通 过对计算结果的分析，加深对打孔加工机理的理解，获得了影响参数问的耦合规 律，得到了优化参数，为改善加工工艺、提高加工性能提供了依据。 关键词：传热与流动，水射流导引激光，工件材料，打孔，双脉冲，数值计算 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m i c r o w a t e r j e tg u i d e dl a s e rp r o c e s s i n gi sa ni n t e r n a t i o n a l l ya d v a n c e dt e c h n i q u e b a s e do ng u i d i n gal a s e rb e a mi n s i d ea m i i l ，h i g h - s p e e dw a t e r j e t t h ep r o c e s sc o m b i n e s t h ea d v a n t a g e so fl a s e rp r o c e s s i n gw i t ht h o s eo fw a t e r j e tc u t t i n g i tp r o v i d e san e w m e t h o df o rt h i na n dh e a t - s e n s i t i v em a t e r i a l sp r o c e s s i n gw i t ha h i g hd e g r e eo fp r e c i s i o n i nt h em e a n t i m e ，c o m p a r i n gt ot h ec o n v e n t i o n a ll a s e rp r o c e s st h i sk i n do ft e c h n o l o g y h a sm o r ei n f l u e n c i n gf a c t o r s t h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h el a s e r , w a t e r j e ta n dm a t e r i a l a r em u c hc o m p l i c a t e d t h es t u d y g i v e si n s i g h ti n t od y n a m i cp r o c e s so fm i c r o w a t e r j e t g u i d e dl a s e rd r i l l i n gp r o c e s s ，a n a l y z e st h eh e a tt r a n s f e ra n df l o ws t r u c t u r eb a s e do n t h et h e r m a lp h y s i c sa n df l o wd y n a m i c s t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sb a s e d o nf i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) a r ed e v e l o p e dt op r e s e n tt h ep h y s i c sp r o c e s s t h e r e s e a r c hw o r k sa n dm a i na c h i e v e m e n t s ： 1 ah e a tt r a n s f e rm o d e lf o rm i c r o w a t e r j e tg u i d e dl a s e rd r i l l i n gi sp r e s e n t e d i n t h es i m u l a t i o nb o u n d a r yc o n d i t i o n su p d a t i n gi nr e a lt i m ea r eu s e dt od e a lw i mt h e s o l i d l i q u i di n t e r f a c ei nt h ed r i l l i n gp r o c e s s t h ec o n t i n u o u sp r o c e s si st r e a t e da st h r e e s t a g e st oa n a l y z et h eh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o wp r o c e s sw i t hh e a tt r a n s f e r , s t a t e c h a n g i