毫秒与纳秒脉冲激光联合打孔过程中物质迁移机理的研究

To avoid the occurrence of irregular hole profile and closure in ms laser drilling, we propose to drill hole with double-pulsed (ms and ns) laser. In this way, the mass removal will be accelrated with the help of surface pressure due to the laser-supported detonation wave (LSDW) plasma. Hereby, the study of material removal in double-pulsed laser drilling is planned. For the stage of ms laser drilling, the raise of temperature will be simulated numerically by the finite element method. The starting of ejection will be predicted. The interface between liquid and gas will be traced. Meanwhile, the ejection velocity, the removed mass and the hole profile will be obtained. After that, a hole model will be built according to the transient hole profile. With the ray-tracing method, the laser absorption inside the hole will be studied. The result of which will be taken as a heat source for the calculation of the hole profile in the next time step. For the stage of double-pulsed laser drilling, the effect of the plasma emission and the surface pressure on the material removal will be investigated. Besides, some experiments will be carried out to verify the calculated results. Finally, to obtain the optimum drilling parameters, the influence of ns laser power intensity and the delay time to the drilling efficiency will be analyzed with the numerical model. In a word, this project will help people to further understand the complex physical process of ms laser drilling, will offer an method to improve the drilling efficiency and technology, and will accelerate the laser application in manufacturing.

针对毫秒激光打孔中出现的小孔形状不规则及堵塞现象，本项目提出毫秒和纳秒激光联合打孔方法，利用等离子体爆轰波对材料表面产生的压力来增加物质迁移。进而拟开展双脉冲联合打孔的数值和实验研究。在毫秒激光打孔阶段，采用有限元方法数值模拟材料内的温度分布，判断喷溅的产生，追踪液-气间的界面，计算喷溅速率、迁移质量及小孔轮廓。继而依据小孔瞬时轮廓建立模型，利用光线追迹法分析小孔对入射光的吸收情况。再将结果作为热载荷，计算下一时刻的小孔轮廓。在双脉冲联合打孔阶段，研究等离子体热辐射和表面压力作用对物质迁移的影响。通过实验对上述结果进行检验。最后，将基于数值模型分析纳秒激光功率密度及两个脉冲间的延迟时间对打孔效率的影响，以获得最佳打孔参数。该项目对于增进理解毫秒激光打孔这个复杂的物理过程，提高打孔效率，改善打孔工艺，推动激光在工业中的应用具有重要的学术意义。

针对毫秒激光打孔中出现的小孔形状不规则及堵塞现象，采用毫秒和纳秒激光联合打孔方法，利用等离子体冲击波对材料表面产生的压力来增加物质迁移。对于毫秒激光和纳秒激光分别和共同作用金属材料时的机理进行了系统的研究，得到结论如下：.1. 毫秒激光作用铝板的数值模拟结果表明，毫秒激光能量较小时，铝板主要发生熔融现象，熔池主要由表面张力驱动，从光斑辐照中心向两侧流动，流速在数十微米每秒量级。随着激光能量的增加，熔池尺寸和流速均增加。当激光能量较大时，铝板发生气化现象。蒸汽产生的反冲压力将小孔内的熔融物质挤压出小孔，并且堆积在小孔两侧。此时气化和熔融物挤压是小孔形成中主要的物质迁移形式。再增加激光能量，反冲压力增加，熔融物以数米每秒的速度喷溅出去。孔深随着激光能量的提高而增加，但将熔融物挤出需要更大的反冲压力，因而喷溅速度的增加趋势减缓。.2. 毫秒激光打孔实验结果表明，激光能量较小时，熔融物从中间向两侧喷溅，喷溅角度较大，且持续时间短，喷溅速度约为4m/s。随着激光能量的增加，喷溅角度越加趋于垂直于铝板的方向，且在整个毫秒激光作用时间内持续发生，喷溅速度可达30m/s。.3. 纳秒激光致等离子体冲击波对液体迁移作用的数值计算结果表明，冲击波作用于预制小孔内的水后，水滴将以450m/s的速度喷出，约有65%水离开小孔。相对于水，铝液的表面张力较大，喷溅速度降至180m/s，但仍高于反冲压力作用时的情况。实验结果表明，随着小孔深度和液体粘度的增加，喷出水的比例降低。.4. 双脉冲激光联合打孔的数值模拟结果表明，在毫秒激光作用初期，加入纳秒激光产生的冲击波，反冲压力和冲击波将同时作用，小孔深度增加了约100μm。在毫秒激光作用后期加入冲击波，反冲压力作用已结束，在冲击波的作用下，小孔深度可以提高约300μm，重铸层厚度下降，但孔底可能存在冲击波产生的空隙。.5. 双脉冲联合打孔的实验结果表明，大能量毫秒激光打孔时，在打孔初期加入纳秒激光，孔内熔融物排出，孔内径增加，但孔深增加较小。在打孔中后期加入纳秒激光，小孔深度较深，但冲击波难以将深孔内熔融物排出，孔内将出现堵塞现象。此外，双脉冲激光联合作用时，光斑范围内铝块所承受的压力约为0.084MPa，随着激光能量的增加，联合压力值增加。. 研究结果有利于对双脉冲激光打孔过程机理的理解，也将促进双脉冲打孔在工业加工方面的应用。