潘嘉裕,莊 鵬,于新海

(華東理工大學機械與動力工程學院過程設備科學與工程研究室,上海 200237)

1 引 言

近年來,激光微加工在材料加工領域中凸顯出重要作用,激光技術在工業(yè)的應用越來越廣泛。為增強對激光加工過程的控制,使得脈沖激光可以實現對特征尺寸的精確控制,研究激光與目標材料之間的相互作用機理對于優(yōu)化激光沖擊工藝參數至關重要。盡管隨著測試設備的精度和靈敏度的提高,研究人員對激光的消除機理逐漸了解,但是由于激光消除的過程中,在單位脈沖時間內材料表面可能會出現高溫、高壓,產生等離子體與熔融材料爆炸等復雜的實驗現象,直接實驗觀察仍然存在困難[1],因此激光消除機制仍存在爭議。

傳統(tǒng)模型中,通過基于比爾-朗伯定律(Beer-Lambert Law)吸收的激光能量和機體內的熱傳導方程描述熱傳遞與材料的去除機理。對于超快激光消除的情況,原有的激光消除機理已不再適用,因而基于傳統(tǒng)的激光消除模型提出了雙溫模型(Two-temperature model,TTM),即假設激光能量首先被電子吸收,然后通過金屬目標材料的電子-聲子耦合轉移到晶格系統(tǒng)中。Anisimov[2]首次通過引入電子溫度系統(tǒng)和晶格溫度系統(tǒng)組成的兩個溫度系統(tǒng)來描述此過程,并相應的將這個模型稱為雙溫模型。盡管研究人員進一步將雙溫度模型與分子動力學(TTM-MD)理論相結合,從而在原子層面研究了超快激光輻照對目標材料的影響[3-5]。但是由于分子動力學模擬非常耗時,同時,微觀結果很難應用于宏觀發(fā)現和分析。因此在對激光燒蝕進行模擬仿真時,通常使用傳統(tǒng)的TTM模型對其燒蝕厚度進行初步判斷,以達到在工業(yè)過程中優(yōu)化激光參數的目的[6]。

許多研究人員已經報道了基于TTM的超短激光加工的仿真研究。陳安民[7]研究了一維條件下,雙溫模型下飛秒激光對銅靶的燒蝕過程。Kumar[8]使用2D軸對稱的雙溫模型對Ti6Al4V的仿真,并通過能量密度分別為0.84 J/cm2與8.4 J/cm2時激光的單次燒蝕試驗佐證了仿真結果。王興盛[9]進一步優(yōu)化了雙溫模型,研究了在5.97到18.41 J/cm2的單脈沖雙溫模型與多脈沖疊加下的激光燒蝕仿真與實驗結果。Saghebfar[10]研究了多次激光燒蝕與不同脈沖時長對鉻靶的影響,同時指出隨著功率密度的增加,弛豫時間也會相應的增加。但是針對低熔點金屬受熱影響區(qū)影響,金屬液化成熔融態(tài)而被生成的等離子體沖擊波帶出而對激光沖擊的深度影響研究相對較少。

本文通過數值仿真的方法,研究了激光對鋁合金表面的影響。針對二維軸對稱情況,通過使用COMSOL軟件解出通過雙溫模型方法控制的超短脈沖激光-物質相互作用的方程式。建立了皮秒激光與7075鋁合金的雙溫模型,研究了不同激光功率密度下的材料消除情況,消除次數與材料消除深度之間的關系,同時通過實驗研究,比較了仿真預測的深度和實際激光的燒蝕深度,有力的揭示了材料去除的機理。

2 模型方法

2.1 幾何模型與網格劃分

由于激光束中心軸有關的幾何對稱性,故采用二維軸對稱模型[9]。該仿真模型的厚度為10 μm,半徑為15 μm,橫向為r方向,縱向為z方向。激光束沿z軸上進行傳播,圖形左側為軸對稱邊界,右側和底部為零通量邊界,初始環(huán)境溫度設置為293 K,環(huán)境壓力為1 bar。由于激光入射的光斑中心為r=0,z=0 μm處,因而,在r=0與z=0 μm處,細畫網格,r方向上的單元數為50,z方向上的單元數為100。

圖1 鋁片的尺寸形狀及分布Fig.1 Size,shape and distribution of aluminum

圖2 網格劃分Fig.2 Mesh generation

2.2 雙溫模型

當超短激光脈沖照射材料時,激光能量首先通過光子-電子相互作用被電子系統(tǒng)吸收,然后熱量通過電子-聲子耦合傳遞給晶格。由于電子和晶格之間存在非熱平衡,因此常規(guī)的熱傳導模型不適用于此條件。因此,通常采用雙溫模型(Two-temperature model,TTM)描述了超短脈沖與物質之間的相互作用,該研究也用于獲得溫度在時間和空間上的分布特征。下面給出了描述TTM中非平衡傳熱的控制方程:

(1)

(2)

其中,Ce和Cl分別是電子和晶格的熱容;Ke是電子的導熱率;Kl是晶格導熱率；G是電子-聲子耦合常數；源項Q(r,t)是每單位時間吸收的激光能量密度,其表達式為式(3)。由于晶格能量方程具有的能量很小,因此可以忽略不計。

[Gaussian_time(t)][Lambert(z)]

(3)

(4)

(5)

Lambert(z)=exp(-αz)

(6)

在此模型中,至少三個變量(即Ce,Ke和G)取決于溫度,盡管它們被稱為常數。材料的物理參數和所使用的激光參數如表1所示。

表1 用于TTM模擬的目標材料的 物理參數[11-13]Tab.1 Physical parameters of the target material for TTM simulation

