激光電化學復合加工的沖擊空化檢測及試驗

毛衛平，丁 偉，張朝陽，曾永彬，秦昌亮

（1.江蘇大學機械工程學院激光技術研究所，鎮江212013；2.南京航空航天大學江蘇省精密與微細造技術重點實驗室，南京210016）

激光電化學復合加工的沖擊空化檢測及試驗

毛衛平1，丁 偉1，張朝陽1，曾永彬2，秦昌亮1

（1.江蘇大學機械工程學院激光技術研究所，鎮江212013；2.南京航空航天大學江蘇省精密與微細造技術重點實驗室，南京210016）

為了測量脈沖激光擊穿電解液下產生的聲壓信號，探討沖擊空化效應對激光電化學復合加工的作用和影響，建立了激光電化學復合加工檢測系統。采用水聽器采集脈沖激光聚焦電解液下產生的聲壓信號，使用示波器對聲壓信號進行存儲、XVIEWER軟件對聲壓波形分析和計算，最后對激光電化學復合加工的區域進行拍照，并分析沖擊空化效應對激光電化學復合加工后的形貌特性和表面質量的作用和影響。結果表明，脈沖激光聚焦電解液下，產生沖擊空化效應，向外輻射3個不同聲壓信號；隨著激光能量的增加，激光沖擊空化的3個聲壓變大，空泡的半徑和泡能均增加；在激光電化學復合加工中，激光能量增加，產生的等離子沖擊波和射流力越大，工件去除的量越多；空泡脈動促進電解液的流動，對加工區域的微觀形貌和表面質量起重要作用。這一結果對復合加工的過程和形貌是有幫助的。

激光技術；復合加工；沖擊空化；聲壓信號；表面形貌

引 言

激光電化學復合加工是將激光加工與電化學加工結合，整合兩者優點，實現對工件材料的刻蝕加工［1-4］。激光穿過電解液聚焦在加工材料表面時，當激光能量密度超過電解液的擊穿閥值時，電解液被擊穿，在擊穿的區域產生發出白光的等離子體。當等離子體膨脹時，對外輻射高速的等離子沖擊波，少量的空泡在此過程中產生，即激光空化氣泡現象［5］?？张菘栈a生的沖擊空蝕作用，會產生強沖擊波及高速射流，作用于附近固體壁表面，造成材料去除。在激光與電化學復合的刻蝕加工過程中，沖擊空蝕是影響材料去除的主要因素。因此，通過檢測激光對水下靶材的沖擊空化效應來研究空泡空化的現象和機制非常重要。另外，流體中氣泡的沖擊空蝕作用也是船舶制造、水下機械設備設計、水利設施建設和流體力學研究等領域的重要課題［6-7］。

在激光對水下靶材的沖擊效應研究方面，VOGEL等［8］學者研究了調Q的1.064μm Nd∶YAG激光經透鏡聚焦后作用于牛角膜時，等離子體沖擊和空泡空化及潰滅射流沖擊力造成了附近正常組織的損傷。AKHATOV等人［9-10］先后開展了空泡脈動和壁面附近空泡潰滅的高速攝影測量研究。在國內，南京理工大學的XU等人［11］利用光偏轉法對激光水下加工金屬產生的沖擊波和空泡效應展開了一系列研究。海軍工程大學的ZONG等人［12］利用高速攝影法和壓電換能器探測法對壁面附近激光空泡的空蝕和圖像進行了深入的研究。

作者針對激光電化學復合加工的特點，利用固體激光器發出高能脈沖激光，聚焦于電解液中工件表面，采用高靈敏度的針式水聽器對激光擊穿電解液后等離子沖擊波和空泡脈動產生的聲壓信號進行采集，然后利用示波器存儲聲壓信號并使用XVIEWER軟件進行后續分析與計算，得到等離子沖擊波和空泡聲脈沖信號的強度、周期大小、波形特征規律和空泡半徑、能量的大小，分析了脈沖激光聚焦電解液產生的沖擊空蝕對激光電化學復合加工的影響及其作用。

