激光空化射流力及空蝕機(jī)制檢測技術(shù)

倪韜 李葳 朱建

摘要：為了研究激光空蝕機(jī)制在水中對于靶材的破壞效果，建立了激光的微細(xì)作用檢測系統(tǒng)，用水聽器對產(chǎn)生的聲壓信號進(jìn)行采集，通過壓電薄膜在示波器上顯示輸出電壓的有效值，計(jì)算得到激光對工件表面所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力。調(diào)節(jié)激光能量，分析等離子體、空泡脈動(dòng)聲壓;運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)工作臺(tái)，測得不同γ的水下脈沖應(yīng)力，并進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：沖擊波;空化射流;聲壓信號;激光能量;無量綱參數(shù)

1、引言：

空化空蝕現(xiàn)象是水力機(jī)械設(shè)備中常見的有害現(xiàn)象，它能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊、振動(dòng)和噪聲，在很大程度上降低使用設(shè)備的壽命、工作效率及其穩(wěn)定性^[1]。

當(dāng)激光聚焦點(diǎn)能量大于液體的可承受能量時(shí)，液體會(huì)被擊穿，并產(chǎn)生發(fā)光的等離子體。等離子體吸收激光能量對外膨脹時(shí)，會(huì)對外輻射出沖擊波，并且產(chǎn)生少量的激光空泡，這就是激光空化現(xiàn)象^[2]。在空化空蝕研究中，利用激光誘導(dǎo)產(chǎn)生空泡不僅效率高，而且空泡的球?qū)ΨQ性好，位置準(zhǔn)確，更利于空泡現(xiàn)象的研究與檢測，為研究空化空蝕機(jī)理提供了新的路徑^[3]。

目前，國內(nèi)外的研究人員主要采用高速攝影法、光偏轉(zhuǎn)法、干涉法及其壓電換能器探測法等對固體壁面附近的空泡空化進(jìn)行研究。南京理工大學(xué)的陳笑，徐榮青^[4]等利用高靈敏度光纖傳感器研究了激光在水下加工金屬產(chǎn)生的等離子體空泡及其脈動(dòng)特性。海軍工程大學(xué)的宗思光，王江安^[5]等人利用高速攝影法對空泡在壁面附近潰滅導(dǎo)致的沖擊波和射流特性進(jìn)行了深入的研究。REN^[6]等采用高速攝像機(jī)和水聽器系統(tǒng)獲得空化氣泡的動(dòng)態(tài)特征和沖擊波，研究了相對距離參數(shù)與空化氣泡強(qiáng)化機(jī)理的關(guān)系。

在激光擊穿液體形成空泡的過程中，空泡向外輻射等離子沖擊波并產(chǎn)生空泡脈動(dòng)，兩者都會(huì)產(chǎn)生聲壓信號。采用高靈敏度的探針式水聽器對產(chǎn)生的聲壓信號進(jìn)行采集，通過壓電薄膜在示波器上顯示輸出電壓的有效值，將電壓值除以水聽器聲壓靈敏度，得到激光對工件表面所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力^[7]。

2、激光空蝕機(jī)制機(jī)理

當(dāng)激光經(jīng)過電解液聚焦在靶材表面時(shí)，如果激光能量超過電解液的擊穿能量，水將會(huì)被激光擊穿，形成發(fā)光的等離子體^[8]，吸收激光能量后等離子體對外膨脹，將附近的水壓縮，產(chǎn)生空泡并產(chǎn)生向外的沖擊波。由于初始時(shí)刻空泡外部壓強(qiáng)遠(yuǎn)小于內(nèi)部，空泡不斷膨脹，使周圍液體發(fā)生相對流動(dòng)，產(chǎn)生一定的速度。當(dāng)空泡膨脹到最大半徑時(shí)，外部壓強(qiáng)大于內(nèi)部壓強(qiáng)^[9]，將空泡壓縮，在壓縮瞬間輻射出沖擊波。直到空泡被壓縮到內(nèi)外壓強(qiáng)能處于暫時(shí)平衡狀態(tài)，第一次脈動(dòng)循環(huán)結(jié)束。

