Simulation and experimental research of auxiliary gas blowing in ultrafast laser hole drilling

飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与传统长脉冲激光依靠热熔的加工机理不同，其与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应^[1-2]，它主要依靠多光子吸收机制来加工。飞秒激光加工具有诸多优点^[3-6]，例如材料适应性广、极小化热影响区、几乎无重铸层等。同时也具有加工中非接触、无需液体酸碱辅助的特点，因此，飞秒激光微孔加工是目前最优的制孔方式之一。

但是，飞秒激光微孔加工是一个受诸多因素影响的非线性、非稳定过程，加工效率一直受到限制。例如采用20W飞秒激光器在厚度为3mm的试样上进行孔径为0.3mm微孔加工，一般需要1min~2min，而对于大功率长脉冲激光加工或电火花加工，仅需十几秒左右，因此大大限制了飞秒激光微孔加工的应用范围。一方面原因是飞秒激光器平均功率低，另一方面是加工过程中产生的等离子体屏蔽了大部分激光能量，导致实际作用到微孔底部的能量减小。为了解决加工过程中等离子体粉尘对激光的影响，目前最常用的方法是采用辅助吹气^[7]的方式将加工过程中产生等离子体残渣去除。2000年，WANG, CHEN等人^[8]验证了辅助气体种类、气压、气嘴到样件的距离和气嘴孔径等对制孔的影响，并利用激光加工出的微孔作为气嘴，实现了高效高质量的微孔加工。2006年，KHAN，O’NEILL等人^[9]仿真了300μm喉道直径的超音速气嘴加工微孔时从盲孔到通孔的流场变化，详细展示了轴对称射流在不同打孔过程的变化。2008年，HU, GUO等人^[10]研究了激光穿孔过程中的撞击射流情形，提出了气嘴与工件的距离对去除效率存在很大影响。以上的研究均采用光、气同轴结构，气嘴孔径一般较小，适用于脉冲冲击钻孔和切割。而对于采用动光式加工方法进行深孔加工时，继续采用小孔径气嘴的同轴吹气结构很容易出现挡光现象，因此该方法不适用于动光式深孔加工。并且目前飞秒激光制孔过程中采用的气嘴直径较大，约2mm~3mm，气体到达工件表面的区域很大，而实际进入孔中的气体很少，且气压较低，并不利于孔中等离子体粉尘的排出。

为了提高深孔加工过程中等离子体粉尘的排出效果，本文中设计了同轴和旁轴的双路吹气结构^[11]，采用ANSYS软件^[12]对该种结构气体流场进行仿真、分析，并进行了相关的实验验证。

本文中设计的双路吹气结构如图 1所示。其中气嘴1孔径较大，可以保证光束螺旋转动时不被遮挡，气嘴2孔径较小，可以提升去除微孔内残渣的能力。利用ANSYS CFD软件对双路吹气结构的气体流场进行模拟分析，建立如图 2所示模型，仿真双路吹气效果。加粗实线代表壁面，细实线代表辅助气体入口，虚线代表非封闭区域。D₁代表气嘴1入口直径，D₂代表气嘴2入口直径，H₁代表气嘴1到微孔的距离，H₂代表气嘴2到微孔的距离，h表示微孔深度，d表示微孔直径，α表示气嘴2吹气方向与孔轴线夹角，L表示流场区域大小，p₁表示气嘴1出口气压，p₂表示气嘴2出口气压，p_a表示环境压力。对以上参量值进行设定，分别为：D₁=2mm，D₂=0.5mm，H₁=7mm，H₂=1.2mm，h=3mm，d=0.3mm，α=45°，L=5mm。

Figure 1.  Schematic of double-channel auxiliary gas blowing

Figure 2.  Diagram of simulation model

网格划分采用非结构网格，相对结构网格而言，非结构网格编程比较复杂，但局部加密比较容易，易于显示流场的细微结构，网格划分结果如图 3所示。在模拟过程中求解流场时选择压力基求解器。

Figure 3.  Mesh result

飞秒激光钻孔过程中，由于气体从气嘴喷出的速度较快，与工件相互作用时，其流场往往同时具有层流和紊流的特性^[13]。流场可用基于雷诺平均Navier-Stokes(Reynolds average Navier-Stokes，RANS)方程的重整化群(renormalization group，RNG)k-ε模型进行描述^[14-15]，其表达式如下所示：

式中，u_j为流体速度在j方向上的分量，v=v₀+v_t, v₀为流体的运动粘度，v_t为湍流运动粘性系数，k为紊流脉动动能，ε为紊流脉动动能的耗散率，S_ij为应变速率张量模量，其中${S_{\mathit{ij}}} = \left( {\partial {u_\mathit{i}}/\partial {x_\mathit{j}} + \partial {u_\mathit{j}}/\partial {x_i}} \right)/2$。

与标准k-ε模型相比，RNG k-ε模型方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到，而不是通过实验得到。(1)式~(2)式中c₁, c₂为常量，取值为c₁=1.42，c₂=1.68;α_k和α_ε为k方程和ε方程的湍流普朗特数，取值为α_k=α_ε=1.39。另外方程中有一附加项R，其代表平均应变率对ε的影响。

式中，u_l是流体速度在l方向上的分量，η=Sk/ε是湍流时间尺度与平均流时间尺度之比，S=(2v_tS_ijS_ij)^1/2是应变率张量的范数，η₀是在均匀剪切流中的典型值，取为4.38。模型其它常数取为:c_v=0.084，β=0.012。

为了对比同轴吹气和旁轴吹气两种方式的差别，设置边界条件时，p₁和p₂分为两种情况：(1)p₁=0.4MPa，p₂=0MPa；(2)p₁=0MPa，p₂=0.4MPa。