n g ，m a t e r i a lr e m o v a la n dm o v i n gb o u n d a r yg i v e ni nd e t a i l t h er u l e so f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dc a v i t yp r o p a g a t i o na r eo b t a i n e d t h ep e n e t r a t i o ns p e e d c a nb ep r e d i c t e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n dt h ec o o l i n ge f f e c to fw a t e r j e ti s a n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y 2 d u a l - p u l s el a s e rg e n e r a l l yc a n e n h a n c em a t e r i a l r e m o v a lr a t e sw h i l e m i n i m 娩i n gr e d e p o s i t i o na n dh e a t - a f f e c t e dz o n e s t h ep r o c e s so fw a t e r j e tg u i d e d d u a l - p u l s el a s e rd r i l l i n gi ss i m u l a t e d t h ed r i l l i n gt i m e sv a r yw i t ht h ed e l a yt i m eo f d u a l - p u l s ea n da no p t i m a ld e l a yt i m ef o rd r i l l i n go fs i l i c o ni sp r e d i c t e d ( 0 6 m sf o r p r e s e n td u a l p u l s e l a s e rm o d e ) t h eh i g h e s te f f i c i e n c yc a nb ea c h i e v e dw i t ht h e o p t i m a ld e l a yt i m e ，w h i l et h er e a s o n sa n dm e c h a n i s ma r ea n a l y z e da n dg i v e n 3 t h i ss t u d ya l s op r e s e n t st h ef l o wm o d e li nt h em e l t i n gp o o lf o rm i c r o - w a t e r j e t g u i d e dl a s e rd r i l l i n go nt h es i l i c o ns u b s t r a t e t h ef l o wf i e l da n dt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nt h em e l t i n gp o o la n dd r i l l i n gc a v i t ya td i f f e r e n tm o m e n t sa r ec a l c u l a t e d t h ep e n e t r a t i o ns p e e do fc a v i t yi sh i g h e rt h a nm o v i n gs p e e do fs t a g n a t i o nz o n e i n t e r f a c ea tt h eb e g i n n i n gf o rc a v i t yf o r m i n g ，a n dt h e nt h es t a g n a t i o nz o n es u s p e n d st o m o v ew i t l lc a v i t yd e e p e n i n g t h ei n f l u e n c e so ft h r e ew a t e r j e ts p e e d so nt h eh e a t 1 i - 江苏大学硕士学位论文 t r a n s f e ra n df l o ws t r u c t u r ea t ec o m p a r e d i ti ss h o w nt h a tt h ew a t e r j e ts p e e da l m o s t d o e sn o ta f f e c