1 激光對電解液下工件的沖擊作用機理

1.1 激光空泡形成過程

高能脈沖激光擊穿電解液形成空泡的過程可以分為3個階段。

第一階段：當激光透過電解液聚焦輻射在工件表面時，首先在能量聚焦處電解液將被擊穿，形成雪崩電離，在光斑聚焦處出現一個閃白光的等離子體，同時等離子體對外高速膨脹，持續壓縮附近電解液，產生沖擊波和空泡現象。

第二階段：初始的空泡泡內壓強遠大于泡外的壓強，在壓強差驅使下向外擴張變大，同時促進周圍電解液向徑向流動。當空泡達到最大半徑后，受外界壓力和表面張力約束下，迅速被壓縮并閉合，在閉合瞬間，向外輻射沖擊波?？张萦捎趹T性，空泡開始被壓縮，直到空泡內壓強高到能限制空泡壓縮，達到暫時的平衡穩定狀態。到此，空泡脈動的第1次循環過程結束。

第三階段：經過第1次的脈動，此時泡內壓強減小，但由于慣性被壓縮，所以泡內壓強大于周圍介質的靜壓，空泡開始反彈，經過第2次膨脹和壓縮。劇烈的空化氣泡閉合后，仍有幾次反彈現象，氣泡的每次再閉合，都會產生一次比一次小的的聲壓脈沖，直至空泡潰滅。

圖1是采用高速攝影技術拍攝的水下激光空泡形成階段圖，從圖中可以清晰地看到等離子體的形成與發光，空泡脈動和潰滅的整個過程［13］。

Fig.1 Laser-induced bubble by high speed photograph

1.2 激光水下的力效應

脈沖激光穿透電解液，聚焦在工件表面上，激光能量密度大于電解液的擊穿閥值，試驗中可以看到閃光的等離子體，聽到清脆的啪啪聲；對外輻射等離子體沖擊波與激光空泡潰滅射流沖擊力。等離子體沖擊波壓強公式為：

式中，p1為等離子體沖擊工件壓強；Z為環境介質和加工工件的折合聲阻抗，且2／Z＝1／Z1＋1／Z2，Z1是約束介質的折合阻撓，Z2是工件材料的折合阻抗；I為激光功率密度；α為工件對激光的吸收比，β是激光等離子體內能轉化為熱能的比例系數。在試驗過程中，電解液和工件材料一定時，等離子沖擊波壓強只與激光功率密度有關。所以在激光聚焦光斑大小和激光頻率一定時，等離子沖擊波壓強與激光的能量成正比關系。

空泡潰滅時的射流沖擊力為：

式中，p2為沖擊射流壓強；ρ1，ρ2分別為電解液和加工工件的密度；v1，v2分別為電解液和加工工件中的聲速；v為沖擊射流速率。在實驗過程中，電解質和工件的密度、電解質和被作用工件中的聲速均一定時，空泡泡能直接決定了射流沖擊速率［14］，所以空泡能量決定了射流沖擊力，直觀表現為試驗過程中工件材料去除量。

1.3 激光空泡脈動參量

考慮到激光空泡作用在工件表面時，空泡的形狀為橢圓體［15］。但在計算分析中，可以近似認為空泡為球形，忽略空泡的質量擴散和熱傳導效應。RAYLEIGH推導出空泡的最大半徑Rmax和泡能Eb為：

式中，ρ為水密度（1000kg／m3），T為空泡的脈動周期（單位s），Rmax是空泡的最大半徑（單位m），p0是空泡內的氣體壓強（取2330Pa），水的靜壓強pw可用當地大氣壓（取105Pa）。

1.4 水聽器的測量原理

NCS-1探針式水聽器是利用壓電效應原理測量水下超聲場的聲電傳感器，其敏感元件是聚偏氟乙烯壓電薄膜，受到聲壓作用后，電極的兩端有電壓（電荷）輸出。試驗過程中將水聽器的敏感端面置于激光聚焦點附近的溶液中，水被擊穿后的沖擊空化會對外輻射聲壓信號，水聽器的壓電薄膜將檢測到的聲壓信號轉化為電信號，再通過刺刀螺母連接器插頭連接到數字示波器進行觀察、記錄和分析。