对于气流与加工工件之间相互作用的分析，主要是气体在微孔中的动力学特性，因此从某种程度上讲，等离子粉尘的去除最终取决于微孔中动态流场分布，因此在结果分析时，主要分析微孔内部及周围的动态流场以及流速矢量。

图 4a所示为p₁=0.4MPa，p₂=0MPa时动态流场分布情况。可以看出，在微孔内部动态气压很低，近似于0，这说明孔内气体流动很小。在孔口周围，动态气压形成一个圆弧形穹顶，且动态气压相较于外围区域偏小，从孔内排出的粉尘容易在这个区域形成堆积。但是气压在远离孔口的区域仍然很大，有助于将粉尘从工件上吹走。图 4b所示为p₁=0MPa，p₂=0.4MPa时动态气压情况。可以看出，孔内动态气压也很低，说明旁轴吹气下孔内部气体流动也很小。但是孔口周围没有穹顶，且动态气压相较于外围区域偏大，因此材料不会出现孔口堆积现象。但外围气压没有同轴吹气气压大，从孔中排出的等离子粉尘虽然不在孔口堆积，但是会在周围形成沉积。

Figure 4.  Contour map of flow field dynamic pressure of coaxial and paraxial gas blowing

接下来分别对两种情况下流场速度矢量分布进行模拟分析，模拟结果如图 5所示。图 5a所示为p₁=0.4MPa，p₂=0MPa时孔内流场速度矢量图。从图中可以发现孔内部气体为无方向随机流动，因此加工过程中，等离子体粉尘在孔内也随机流动，很难排出孔外。图 5b为p₁=0MPa，p₂=0.4MPa时孔内流场速度矢量图。从图中可以观测到，内部气体流动成U型且有方向流动，并且孔沿内壁流动速度大于孔中心的流动速度。在气体有序流动的情况下，有助于等离子粉尘的排除。

Figure 5.  Vector graph of pressure velocity in micro-hole of coaxial and paraxial gas blowing

通过以上模拟结果的对比可以看出，同轴吹气作用范围更大，可以把粉尘吹离工件，旁轴吹气可以使孔内气体有方向性的流动，有助于等离子体粉尘的排除，同时孔口没有低气压区域，不会造成等离子体粉尘在孔口的堆积。两者如果同时使用，既有助于微孔内部的排渣效率，又会使工件表面更干净。

由于本文中气嘴1孔径大于气嘴2孔径，如果采用相同气压共同吹气，气嘴1流量较大，将会起主导作用，气嘴2的效果将会大大降低。因此当两路气体同时工作时，采用不同气压，即p₁=0.4MPa，p₂=1MPa, 其动态气压等值线图和流速矢量图如图 6所示。可以看出，在孔内部气体形成有方向流动，孔口区域没有低气压区，孔周围区域仍然具有较强的吹尘能力。

Figure 6.  Vector diagram of dynamic pressure and velocity of flow field when p₁=0.4MPa and p₂=1MPa

图 7所示为利用同轴和旁轴双路吹气结构进行微孔加工的实验装置。主要由激光器、扩束器、反射镜、光束扫描模块、聚焦镜、运动平台、工件和计算机组成。其中激光器为飞秒激光器，其脉宽约290fs，重复频率100kHz，功率0W~20W可调，波长1030nm，光束质量因子M²≤1.1。光束经过2倍可调扩束器后经过反射镜进入光束螺旋扫描模块，经聚焦镜聚焦后实现微孔的加工。其中光束扫描模块主要用于控制光束螺旋扫描运动，经聚焦镜聚焦后，可实现孔径为0.05mm~2mm的圆孔加工。

Figure 7.  Diagram of experimental setup

通过以上实验装置，其中同轴气嘴直径为2mm，旁轴气嘴直径为0.5mm，激光功率为8W~12W，采用同模拟实验相同的工艺参量, 分别利用同轴吹气、旁轴吹气、同轴和旁轴组合吹气3种吹气方式，在h=3mm厚钢片上进行孔径d=0.3mm的通孔加工，对其加工效率Q按下式进行计算:

式中, h为孔深，d为微孔直径，t为完成通孔加工所需时间。结果如表 1所示。可以看出，采用旁轴吹气效率有了明显提升。

孔口表面质量如图 8所示。图 8a、图 8b图 8和图 8c分别为加入同轴、旁轴和双路吹气结构时微孔加工后孔口形貌，从图中可以看出，同轴吹气时，孔口较小，这是因为等离子体粉尘在孔口堆积；旁轴吹气时孔直径变大，孔口没有粉尘堆积，但是存在一片旁轴吹气带来的辐射状粉尘区域；双路吹气孔口及周围最干净，与前面仿真结果吻合。

Figure 8.  Hole morphology at different air blowing modes

通过ANSYS CFD软件仿真了激光钻孔过程中同轴吹气、旁轴吹气、双路吹气稳态下的流场状态。仿真结果表明：采用同轴吹气，微孔内部动态流场成无方向流动，不利于孔内等离子体粉尘排除，且孔口会形成低动态气压区，造成粉尘在孔口堆积；采用旁轴吹气，微孔内部动态流场形成有方向流动，有利于等离子体粉尘排出，且孔口没有低动态气压区，不会造成粉尘堆积孔口现象，但是孔口周围动态气压区域较小，粉尘容易粘在工件上；采用双路吹气，既可以在孔内形成动态流场有方向运动，又有利于孔口和工件的洁净。最后进行了试验，验证了仿真结果的准确性，采用双路辅助吹气既可以提高效率，又达到了洁净加工的效果。