tt h ef l o ws t r u c t u r ei nt h ec a v i t y ( 0 1 m md e p t h ) ，b u th i g h e rv e l o c i t yh a s b e t t e rc o o l i n ge f f e c t r e s e a r c hs i g n i f i c a n c e s ：an e wm e t h o dd e a l i n gw i t ht h em o v i n gb o u n d a r yo f m i c r o - w a t e r j e tg u i d e dl a s e rd r i l l i n gp r o c e s si sp r o p o s e d t h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o n r e s u l t sd e e p e n st h eu n d e r s t a n d i n go ft h ed r i l l i n gm e c h a n i s m f r o mt h ec o u p l i n g b e t w e e ni n f l u e n c i n gf a c t o r st h eo p t i m a lp a r a m e t e rg r o u p sh a v eb e e no b t a i n e d t h e r e s u l t sa r ev e r yu s e f u li ni m p r o v i n gt h em i c r o w a t e r j e tg u i d e dl a s e rm a c h i n i n g p r o c e s s ，a n di tp r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h ep r o c e s s i n gc r a f ti m p r o v e m e n ta n dm a c h i n i n g q u a l i t ye n h a n c e m e n t k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o w , w a t e r j e tg u i d e dl a s e r , t a r g e tm a t e r i a l ， d r i l l i n g ，d u a l p u l s el a s e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i - 江苏大学硕士学位论文 主要符号表 a ：热源，j瓯：单位焓的生成率 a l ：熔化潜热，js ：用户自定义源项 c ：光速，m s 淝力：后退的表面 c-常数t：时间，s 勺：比热，心( k g k ) t ：温度，k d ：水射流( 激光) 的直径，m瓦：汽化温度，k 弓：平行于y 轴的单位矢量 瓦：绝热温度，k e o ：入射激光能量，j “i ：速度，m s ，：激光脉冲频率，s - 1 仉单位质量的材料体积，m 3 ，：激光的能量分布函数x , y , z ：坐标轴 f i ：内体力，n h ：s 似力的后退的速度，m s g k ：平均速度梯度产生的湍动能，m 2 s 2 希腊字母： g b ：脉动产生的湍动能，m 2 s 2 ：分子粘度，k g ( m 。s ) i l c ：对流换热系数，w ( m 2 目 ：耗散率 h ：焓 讼：k 湍流p r 数 厶：电离能，j 以：e 湍流p r 数 ，：激光能量密度，w m 2 ：光振动的角频率，r a d s 幻：波尔兹曼常数 优：临界入射角 忌：湍动能，m 2 $ 2 p ：密度，k g m 3 三：工件厚度，m 仅：吸收系数 以：表面法向的单位向量 f ：激光脉冲宽度，s p - 静压，p a 盯：s t e p h a n - b o l t z m a n n 常数 p ：激光输出功率，w 0 表面发射率 p r ：普朗特数 缈：压力的损失系数 ，：反射系数 a ：热导率，w ( m i q r e ：雷诺数 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 学位论文作者躲户稍 弘呵年f 少月州日 。1 年ft 月一f 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 詹秭 日期：矽1 年陟月卅日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 现在多种激光大量应用在大范围的材料加工过程。