激光空泡輻射的聲壓以球形波向外擴散，依據水聽器的位置和采集的信號值，計算水下聲信號的聲能E為：

式中，vw為水中聲速（約為1500m／s），p為水聽器測量的聲壓（單位Pa），l為水聽器與空泡泡心之間的距離（單位m），t是時間。

2 試驗測量裝置

Fig.2 Sketch map of laser electrochemical machining and detection

激光電化學復合加工檢測裝置如圖2所示，實物圖如圖3所示。檢測激光水下沖擊波聲信號，可以得到聲壓的具體值和時間，計算空泡的半徑和能量，對研究激光沖擊空化效應對復合加工的影響有重要意義。

該復合加工檢測系統采用脈沖固體SGR-10激光器為試驗提供加工能量，脈沖寬度為10ns，激光波長為1064nm，重復頻率為1Hz～10Hz，能量在50m J～1000m J可供選用，光斑直徑為100μm。采用7075航空鋁合金作為加工工件，先用砂紙打磨后用丙酮清洗（工件表面貼膠帶，只在刻蝕區域預留2mm×2mm，降低工件表面對聲信號的反射），固定到X-Y工作臺上的電解槽中。計算機統一控制激光器和X-Y工作臺。

采用?5mm的銅線環作為工具陰極，距工件1mm，放于電解液中，為電化學反應提供電場。電解液為0.5mol／L的NaNO3溶液，選擇電解液厚度時，溶液太厚，激光穿透時能量損失較大；溶液太薄，水聽器和工件距離太近，激光易對水聽器造成損害，且加工過程易濺起水花。因此，工件表面以上的溶液厚度為8mm。電解液和工件放置于石英玻璃電解槽（尺寸150mm×100mm×100mm，四周及底部均安裝吸音橡膠，排除槽壁面對聲信號的反射）。脈沖信號發生器（型號DF1511A）提供復合加工過程中所需的脈沖電流。

采用中國科學院聲學所研制的NCS-1探針式水聽器對激光穿過溶液產生的聲信號進行測量。水聽器的聚偏氟乙烯壓電薄膜直徑為0.8mm、厚度為25μm，靈敏度為10nV／Pa，頻率范圍為0.5MHz～15MHz，響應時間為幾十個納秒。水聽器放置距離鋁靶5mm，在示波器上清晰顯現采集的信號強度與波形，滿足實驗分析計算需要［16］，與入射激光夾角為45°。

泰克公司生產的TDS3012B數字存儲示波器（帶寬100MHz；2條通道，每條通道的取樣速率為1.25Gsample／s，最大記錄長度10000點、采用自動觸發）用于觀測和存儲激光作用電解液下工件時產生的聲信號。測量在室溫下進行，測量結果采用XVIEWER軟件，將二進制波形數據轉換為CSV，Excel或浮點十進制格式，進行后續分析和計算。

3 試驗結果與討論

3.1 激光沖擊空化的聲壓信號檢測

根據前述激光能量對等離子體沖擊波和射流沖擊力影響的分析，加工試驗分別采用單脈沖能量為50mJ，80mJ，110mJ，140mJ，170mJ和200mJ時的激光束，聚焦作用于浸入電解液的鋁合金工件表面，以檢測激光水下空化效應時所輻射的聲壓脈沖信號。圖4為激光單脈沖能量為50mJ，110mJ和170mJ時，由NCS-1探針式水聽器檢測采集的聲壓信號波形。

由圖4可以看出，激光穿過電解液產生的等離子沖擊波和空泡輻射聲脈沖的時間序列中主要包括3個脈沖：第1個沖擊波信號V1是由于高能脈沖激光擊穿電解液，產生1個閃光的等離子體，對外膨脹時輻射產生的聲信號；第2個沖擊波信號V2是空泡在泡內外壓差的作用下對外膨脹到最大位置時輻射的聲信號；第3個沖擊波信號V3是由于空泡第1次脈動循環后，由于慣性被壓縮，泡內壓強大于周圍介質的靜壓，導致空泡反彈，形成第2次脈動，膨脹到最大位置時輻射的聲信號。第1個聲信號與第2個聲信號之間的時間間隔是空泡第1次脈動的生存周期T1；第2個聲信號與第3個聲信號之間的時間間隔是空泡第2次脈動的生存周期T2。