此后，空泡會(huì)繼續(xù)發(fā)生膨脹和壓縮，并多次循環(huán)直至空泡潰滅，由于每次壓縮都會(huì)伴隨著內(nèi)部能量的損失，輻射出的沖擊波會(huì)一次比一次小，最終在靶材表面上消失。

實(shí)驗(yàn)中采用的是NCS-1 PVDF探針式水聽器，它是利用壓電效應(yīng)進(jìn)行超聲場測量的聲電傳感器，敏感元件是聚偏氟乙烯壓電薄膜（PVDF）^[10]。在實(shí)驗(yàn)中，將水聽器的探針放置于激光聚集處附近，水被擊穿后等離子體吸收能量膨脹會(huì)對外輻射沖擊波，形成聲壓信號，壓電薄膜將接收到的聲壓信號轉(zhuǎn)化為電信號，并通過線路將電信號轉(zhuǎn)入示波器，并通過XVIEWER對結(jié)果進(jìn)行記錄與分析^[11]。

在水中，激光空泡輻射的聲壓以近似球形波向外擴(kuò)散，依據(jù)水聽器的位置和采集的信號值，計(jì)算水下聲信號的聲能E為：

E =

式中，v_w為水中聲速（約為1500m/s），p?為水聽器測量的聲壓（單位Pa），?為水聽器與空泡泡心之間的距離（單位m），t?是時(shí)間^[7]。

雖然空泡外表是橢圓形，但在計(jì)算時(shí)，假定空泡為球?qū)ΨQ，同時(shí)假定空泡、液體溫度都是均勻一致（不考慮熱效應(yīng)）;同時(shí)，空泡中的氣體含量與表面張力也會(huì)對計(jì)算產(chǎn)生一定影響，需假設(shè)泡內(nèi)氣體含量為0^[12]，此時(shí)空泡可近似為一個(gè)點(diǎn)，即空泡的半徑為0。著名的學(xué)者Rayleigh（1917）^[13]通過積分得出了空泡從R=R₀到R=0完全破裂所需的時(shí)間為：

T=0.915（）^1/2

泡能E_b=（p_w-p_v）

為液體的密度（本實(shí)驗(yàn)為水，密度1000kg/m³）;R₀為空泡的半徑（單位m，本實(shí)驗(yàn)中最大半徑為R_max）;p_w為水的靜壓強(qiáng)（可取當(dāng)?shù)卮髿鈮?，約為10⁵Pa）;p_v為空泡中的氣體壓強(qiáng)（約為2400Pa）^[7]。

3、實(shí)驗(yàn)測量裝置

（1）實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇

實(shí)驗(yàn)過程中，選定激光參數(shù)為：波長1064nm;脈寬10ns;頻率1Hz;能量：50mJ、80mJ、110mJ、140mJ、170mJ、200mJ;光斑直徑100μm。

選擇電解液為：0.5mol/L的NaNO₃溶液。

脈沖電流參數(shù)：脈沖寬度50ns;平均電流5mA;占空比為1：10;脈沖頻率：2MHz。工件材料：厚度為3mm的7075航空鋁片^[14]。

（2）聲學(xué)檢測裝置

將40mm×30mm×3mm的7075航空鋁片固定于加工平臺(tái)上，設(shè)置工件上表面電解液厚度8mm，將銅圈陰極置于電解液中距離鋁質(zhì)工件上表面lmm處。水聽器須放置在距離鋁片5mm處以保證不會(huì)被激光器影響，同時(shí)要與入射激光呈45°，通過線路將電信號轉(zhuǎn)入示波器^[14]。

（3）檢測裝置總述

激光空化射流力檢測裝置如圖1所示。激光發(fā)生器發(fā)射激光束，經(jīng)過光學(xué)儀器聚焦于電解液中的鋁片上，產(chǎn)生等離子體對外膨脹沖擊波和空泡潰滅輻射沖擊波，產(chǎn)生聲壓信號，聲壓信號轉(zhuǎn)化為電信號，示波器收集并儲(chǔ)存電信號，通過XVIEWER進(jìn)行信號分析;在激光空化射流力檢測時(shí)，依次設(shè)定激光能量為50mJ，80mJ，110mJ，140mJ，170mJ，200mJ，聚焦于浸入電解液（NaNO3）的航空鋁片表面，以產(chǎn)生激光空化空泡，并得到空泡形成至潰滅階段的聲壓信號^[14]。