c 0 2 、n d ：y a g 和 t i ：s a p p h i r e 激光已经广泛用于包括焊接、切割、钻孔、开槽、表面处理和融化沉 积。激光好像对加工材料没有限制，包括金属、陶瓷、合成材料、聚合物、半导 体和生物组织。用于材料加工的激光可产生连续的波或是脉冲，这些脉冲宽度为 毫秒甚至是飞秒，这些特殊的应用涉及到过程参数是十分复杂的。 激光和物质相互作用是强激光研究的核心问题，由于大量能量在靶面瞬间沉 积和升温，这个相当短的时间量级上发生了一系列剧烈的相转变，称为“相爆炸”， 这一过程是激光相变的重要研究对象。就这种加工技术而言，激光在这一过程中 形成的冲击波是我们研究中最为关注的问题。产生这种冲击波的物理机制一般认 为有两种，一种是热冲击，它由于靶面快速吸收激光脉冲的能量所造成的热膨胀 和巨大的压力梯度，另一种是机械冲击，当激光能量密度高于1 0 9 w c m 2 时，靶 面部分介质几乎瞬间转化为等离子体，等离子体气流产生的反冲作用向介质输入 强冲击波，在这种情况下可以将靶面层看作是一种高能炸药【1 1 。 激光和材料作用是一种复杂的微观物理过程，它包含光辐射场与物质的原子 及分子的非连续或量子化的能量交换作用，其统计结果体现为激光的反射，吸收， 折射，材料温度的升高，熔化以及汽化等宏观物理现象。介质被表面的材料吸收， 然后通过介质再扩散的过程，有必要从微观的角度来考虑这类问题，在这种情形 下考虑，涉及到了很多极其复杂的物理现象和问题【2 1 。 历史上，特殊情况下采用的参数都是依靠于前人总结的知识和经验。由于激 光在商业生产和新应用的持续发展中日益被广泛应用，因此对发展能够描述激光 和材料之间复杂反应的模型有了明显的兴趣，模型能够指导人们对过程参数的选 择和优化。激光加工材料的过程是一个瞬态的过程，其中牵涉到相变、吸收、能 量的辐射、热能的传导、对流和辐射、随着温度变化的材料特性、动边界、熔化、 流体流动、蒸发和气体动力学，因此选择和应用一个合适的模型是一种挑战。 从上世纪6 0 年代激光被发明以来，由于激光的高能光束特性，它已广泛应 用于工程和工业生产中。在材料加工方面一焊接、打孔、开槽、切割、刻蚀、 江苏大学硕士学位论文 热处理等过程中，激光的高性能得到了充分体现，在微细精密加工中更能体现激 光的优势。激光切割是激光加工中应用最广泛的一项技术，它有很多特点：激光 可切割特硬、特脆及特软材料、高熔点的难加j 二材料；切缝宽度报窄；表面应力 小；切割速度快；热影响区小；无机械变形、无刀具磨损。 但是普通激光加工还足有缺陷的，存在j j u _ t 热影响区、加工熔渣等。为解决 这些问题，产生了一些将檄光与其它加t 方式复合的加i 方法一l 世纪9 0 年代 瑞，i 的科研人员成功地将普通激光加工技术与水射流加工技术相结合，提出了水 射流导引激光束加工技术，如图i - l 所示。它巧妙地利用空气与水折射率的不同。 激光在窄气，水介而全反射，实现了微水射流柱如同光纤一样用来引导激光束称 为微射流i l 。其具有更加优异的加工性能，更商的加工精度和质量，但这种技 术比传统激光加工方法存在着更多的影i 响因素，激光、水射流及工件材料间的相 瓦作j j 也甚为复杂。 图1 一l 微水射流导引激光束原理示意图 一g 1 - 1t h ep r i n c i p l eo f m i c r o - w a t e r j e t g u i d e d l a s e r 水射流导引激光的原理是将激光束聚焦于喷嘴，i 刊时水通过增压水室从喷嘴 射出，水射流通过激光在水腔气交界面上的全反射来导引激光束。而水射流对 丁这个波长段的激光的吸收率几乎为零，激光能量几乎全部被水射流引导射向工 件。只要在水柱的有效工作距离无论把工件放在哪个位簧，其加工效果都是相 i 州的，这就免除了对焦的麻烦，这一特点有助于精确切割。同时由于湿加工 江苏大学硕士学位论文 模式一水柱的冷却作用，热影响区( 哟非常窄，热变形和材质变化的问题几乎 完全不存在，切割干净利落。水射流导引最初是应用在医学领域，由于非常适合 加工热敏性和脆性材料这项创新科技在半导体领域有着广泛的应用前景。水射流 导引激光的表现，远超过高压水射流和传统激光加工，是激光加工技术的一个新 的发展方向，为半导体提供了一种非常优异的加工方法。 像其它的基于激光的技术，水射流导引激光的特性是全方位切割，甚至对薄 的材料有更快的速度。例如，切割速度3 0 0 m s ，在硅片上的切深为5 0 微米【5 】。 1 2 研究现状 1 2 1激光热作用的研究现状 c o h e n 6 1 将基体近似视为半无限大介质，用经典的热传导方程进行模拟。后 续的模型考虑了汽化效应，如d a b b v 和p a e k 【7 】提出了一个一维打孔模型。c h a n 和 m a z u m b e r l 8 发展了一个一维的稳态模型，在这个模型中，考虑了汽液界面的不 连续性，利用k u n d s e n 跳跃条件及m o r t s m i t h 型解认为蒸汽压力迫使气体离开基 底同时对液体产生一个排斥作用，结论是物质以液体和气体两种形式脱离基体。 