Fig.4 Acoustic signals with the variation of pulse laser energy by oscilloscope

由于試驗過程中使用的高能脈沖激光的能量呈高斯分布，激光脈沖可重復性不好。因此，對實驗結果采取20次測量，去除最大最小值后，以平均值作為檢測數據。表1為試驗中水聽器檢測到的等離子沖擊波聲壓信號和空泡脈動產生的聲壓信號。

由表1可以看出：隨著脈沖激光能量的遞增，T1和T2也增加。這是因為：激光能量增加，空泡的初始能量增加，空泡諧振周期增大。其中T1明顯大于T2，這是因為：隨著空泡的脈動，泡能減小，泡內含氣量越小，空泡收縮越劇烈，對應最小泡半徑越小，其空泡諧振周期也相應越短。

Table 1 Data collection by hydrophone

圖4中縱向的3個脈沖是探針式水聽器采集的電信號，利用水聽器的輸出電壓除以水聽器的靈敏度轉化為相應的聲壓信號。由圖4和表1都可以看出：隨著脈沖激光能量的增加，3個脈沖的電壓信號越來越大，即等離子體和空泡效應3個脈沖的聲壓信號越來越大。這是因為激光能量增加，等離子體和空泡所具有的初始能量增大，向外輻射的聲波強度增強，與（1）式和（2）式的分析一致。

由表1和圖4還可以看出：空泡第1次聲信號明顯大于第2次聲信號。這是因為空泡第1次潰滅對外輻射沖擊波和射流沖擊力，同時在周圍液體粘滯力作用下造成了泡能的大量損失，所以空泡在第2次收縮末期，所剩余的泡能顯著小于空泡第1次收縮時的泡能，向外輻射的聲信號強度明顯減小。

3.2 激光能量對沖擊空化聲壓的影響

圖5是不同激光能量下水聽器采集電信號轉化為聲壓信號的趨勢圖。由圖5可以看出，隨著脈沖激光能量的增加，3個聲壓信號均增加，等離子沖擊波聲壓和第1次空泡膨脹聲壓很大。但隨著空泡的脈動和以及周圍水的粘滯力的作用，泡能減小，第2次空泡膨脹產生的聲壓遠遠小于第1次。

Fig.5 Acoustic pressure value with laser energy

圖4 中兩相鄰峰值之間的時間的一半為空泡腔體的脈動周期，圖6是利用（3）式、（4）式經計算得出的激光能量與空泡半徑和空泡泡能（第1次和第2次泡能的疊加）的關系。由圖6可以看出，隨著激光能量的增加，空泡第1次和第2次膨脹最大半徑依次增加，空泡泡能增加。同時，相同激光能量下，空泡第1次膨脹后的最大半徑大于空泡第2次的膨脹后的最大半徑。

Fig.6 Relationship between laser energy，radius and energy of bubble

3.3 激光沖擊空化對復合加工的作用

利用所構建的試驗系統進行了脈沖激光與電化學復合的定點加工試驗。激光單次脈沖的能量分別為50mJ，110mJ，170mJ；激光頻率為5Hz。電化學加工的電源參量為脈沖寬度50ns，頻率2MHz，峰值電壓2.5V，加工過程中的平均電流為6mA。為了研究激光沖擊空化對加工形貌的影響，每個定點輻照80個激光脈沖，圖7為所得到的表面形貌SEM照片。

Fig.7 Surface morphology of monopoles laser electrochemical machine

由圖7中可看到，由于等離子沖擊波和空泡現象作用，工件被加工區域的材料形成了由中心向四周噴濺的形態。其原因是：等離子沖擊波傳播至工件表面后反射產生的沖擊力使去除材料向外擴散；高能激光擊穿電解液產生的空泡，由于泡內外壓強差，向外膨脹和收縮，促進附近電解液向外流動。當等離子沖擊波沿徑向輻射時，會推動附近電解液及被刻蝕工件的熔融材料往四周噴濺，加工后的表面形態如圖7所示，從而證明了激光沖擊空化的作用及效果。繼續增加激光作用的脈沖個數和電化學反應時間，就可以獲得較好的表面質量。