激光空化射流力檢測裝置的示意圖如下。

圖中：1.激光發(fā)生器，2.控制系統(tǒng)，3.示波器，4.脈沖電流發(fā)生器，5.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，6.光學(xué)儀器，7.水聽器，8.X-Y工作平臺(tái)，9.水槽。

由圖2可以看出，該過程中有三個(gè)較為明顯的聲壓信號：第一個(gè)是激光擊穿電解液形成等離子體對外膨脹產(chǎn)生的沖擊波信號;第二個(gè)是空泡膨脹到最大瞬間被壓縮所產(chǎn)生的對外輻射沖擊波信號;第三個(gè)是第二次循環(huán)脈動(dòng)，空泡膨脹到最大瞬間被壓縮對外輻射的沖擊波信號。激光空泡第1次脈動(dòng)周期T₁就等于等離子體沖擊波聲壓信號與空泡第1次聲信號之間的時(shí)間，激光空泡的第二次脈動(dòng)周期T₂就等于空泡第1次聲信號與第2次聲信號之間的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果各測量20次，刪除最大和最小值，其他值求平均值填入表格。

由表（圖3）可看出：激光能量增加，空泡第1次生存周期T₁、第2次生存周期T₂增加。因?yàn)榧す饽芰康脑黾邮箍张菽軌颢@得更多的能量，空泡脈動(dòng)周期增大。而第1次生存周期明顯大于第2次生存周期，這是因?yàn)榭张菝看螇嚎s都會(huì)伴隨著內(nèi)部能量的損失，在加上電解液的粘滯作用，空泡攜帶能量不斷減少，所以生存周期也減少。

將不同激光能量下聲壓信號進(jìn)行對比?？煽闯?，激光能量增加，等離子體吸收能量對外輻射沖擊波、第一次膨脹輻射以及第二次膨脹聲壓信號均增大。但由于第一次壓縮帶來的泡能損失以及水對于空泡的粘滯作用，第二次空泡膨脹時(shí)泡能遠(yuǎn)小于第一次，所以聲壓信號與第一次差距很大。

利用上文中的空泡完全破裂所需時(shí)間公式與泡能公式，可以得出空泡最大半徑、泡能與激光能量之間的聯(lián)系。激光能量增大，空泡泡能增大，所以第1次與第2次空泡膨脹潰滅對外輻射沖擊波聲壓信號增大，而空泡可膨脹達(dá)到最大半徑也在增大;在相同的激光能量作用下，第1次膨脹空泡的泡能與所能達(dá)到的最大半徑均遠(yuǎn)大于第2次。

4、結(jié)論

靶材產(chǎn)生空蝕的主要原因是，空泡潰滅時(shí)對靶材產(chǎn)生了沖擊，沖擊主要有兩種表現(xiàn)形式：對外輻射的沖擊波以及空泡潰滅所產(chǎn)生的高速射流力。

（1）利用水聽器采集水中的聲壓信號，在示波器上顯示輸出電壓的有效值，通過計(jì)算得到激光對工件表面所產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力。

（2）激光能量增加，空泡泡能增加，對外輻射的沖擊波和循環(huán)脈動(dòng)的強(qiáng)度增加，空泡循環(huán)脈動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的最大半徑增加。

（3）當(dāng)激光能量相同時(shí)，第二次脈動(dòng)由于第一次收縮時(shí)的能量損耗以及水的粘滯，泡能小于第一次，最大半徑R_max也遠(yuǎn)小于第一次。

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作者簡介：倪韜，生于1998年8月，漢族，江蘇鹽城人，江蘇大學(xué)本科在讀，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。

李葳，生于1997年3月，漢族，天津靜海人，江蘇大學(xué)本科在讀，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。

朱建，生于1999年6月，漢族，江蘇徐州人，江蘇大學(xué)本科在讀，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)。

項(xiàng)目信息：本文系江蘇大學(xué)第十七批科研立項(xiàng)項(xiàng)目。

（作者單位：江蘇大學(xué)）