这些模型研究的都是c w 激光准稳态物质移去过程。a r m o l l 等人【9 】建立了一个二 维的金属板激光打孔模型，该模型利用了焓平衡原理。 1 9 9 6 年m a z u m d e r 等人【1 0 l 对模拟激光加工材料过程的1 3 5 篇文章做了一个回 顾，得到的结论是：对于认识真实物理现象和发展可行的物理模型仍需要做很多 努力。通过他们具体的研究还需要做很多工作来改善常热物理性的极限近似，提 高对流和蒸发耦合现象的模拟，改善重熔和溶质分布的表达。g a n e s h 等人【1 1 d 3 1 发展了二维轴对称模型重点强调了熔化和重熔过程中的相变的处理方法。流体体 积法( v o f 31 1 4 用来跟踪固液的交界面，一维气体动力模型用来提供熔化表面上 的温度和速度，而不考虑蒸发产生的材料去除，n d ：y a g 用于x 镍合金材料的去 除率模拟和实验结果得到了很好的吻合。 k a r 和m a z u m d e r 1 5 】提出了一个二维的脉冲激光辐射过程中熔化和蒸发引起 的物质损失模型，他们仔细考虑了固一液和汽一液界面，用r u n g e k u t t a 方法求解 了能量守恒方程，这个模型还被推广到包含辅助气体的情况，并考虑了孔内激光 的多次反射效应，得到的主要结论为：( 1 ) 激光在孔内多次反射是孔的深度增大 一3 江苏大学硕士学位论文 的主要因素；( 2 ) 随着激光强度的增加，重铸层厚度减少，激光的多次反射也是 重铸层变薄；( 3 ) 随着激光强度的增加，诱导的孔穴柱面增大；( 4 ) 气液界面剪切 面引起的金属流体的流动对孔穴的深度，重铸层的影响不显著；( 5 ) 以气体形式 的物质去除率比单一液体形式的高几个量级。 m o d e s t 1 6 1 提出了一个蒸发打孔和切割的三维瞬态模型。在这个模型中，材 料被假设为非透明，激光不能穿透到介质中，并假定物质从固态到气态的相变过 程为一步过程，热传导方程为： 鲁= 昙( k 罢) + 参卜号 + 昙( k 署) c 1 哪 边界条件 x _ + o o ，y 专+ c o ，z 专+ o o ，t = 瓦 ( 1 2 ) z = s ( x ，y ) ：t r f ，z = 一，z ( k v t ) + v , p a h( 1 3 ) 初始条件为 t = 0 ：丁( x ，y ，z ，0 ) = 瓦，s ( x ，y ，0 ) = 0 其中6 【为工件对激光的吸收系数，f 为激光的能量分布函数，毗力表示后退的 表面，7 l 彤代表移去的热量，h 为溉力的后退的速度。单位面积质量损失率用 下式给出 疏：p ：店p 吃( 吲( 1 4 ) c 2 ：等( 1 - 5 ) r 乇 这罩乃为平衡蒸发温度，r 是气体普适常数，c f 是一个指数形式形因子，与温度 有关。 1 9 9 8 年，z h a n g c 和m o d e s t 1 7 】测量了去除单位质量的材料所需能量，实验是对 陶瓷进行钻孔。实验中所得到的数据是采用不同能量的c 0 2 和n d ：y a g 激光对三 种工业陶瓷钻孔所得到的。实验中测量了入射和反射能量和材料消融质量，热传 导的损失通过数值模型【1 8 】来估计。激光和功率的测量，热去除对激光波长或者 功率位准都是敏感的。z h a n g 和f a g h f i 1 9 1 发展了钻孔过程中熔化和蒸发现象的热 模型，做了重要的假设：入射激光能量全部转化成表面的热量：不考虑液态金属 江苏大学硕士学位论文 流动，材料的性质与温度无关。2 0 0 1 年，a t a n a s o v 等人【加l 丌展了1 0 n s 脉冲宽度 的n d ：y a g 激光对陶瓷进行钻孔的理论和实验研究。建立了一维理论模型，假设 蒸发是在一步完成( 材料直接从固态变成液态) ，实验得到的深度和理论得到的 深度得到了很好的吻合。z h a n g t 2 1 】也发展了陶瓷激光钻孔的数值模型，其中假设： 固态陶瓷的性质与温度无关：材料一步汽化，中间没有液相。他模拟了5 0 n s 脉 冲宽度的n d ：y a g 的激光对金刚砂钻孔，得到的结论是：对于具有适中的辐射 有效肤深的工程材料，在短脉冲激光过程中热传导损失是很明显的。r u f 等人【2 2 j 发展了激光钻孔简单的分析模型，分析了表面形状对消融率的影响。r o d d e n 等 人瞄l 实验研究了使用辅助气体对n d ：y a g 激光在对材料钛钻孔时的影响。2 0 0 0 年，g u t i e r r e z 和j e n 【刎发展了性质随温度变化材料的一维热传导模型，但是没有 考虑相变。 在激光应用中激光切割材料是应用最广泛的。然而，很多致力于提高认识， 增加效率和扩大激光过程应用能力的报告陆续出现t 2 5 - 2 9 。最近的研究是直接揭露 切割速度、辅助气体压力、使用的辅助气体和切割质量之间的关系。 