2.3 實驗步驟

激光沖擊試驗在25 mm(長)×25 mm(寬)×3 mm(厚)的鋁合金樣品上進行激光燒蝕實驗,激光器購自江陰德力激光設備有限公司的Amber全系列激光器,波長為1064 nm,為減少上一個脈沖的熱效應對激光消除的影響,脈沖間隔為5 s。將激光通過glavanno掃描儀(Scanlab basiCub焦距:160 mm,光斑直徑:16 μm)在鋁合金上進行激光燒蝕。

3 結果與討論

3.1 單脈沖材料去除

通過假設晶格溫度達到材料的汽化溫度時發(fā)生材料燒蝕,從而獲得燒蝕的坑口輪廓,進而與實驗結果進行比較。燒蝕后的彈坑輪廓是通過軸對稱有限元模擬獲得的,圖3顯示的是激光能量為4.92 J/cm2和9.85 J/cm2能量密度下,t= 6,12,24,60,102和198 ps時鋁合金的溫度分布輪廓。

(a)4.92 J/cm2

(b)9.85 J/cm2圖3 在不同時間點的晶格溫度和表面凹陷的輪廓Fig.3 Contours of lattice temperatures and surface recessions at different times

3.2 脈沖功率密度對去除深度的影響

激光去除材料的機理與激光功率密度有較大的關系,對于鋁而言,當功率密度小于0.25 J/cm2時,金屬表面僅發(fā)生熔化,而當激光通量高于此值時,材料的不同層面會有三種不同的消除機理:原子化、在相圖的臨界點處熱分解[14-15]、動態(tài)機械碎片剝離[5],其中第三種消除機理占約總體燒灼質量的80 %[16]。因此,若只考慮相圖中的臨界點分離效應[17-18],模擬得出的燒蝕深度相較與實驗值應會偏小。圖4和圖5顯示了燒蝕區(qū)域的二維和三維形態(tài),可以看出激光燒蝕后的表面形狀與火山口形狀相似,因此鋁合金燒蝕機制可能是由于過熱的熔融態(tài)鋁合金被擠壓出原有的位置。

圖4 7075鋁合金樣品在4.92 J/cm2的激光通量下 用WYKO NT1100光學表面輪廓分析系統(tǒng)捕獲的 單脈沖燒蝕圖像(脈沖數為3次)Fig.4 Single pulse ablation images of 7075 aluminum alloy sample under a laser fluence 4.92 J/cm2(3 pulses)

圖5 7075鋁合金樣品在9.85J/cm2的激光通量下 用WYKO NT1100光學表面輪廓分析系統(tǒng)捕獲的 單脈沖燒蝕圖像(脈沖數為3次)Fig.5 Single pulse ablation images of 7075 aluminum alloy sample under a laser fluence 9.85 J/cm2 (3 pulses)

圖6是通過雙溫模型預測出的溫度場,對沿著7075鋁合金在激光功率密度增加時,沿材料內部方向的熔化溫度的建模溫度等值線,假設高于融化溫度部分認為是材料燒蝕部分,其深度的有效值采用孔中心區(qū)域的最大深度。從圖中可以看出,燒蝕深度略小于熔化溫度等值線,這是由于溢出的等離子體帶走了部分的熱量,使得仿真的熔融區(qū)域略大于實驗的燒蝕深度。

圖6 7075鋁合金激光燒蝕深度的實驗數據 和模擬結果的比較Fig.6 A comparison of experimental data and simulation results for 7075 aluminum alloy

3.3 多脈沖激光對去除深度的影響

不同脈沖數的脈沖激光燒蝕坑的中心線輪廓如圖7所示。當激光沖擊孔的深度達到一定程度時,隨著照射脈沖數的增加,激光沖擊空的深度幾乎保持不變。為了防止激光沖擊的蓄熱效應對于實驗結果的影響,每次皮秒激光沖擊的時間間隔為5 s。這些結果與Rahman[19]和Sobhani[20]已經驗證了當脈沖數量增加到飽和時,此時激光燒蝕的孔深只和激光參數與激光燒蝕孔的半徑有關,因而對于7075鋁合金而言,由于其合金的熔點較低,因而燒蝕深度并不會隨著脈沖次數增加而有顯著的深度變化。

圖7 激光功率密度為11.79 J/cm2時不同脈沖數的 脈沖激光燒蝕坑的深度Fig.7 Centreline profiles of the craters by multi-pulse laser percussion with different number of pulses

4 結 論

本文基于雙溫度模型,對飛秒激光對鋁合金的燒蝕過程進行了數值模擬皮秒激光在1064 nm波長下對鋁合金進行12 ps激光燒蝕,然后與實驗結果相比較,得出的結論如下:

1)實驗過程中激光燒蝕深度比雙溫模型的融化溫度層相比更淺,大部分的激光燒蝕是由激光帶來的能量轉化成熱量,將金屬融化后通過動態(tài)機械碎片剝離基體材料,因此激光燒蝕后的7075鋁合金在相同功率密度下的燒蝕深度要比熔點較高的金屬深度高。同時,隨著功率密度不斷增加,激光消除深度也不斷增加。

2)同時實驗表明,激光燒蝕的深度極限只和激光特性和環(huán)境有關,對于激光功率密度為11.79 J/cm2時,脈沖次數超過四次時,激光燒蝕的深度與幾何形狀幾乎保持不變。