激光沖擊空化與電化學反應復合的加工機理［17］：鋁合金在NaNO3溶液的浸泡下，鋁表面會生成鈍化膜，由于鈍化膜的庇護，工件與電解液隔絕，不再發生電化學反應。當脈沖激光穿過電解液聚焦在工件表面時，激光聚焦的光斑區域的電解液被擊穿，對外輻射等離子體沖擊波，工件附近的激光空泡潰滅，產生的射流沖擊力，工件表面鈍化膜被破壞，刻蝕工件材料。同時暴露出的工件基體與金屬熔融物質繼續發生電化學反應，生成沉淀物和離子物被電解液流沖走，在電化學作用下重新暴露出的工件基體重新生膜。該過程在脈沖激光的作用下反復進行，最終實現微細結構的刻蝕加工。

在激光電化學復合加工過程中，結合圖7試驗加工形貌可知：激光聚焦電解液中的工件，依靠擊穿電解液產生的等離子沖擊波和空泡潰滅產生的射流沖擊力刻蝕工件材料，激光的能量越大，等離子沖擊波和射流力越大，去除量越多，與圖7的加工形貌相一致。同時，空泡空化作用對加工質量起兩方面作用：（1）空泡在膨脹和收縮過程中，輻射聲壓，推動周圍液體高速向外流動，破壞工件表面的鈍化膜，帶動被去除材料向四周噴濺；（2）空泡在膨脹和收縮過程中，輻射聲壓，增強了加工區域的電解液流動性，促進了新鮮離子的補充，促進電化學反應，同時減小了熱影響區的范圍，有利于改善微細結構的刻蝕加工的表面質量。激光能量越大，空泡對外輻射的聲壓越大，周圍液體的向外流動的能力越大，減小濃差極化，進一步提高電化學反應速率，改善了微細加工區域的表面質量。

4 結 論

在激光電化學復合加工過程中，利用水聽器和示波器采集了電解液下聲壓信號，結合激光電化學加工原理及過程，分析研究了沖擊空化對加工過程的作用。

（1）激光電化學復合加工中，隨著激光能量的增加，等離子沖擊波和空泡脈動時的聲壓信號明顯增強?？张菰诿}動過程中，隨著激光能量的增加，空泡第1次和第2次膨脹時最大半徑依次增加，其中空泡第1次最大半徑顯著大于空泡第2次最大半徑。同時隨著激光能量的增加，空泡的泡能也增加。

（2）激光沖擊空化對復合加工的作用主要表現在：隨著激光能量的增加，等離子沖擊波和射流力越大，去除工件的量越多；空泡在膨脹和收縮過程中，輻射聲壓，推動周圍液體高速向外流動，破壞工件表面的鈍化膜，實現定域刻蝕加工；空泡在膨脹和收縮過程中，輻射聲壓，加工區域的電解液流動性增強，有利于補充新鮮離子和提高電化學反應速率，同時減小了熱影響區的范圍，改善了微細結構的刻蝕加工的表面質量。

［1］ SEN M，SHAN H S.A review of electrochemical macro-to microhole drilling processes［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2005，45（2）：137-152.

［2］ de SILVA A K M，PAJAK P T，HARRISON D K，et al.Modeling and experimental investigation of laser assisted jet electrochemical machining［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2004，53（1）：179-182.

［3］ CHEN G H，ZOU H Q.The analysis of metal deposition and micro-crystallites deposited by using CO2laser from aqueous solution［J］.Laser Technology，2008，32（6）：618-627（in Chinese）.

［4］ LIB B，ZHANG H C，NIXW，et al.Experiment investigation on the liquid jet of laser-induced bubble in different ambient pressures［J］.Laser Technology，2012，36（6）：749-753（in Chinese）.

［5］ STROVSKAYA G V O.Efficiency of optical-to-acoustic energy conversion upon the interaction of a pulsed laser radiation with a liquid［J］.Technical Physics，2002，47（10）：1299-1300.

［6］ HUANG J T.The principle and application of cavitation［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1991：113-228（in Chinese）.