2 0 0 1 年v i d a l 等人【删用一位笛卡尔拉格朗日流体代码模拟了超短激光脉冲宽 度熔化铝材料随后产生等离子体的过程，和实验结果进行了比较，并得到了很好 的吻合。2 c 0 4 年，i j 等人【3 1 】基于源项固定网格方法，建立了激光熔化陶瓷材料传 导扩散相变的三维模型，考虑熔化潜热和熔池内的流动得到了精确的固液交界 面的形状。2 0 0 8 年：d e s i l v a ：和c h a n 【3 2 】耦合了边界元法和有限差分法建立了激光照 射材料表面的三维模型，计算中激光的能量足够高使工件能够熔化甚至蒸发。 s h j d f a r 等人【3 3 】基于共轭梯度法( c g m ) 预测在激光加工过程中随时间变化的熔化 深度，他们考虑激光过程为存在动边界的导热反问题。共轭梯度法( c g m ) 就是用 来解决这类问题。这个数值过程是对铝，钛和熔凝石英材料的，计算和实验结果 得到了很好的吻合。 对于激光产生熔池内部的研究，学者们也做了较深入的研究。y i l b 硒等人【3 4 1 发现射流撞击孔洞会产生滞止区，撞击的射流影响了孔洞壁面的n u 数，它是孔 洞深度的单调函数。l o w 等人【3 5 】提出了基于激光钻孔的真实材料去除机制的一维 稳态流体力学物理模型，采用的激光是中等激光密度( 1 0 5 一m 7w 伽1 ，考虑了 固体内的热传导、蒸发产生的反冲压力、熔化流动产生的对流和用氧气辅助气体 江苏大学硕士学位论文 的影响。得到的结论是：氧气产生的发热反应较吸收激光的能量对提高表面温度 有更明显的作用。相反，强制对流冷却和有效辅助气体压力的影响很小，几乎可 以忽略。y i l b a s 和m a n s o o r l 3 6 l 介绍了预测孔洞形成和其中反冲压力生成的数值计 算方法。s h u j a 等人【3 7 】研究了射流从环形喷嘴射出，冲击激光过程产生的圆柱形 孔，数值计算预测了当撞击孔表面的流场和传热率的。 在国内，近几年也广泛地研究了激光加工。2 0 0 3 年南京航天航空大学张朝阳 等人【3 8 】通过分析激光切割加工过程中材料状态和能量平衡的变化，将其分为三 个相互联系的阶段，针对每个阶段根据实验数据建立不同的能量平筏表达式和温 度场表达式。2 0 0 7 年天津大学王志军等人1 3 9 】基于一个二维的双温模型，采用了 有限差分计算了飞秒激光烧蚀金属镍的径向热影响区。提出一种飞秒激光烧蚀热 影响区定义，把热影响区定义为两部分，一部分是熔化再凝固区( 晶格温度介于相 爆炸温度和熔化温度之间的区域) ，另一部分是热激活区( 晶格温度介于熔化温度 和热激活温度之间的区域) 。2 0 0 7 年上海理工大学叶圣麟等人1 4 0 l 运用a n s y s 软 件建立了激光切割脆性材料温度场的三维有限元模型，并运用采用a p d l 语言 实现了对热流密度的高斯分布和强制对流换热及移动激光热源的模拟，通过设置 不同的激光切割参数，对温度场的变化进行了模拟分析。刘红斌等人【4 1 】建立了脉 冲激光作用熔池金属熔凝的二维热流耦合模型考虑重力、材料物性随温度的变 化等的影响，结果表明：表面熔化与凝固的固液相界面的移动呈现不同状态；在熔 凝过程中，熔池内除存在一对方向相反的主环流外，还存在多个环流：流体的速度 随着温度的降低而减小且速度最大的区域位于熔池表面附近。 1 2 2 激光与半导体材料的研究现状 m e y e r 等人1 4 2 , 4 3 】研究了短脉冲激光辐照下半导体材料的表面效应。b a r t o h 等 人m 提出的分层模型，它是使用有限元法计算探测器的温升，将被辐照物体分 成许多的微体积元，对每一个小体积元以一定的时间步长重复计算热传导方程， 得到的结果与解析模型非常相符，特别适合探测器的热破坏计算，尤其是在考虑 探测器物性参数随温度升高变化和径向热传导分布时。 沈中华等【4 5 。4 7 1 考虑了材料的热物性参数在计算过程中的变化和入射激光的 空间分布，采用二维模型，得到s i 材料在强激光作用下的轴向和径向温升分布， 给出了表面层开始熔化的时间与激光功率密度关系。还根据激光加热和熔融过程 江苏大学硕士学位论文 中的能量守恒方程，通过假设一种符合物理和数学要求的温度分布形式，得到材 料熔融前后的温度分布、熔融界面推进速度和熔融深度变化的解析解，并以硅材 料为例作了计算说明：并从焓的定义出发，根据焓平衡方程，考虑相互作用过程 中材料的热物性参数的变化和相变问题，据此进行计算，得到了几种典型的半导 体材料的动态温升曲线。罗福等人【犍】探讨了硅对激光的吸收机制，给出了波长、 温度、声子能量、激光强度、自由载流子浓度等因素对吸收系数的影响机理；载 流子及能量的输运过程和载流子复合机理，分析了各种复合机制的重要程度；损 伤特性与激光参数的关系。江继军等人【4 9 】根据硅材料的各参数和载流子浓度的 速率方程，对超短脉冲激光辐照硅后载流子浓度随时间的变化过程进行了数值计 算。