激光精微打孔气/液界面动态演化及其对孔型影响机理研究

In order to meet the demand of high-precision and micro-scale manufacture for holes with variable section, research on dynamic evolution of the gas/liquid interface and the influence on the hole geometry in high-density laser drilling is performed. In this study, the mechanism of evaporation and molten metal ejection in laser drilling is investigated in details. The driving factor of melt pool and keyhole formation in high-density laser drilling is evaluated. Dynamic behavior and thermal effect in the keyhole are also fully analyzed. The quantitative understanding of molten metal evaporation driven by pressure and concentration gradient near the liquid/gas interface and molten metal ejection under inert atmosphere or reactive atmosphere are obtained. In order to explore the mechanism of absorption and delivery of laser energy, the interaction of laser beam with keyhole wall, multiple reflection of laser beam and energy redistribution owing to inverse-bremsstrahlung absorption are modeled. For obtaining the quantitative relation between geometric characteristic parameters of holes with variable section and processing parameters, the description method with reflecting geometric features of hole is established. Experimental investigation is designed and implemented to understand the impacts of process parameters on geometric characteristic parameters. This study provides scientific and technology basis for controlling geometry of hole precisely, and meets the demand of modern industrial application for specific geometry of hole.

本项目为满足先进制造技术高速发展对变截面孔精微制造的需求，开展激光精微打孔气/液界面动态演化及其对孔型影响机理研究。主要包括：激光精微打孔熔融金属蒸发及溅射机理：研究高密度激光作用下熔池及匙孔形成的驱动因素，探讨匙孔内部的热、力效应，研究压力梯度和浓度梯度协同作用下的熔融金属蒸发机理，以及惰性气氛和反应性气氛条件下的熔融区溅射机理；探索激光能量的传输和吸收机制及其影响规律：深入研究匙孔壁对激光的吸收机制，研究孔壁多重反射和等离子体吸收对激光能的重分布，以及由此造成的孔型变化以及机理；系统研究变截面孔型特征参量及其与工艺参数的量化关系：建立精确描述径深关联孔型的形状特征的描述方法，开展工艺参数对孔型特征参量影响规律实验研究，对变截面激光打孔进行工艺优化。为变截面激光精微打孔过程的控制提供科学依据，从而满足现代工业应用对特定孔型的需求。

随着航空航天及汽车工业的迅猛发展，发动机及涡轮叶片等零部件对精微孔的制造提出了大深径比、微小孔径、任意孔型等要求。本项目为满足先进制造技术高速发展对变截面孔精微制造的需求，开展了激光精微打孔气/液界面动态演化及其对孔型影响机理研究。. 搭建了原位观测实验平台，提出了多相流/多物理场耦合模型。结合实验观测以及数值模拟方法，探讨了多脉冲激光打孔过程的质量迁移机制、匙孔动态演化机制以及激光能量传输影响机制，主要研究内容如下： 通过搭建原位观测系统并结合理论分析，系统的讨论了多脉冲激光打孔过程中的质量迁移机制及其影响因素; 通过理论分析结合解析模型得出，质量迁移效率的转变受到焓变数的影响。若焓变数大于12，则质量迁移效率较高，此时处于快速打孔阶段，若焓变数大于8且小于12，则质量迁移效率降低，此时处于线性打孔阶段，若焓变数小于8，则质量迁移效率很低，此时处于缓慢打孔阶段；提出了自主开发的多相流/多物理场耦合数值模型，系统的讨论了匙孔动态演化规律及其影响机制, 通过原位观测手段及数值模拟方法，证明了在多脉冲激光打孔过程中，匙孔形貌的动态演化受到熔融物质流动的影响；通过数值模拟方法，讨论了激光能量的时、空传输特性对熔池动力学行为的影响，并且发现堵塞形貌的产生及消失，受到熔融物质流动状态的影响，在不同的时空传输特性条件下，其影响机制也不同。. 本项目的研究结果阐述了质量迁移、匙孔形貌的演化规律，讨论了激光能量时空传输特性对熔池动力学行为的影响机制。首次系统的研究了多脉冲激光打孔过程中的熔池动态演化机理，并阐述了脉冲时序、熔池驱动力、熔融物质流动以及匙孔成孔质量之间的相关关系。对实现高效率、高质量的精微打孔在工程实际应用有着重要指导意义。