［7］ ZHANG SG，ZHANG L，YU T Y，et al.Study about plasma intensity of laser derusting［J］.Laser Technology，2013，37（1）：56-58（in Chinese）.

［8］ VOGEL A，SHWEIGER，FRIESER A，et al.Intraocular Nd：YAG laser surgery：light-tissue interaction，damage range，and reduction of collateral effects［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，1990，26（12）：2240-2260.

［9］ AKHATOV I，LINDAU O，TOPOLNIKOV A.Collapse and rebound of a laser-induced cavitations bubble［J］.Physics of Fluids，2001，13（10）：2805-2819.

［10］ AKHATOV I，VAKHITOVA N，TOPOLNIKOV A，et al.Dynamics of laser-induced cavitations bubbles［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26（6／7）：731-737.

［11］ XU RQ，CHEN X，CHEN JP，etal.Shock wave and cavitation effects by laser ablation ofmetal in water［J］.Acta Optica Sinica，2004，24（12）：1643-1648（in Chinese）.

［12］ ZONG SG，WANG JG，MA ZG，et al.Erosion characteristics of laser bubble collapse in the vicinity of a solid boundary［J］.Acta Optica Sinica，2010，30（3）：885-891（in Chinese）.

［13］ ZONG SG，WANG JG，WANG Y H，et al.Sound radialization of high power laser induced cavitation bubble［J］.Laser＆Infrared，2008，38（8）：757-761（in Chinese）.

［14］ CHEN X.Studies onmechanisms of the interaction between highpower laser and matter in water［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2004：17-19（in Chinese）.

［15］ BIAN B M，CHEN X，XIA M，et al.The invesfigetion of laser induced plasma shock wave propagation in liquids［J］.Acta Physica Sinica，2004，53（2）：508-513（in Chinese）.

［16］ LüT，LIZ J.Experimental research of cavitation effect induced by focused Nd：YAG laser pulse underwater based on high-speed photography［J］.Scientia Sinica：Phys，Mech＆Astron，2011，41（11）：1241-1248（in Chinese）.

［17］ ZHANG Z Y，LIN Z Y，WANG YM，et al.Mechanical-electrochemical micro-etching under laser shock effect［J］.Optics and Precision Engineering，2012，20（6）：1310-1315（in Chinese）.

Detection and experiment of shock cavitations of laser electrochemical composite processing

MAO Weiping1，DING Wei1，ZHANG Zhaoyang1，ZENG Yongbin2，QIN Changliang1
（1.Institute of Laser Technology，School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-Manufacturing Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In order to measure the sound pressure signals generated by the breakdown of pulse laser through the electrolyte and discuss the impact and influence of shock cavitations on laser electrochemical composite processing，a laser electrochemical composite processing detection system was established.At first，the sound pressure signal was stored with an oscilloscope and the acoustic pressure and waveform was analyzed and calculated with the XVIEWER software.Then，pictures of the composite laser electrochemical machining area were taken and the effect of cavitations on laserelectrochemical machining area’s the characteristics morphology and surface quality was analyzed.The experimental results indicate that because pulsed laser is focused in the electrolyte，cavitations effect is generated and three different sound pressure signals are radiated.With the increase of laser energy，three acoustic pressures of laser-induced shock cavitations increase and the radius and energy of laser-induced bubble increase.In the applications of laser electrochemical machine，when the laser energy increases，the laser plasma shock wave and jet force will improve and the material removal will increase.Meanwhile bubble oscillation promotes the electrolyte flow，it plays a key role on the morphology of the processing area and surface quality.The result is very useful for complex machining process and morphology.

laser technique；composite processing；shock cavitations；acoustic pressure signal；surface morphology

TN249

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.007

1001-3806（2014）06-0753-06

國家自然科學基金資助項目（51275218）；江蘇省自然科學研究基金資助項目（BK2011522）；江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室開放基金資助項目

毛衛平（1964-），男，副教授，碩士生導師，主要從事液壓傳動與控制、激光加工技術方面的研究。

E-mail：weipingmao＠ujs.edu.cn

2013-12-02；

2014-01-07