从硅载流子浓度驰豫速率方程出发，在单一载流子温度假设的基础上，推导出 简化后的硅载流子浓度驰豫速率方程，并在m a t l a b 平台上用4 阶龙格一库塔法对 微分方程进行了数值计算。 1 - 2 3 微水射流导引激光加工的研究现状 l i 等人【5 0 , 5 1 l 基于有限差分法建立了水射流导引激光开槽和钻孔的模型，研究 了加工过程中水射流，激光和工件之间的相互影响和作用。w a n g 等人 5 2 1 建立水 射流导引激光加工的有限元模型，研究了能量密度在水射流中的分布，观察到在 截面上几乎是均匀的，在射流方向上能量的衰减比较小。k r a y 等人1 5 3 】讨论了分 别用水射流导引激光( 波长1 0 6 4a m ) 和传统激光( 波长3 5 5n l l l ) ，在商业多晶体太 阳能电池边界绝缘的实验结果，得到的结论是：就p n 结的破化和机械稳定性而 言，水射流导引激光加工能够提高激光刻蚀技术。 水射流导引激光加工的物理现象非常复杂，至今为止，并没有与之相关的 理论研究。深入研究其中的物理现象并了解其原理必将有效提高加工效率。在加 工中需要对热影响区有很好认识以便决定其激光参数，特别是在处理较薄和热敏 性材料。 1 3 微水射流导引激光加工的优点 水射流导引激光技术综合了激光加工和水射流切割的优点，表一比较了传 统激光和水射流引导激光。但是同时带来了比传统激光加工方法更多的影响因 素，其中的物理现象，动力学过程，激光、水射流及工件材料间的相互作用更 江苏大学硕士学位论文 为复杂，人们至今也不能完全掌握和了解。由于精密加工大都是在微米尺度和 微秒时问上进行，实时实验观测是困难的，特别是对熔融区罩的传热和内部流 动现象的观察。同时由于相变带来的移动边界问题，使得不可能得到解析解， 所以大部分的激光材料加工机理是通过数值模拟分析进行。 水射流引导激光涉及的物理现象并没有完全被人们所认识，其中存在着两 个很重要的因素：第一是我们不能观察到工件被激光作用后产生的熔池内部流 动；第二水射流冷却和去除熔融金属只能通过实验得到经验数据。 l a s e r m i c r o j e t 莨l。l d i v e r g e n tl a s e r p a r a l l e ll a s e rb e am ( a )( b ) 图卜2 激光光束的比较( a ) 传统激光( b ) 水射流导引激光 f l g l - 2c o m p a r i s o no fl a s e rb e a m ( a ) c o n v e n t i o n a ll a s e r ( b ) w a t e d e tg u i d e dl a s e r 表卜1 ，比较微水射流导引激光束和传统激光【5 】 微水射流导引激光束传统“干”激光 t 作距离 稳定的圆柱形微水射流r 图1 - 2 0 ) )锥形光束( 图1 - 2 ( b ) ) t 作距离可达几个分米长较短的丁作距离 冷却在脉冲的间隔时期谁射流冷却材料明显的热损失 热影i 向町以忽略 材料去除水射流去除熔化材料辅助气体 清洁在材料表面形成水膜要求保护覆层 无污染提高j ，费用 1 4 过程数值模拟研究的特点和问题 由于激光、工件和水射流三者之间的相互作用所涉及到的物理过程和现象十 分复杂，并且其物理过程涉及多学科领域的交叉，包括激光物理、等离子体物理、 & 江苏大学硕士学位论文 非线性光学、传热学、气体动力学、流体力学、材料力学、固体物理、固体材料 的光学性质等。因此，要了解水射流导引激光具体的物理过程是十分困难的。而 且水射流导引激光过程是瞬时的且在极短的时间内进行，其加工尺度在微米量 级，要对其进行实时实验观察是相当困难的。其次，这过程中的一些基本问题和 理论、模型以及适用范围等还没有得到明确地解释和验证，现阶段对激光与物质 相互作用的研究大部分只是对其中的部分阶段进行了讨论，对于整个过程并没有 进行详细完整的研究。所以数值计算在研究其过程中激光，物质和水射流三者之 间的相互作用比实验研究易于执行、更具有优势。 数值模拟作为一门边缘学科己经发展了多年，在解决各种工程问题中具有很 大的优越性，主要特点有： 1 缩短了设计和发展的准备周期。 2 许多实验中无法重复或不可能做到的情形可在数值模拟中实现。 3 得到了更为详细的结果，便于理解和分析。 4 减少消耗，节省成本。 5 对于非线性的计算等复杂的问题，由于涉及到很多专门的数学问题和运算技 巧，有些甚至得不到解析解的问题，运用数值模拟可以很方便的得到数值解( 近 似解) 。 对激光与物质相互作用的数值模拟的研究就是从特定的物理模型出发，对其 进行数值计算或模拟，从而揭示激光与物质相互作用的性质，现象和规律。在计 算机科学和技术以及数值算法迅速发展的推动下，数值模拟和仿真渗透到了激光 与物质相互作用的所有研究领域。而且随着计算机的计算迅速、记忆容量和并行 算法的发展，目前激光与物质相互作用有从低维、简单模型向高维、精确描述迅 速发展的强烈势头。激光与物质相互作用的有限元分析方法就是在空间上进行有 限区域的划分，在时间上采用差分的办法，并且把流体力学、热力学和粒子离解 问题离散( 非线性的偏微分方程组) 化为代数方程组，并随时间和空间的推进，求 得流场离散点上物理量( 温度、压力和密度等) 的近似数值解，因而得到变化较为 敏感区域流场的数值描述。 江苏大学硕士学位论文 1 5 本文研究的主要内容和意义 1 5 1 研究内容 微水射流导引激光束精密材料加工的动力学过程实质上是光学、物理、热 力学、流体力学等规律的交叉耦合过程。本课题主要从工程热物理和流体力学 的基础出发，描述和模拟其间的物理过程，分析此过程中的传热及流动现象。 重点研究两个方面： ( 1 ) 激光，水射流与材料的相互作用问题 用控制( 动量、能量) 方程来全面描述和模拟这些过程，输入恰当的相关 参数，初始条件，边界条件，对应不同的材料和加工工况，分析各影响参数间 交叉耦合的规律，得到优化参数( 包括激光模式、脉冲频率、射流速度、换热 系数、材料性能等) 、相关关系式和准则数，加深对微水射流导引激光加工机 理的理解。 ( a ) 建立了微水射流加工的数理模型，将钻孔过程分为三个阶段，并对其过 程中热传递和相变过程进行了模拟，分析其问的物理现象。 ( b ) 在单脉冲三维瞬态模型的基础上，对其热源进行调整，改成双脉冲激光 热源，模拟不同时刻工件的温度分布和熔化情况，通过比较相同激光能量密度下 的单脉冲激光和双脉冲激光的结果，分析双脉冲对在加工速率和加工截面质量的 影响。 ( 2 ) 水射流速度的影响 稳定的水射流是实现激光与水束耦合的一个关键要素，也是保证加工性能 的一个重要因素。分析计算结果，给出射流速度对工件冷却作用，加工区域大 小的影响规律。 1 5 2 研究的目的和意义 随着人们对加工精度要求的提高，微水射流导引激光加工应运而生。由于过 程牵涉到很多学科领域，现象极其复杂，人们对其问的物理现象并没有完全了解， 其间的物理现象的耦合规律也没有被掌握。而要提高其效率必将先对其物理现象 和耦合规律有深入的认识和理解。本文主要从工程热物理和流体力学的基础出发 来研究微水射流导引激光束精密加工的动力学过程，建立可靠的三维瞬态模型， 江苏大学硕士学位论文 描述和模拟其问的物理过程，通过分析此过程中的传热及流动现象，找寻影响加 工速率和加工质量的参数，探索影响参数问的耦合舰律，得到优化参数。对微水 射流导引激光加工机理深入的理解，为实际加工过干譬提供了理论依据，提出的优 化参数对实际生产起到指导作用。 江苏大学硕士学位论文 第二章激光加载的背景知识 2 1 传统激光加载的基础知识【1 - 刁 由于本文研究的是激光对固体材料的热作用，将激光与物质的热作用视为激 光能量在介质表面被连续的吸收，然后通过介质再扩散的过程，从微观的尺度来 考虑这种近似处理的可行性。 2 1 1 对激光的吸收 当激光照射到材料表面时，只有被材料吸收，才能产生后续的热效应。激光 是一种能量密度高，方向性强及单色性好的电磁波。按照近代物理的规点，激光 在材料表面与材料的微观粒子的相互作用是一个全量子化的能量交换，能量交换 的量子化已经基本不能察觉，在激光加工及热作用的大多数应用及研究中，可以 用经典的概念来描述光束与固体材料的相互作用。 激光入射到材料表面后，能量为岛的光能将一部分反射，剩余的能量则被 物体吸收。按照能量守恒原理可以简单的写为： e o = j 射+ e 吸收 ( 2 。1 ) 上式两边同除以岛后得n - 1 = e 反射+ e 吸收= r + 口( 2 - 2 ) 式中，r 为反射系数，a 为表面吸收系数。对于垂直入射到材料表面的激光，反 射系数由菲涅耳公式给出 ，= l ( n - 1 ) ( ，z + 1 ) 1 2 ( 2 - 3 ) 式中，n 为材料的折射率。因此，表面的吸收系数为 口= 1 一，= 1 一i ( 刀一1 ) ( ，z + 1 ) i ( 2 - 4 ) 由于材料的折射率是波长的函数，对于不同波长的激光，材料的吸收系数是 不相同。对于同一材料波长越短，吸收系数越大。 此外，材料表面对激光的吸收还随温度变化，其变化趋势是随温度的升高而 增大，但也存在着随温度的升高而吸收下降的。金属材料在室温对激光的吸收系 数均很小，当温度升至接近熔点时，其吸收系数约为0 4 o 5 ，若接近沸点，其吸 江苏大学硕士学位论文 收系数可高达0 9 。 吸收系数确定之后，进入材料内部的激光是如何在材料表层被吸收的。设到 达材料表面的激光为沿截面具有某振幅分布a 以力的平行光，进入材料内部沿z 轴正向传播的激光光波场可以表示为： 咖，z ，沪庙( x , y ) e x p 陷一耐 ( 2 _ 5 ) 式中，c o 是光振动的角频率，九是进入材料的激光波长，这两个量可以通过光速 c 及介质的折射率联系起来： 见：2 ；r c ( 2 6 ) 以= l z o l 在各向同性的吸收介质中，折射率为复数形式： 以= 啊+