低压射流辅助激光刻蚀加工工艺参数的数值仿真预测研究

陈雪辉 ，张相炎 ，宋 伟 ，袁根福

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094；2.安徽建筑大学机电工程学院，安徽合肥230601；3.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

低压射流辅助激光刻蚀加工工艺参数的数值仿真预测研究

陈雪辉1，2，张相炎1，宋 伟2，袁根福3

（1.南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094；2.安徽建筑大学机电工程学院，安徽合肥230601；3.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122）

低压射流辅助激光刻蚀加工过程中涉及到的加工参数较多，合理选取参数对加工效果的影响至关重要。针对低压射流辅助激光刻蚀加工的实际情况，建立了该加工工艺的热传导方程及有限元数值仿真模型。以碳化硅陶瓷的复合刻蚀加工为例，通过数值计算与实验结果的对比验证了数值仿真方法的可行性。在此基础上，介绍了采用数值仿真方法进行工艺参数对刻蚀截面形状影响预测研究的思路。为研究各参数对加工效果的影响或选择合适的加工工艺参数提供了一种快捷准确的方法。

激光刻蚀加工；低压射流；工艺参数；数值仿真预测

近年来，低压射流辅助激光刻蚀加工技术已成为激光加工领域的一个前沿研究课题[1-4]。在加工过程中加入低压射流，使激光与物质相互作用的热-流-固的耦合过程变得更复杂。热传递过程的影响因素较多且相互耦合[5]，同时，刻蚀加工前沿的三维形状复杂，若采用理论分析方法则难以精确建模，导致很难进行精确求解；若利用纯粹的试验方法来研究整个刻蚀加工的工艺过程，又必然花费太多成本，且试验过程中还存在许多不确定因素[6-8]。因此，本文采用数值仿真方法对低压射流辅助激光刻蚀加工工艺参数的合理选取进行了研究。

1 热传导方程

低压射流辅助激光刻蚀加工涉及激光与射流换热的耦合问题，射流换热会使激光用于加工的能量造成损失，故建立热传导方程时需同时考虑激光加热与水射流换热的因素。根据能量守恒要求，低压射流辅助激光刻蚀加工过程中的能量平衡方程可表示为[9]：

式中：E˙in（净）为单位时间内由导热进入控制体的净能量；E˙g为控制体自身在单位时间内释放的能量；E˙st为控制体内贮存能量；E˙out为单位时间内由于对流传递带走的离开控制体能量。

上述各能量可分别表示为：

式中：K为材料的热传导率；T为温度。

式中：f（x，y，z，t）为热源分布函数；t为时间变量。

式中：ρ为材料密度；c为材料比热容。

式中：vx、vy、vz分别为流体在 x、y、z 方向的速度分量。

将式（2）~式（5）代入式（1），经整理可得到低压射流辅助激光刻蚀加工的三维热传导方程：

若根据加工的实际情况及高斯光束的空间分布特点，以激光作用中心线为对称轴，可建立一个二维热传导方程来描述低压射流辅助激光刻蚀加工的过程，即：

2 有限元数值仿真模型的建立

本文以碳化硅陶瓷复合刻蚀加工过程的数值分析为例，建立低压射流辅助激光刻蚀加工有限元数值仿真模型。为了简化数值分析过程，进行了如下处理：

（1）为了便于直观地观察到刻蚀后的截面形状变化趋势，将碳化硅陶瓷材料的熔点作为分界点，即材料超过熔化温度后的有限元单元部分被消隐而不显示。

（2）为了节省计算成本，建立1/2对称模型进行数值分析计算，在后处理时通过扩展对称结构查看分析结果。

碳化硅陶瓷材料的物理参数见表1[10]。在有限元软件中，建立尺寸为2.5 mm×2.5 mm×2 mm的碳化硅1/2对称物理模型，设定激光热源以恒定速率沿着X轴正向移动，采用八节点热耦合六面体单元进行网格划分，同时考虑到激光刻蚀实际加工情况及模拟结果的准确性，将激光斑点范围内的网格进行局部细化，有限元三维模型及其网格模型见图1。

表1 碳化硅陶瓷材料物理参数

图1 有限元三维模型及其网格划分

根据激光扫描速度（1 mm/s）及模型尺寸，设置作用时间为1 s、初始温度为293 K；将对流换热作为边界条件加载到分析中，设置对流换热系数为200 J/（m2·K）；采用高斯双椭球体热源，利用 Dflux子程序接口来定义随时间变化的热流载荷。

此外，由于数值模拟分析难以精确体现实际加工过程所得的槽体形貌，故数值模拟所得的槽体截面形状只反映在一定条件下的变化趋势。

3 有无射流的刻蚀加工截面形状对比分析

为了精确分析有、无射流情况下的刻蚀槽体截面形状，任选一组工艺参数组合进行数值模拟仿真，即：水射流速度12 m/s、激光输入电流160 A、脉宽0.9 ms、重复频率45 Hz、扫描速率1 mm/s。分析过程中，考虑低压射流速度下对工件的对流换热作用，在单纯激光刻蚀加工和有射流作用两种情况下，观察对比仿真结果与相应加工工艺参数所对应实验结果的槽体截面形状及热影响区的大小，结果见图 2、图 3。

图2 无射流情况下的槽体截面形状对比

图3 有射流情况下的槽体截面形状对比

数值模拟仿真结果显示，温度场的分布由热源中心向四周扩散，中心温度最高，达到材料熔点的部分消失并形成槽体，其周围颜色较深的区域为热影响区。在无射流情况下，加工过程中的温度场分布范围较广，形成的热影响区较大，从而造成截面形状宽度及深度均较大；而单纯激光刻蚀加工情况下，低压射流辅助下的激光刻蚀槽体深度较小，截面形状也呈较规则的V型，且流体的对流换热作用也在一定程度上减小了热影响区。由图2、图3还可看出，仿真所得刻蚀截面形状的变化规律与实验结果的变化规律趋势基本吻合，证明了复合刻蚀加工的数值模拟方法的可行性、准确性及有效性。

4 工艺参数对刻蚀截面形状影响的预测

以碳化硅陶瓷的复合刻蚀加工为例，采用有限元数值模拟方法代替实验分析，开展不同工艺参数对刻蚀截面形状影响的预测研究。

4.1 数值分析计算参数的选取

不同的激光频率、脉宽、输入电流及射流速度会对复合刻蚀加工产生一定的影响。在数值分析过程中，采用单因素分析法研究每个变量对复合刻蚀加工的影响，即控制其余三个变量不变，使研究对象在一定范围内变化。相关工艺参数见表2。

表2 单因素分析工艺参数表

4.2 数值模拟结果及分析

采用图1所示的有限元模型，以表2所示的各组工艺参数进行数值计算，可得到不同工艺参数下的截面形状仿真结果。对各组仿真结果中的刻蚀槽体深度和槽口宽度进行测量，绘制相应的变化规律曲线。

由图4可看出，槽体深度和槽口宽度随着激光重复频率的增大呈先增大、后减小的趋势。这主要是因为复合刻蚀加工过程中，随着重复频率增大，单位时间内的激光作用次数增加，使刻蚀量增大，但当重复频率增大到一定值后，能量累积较大，使槽体内熔渣的生成率大于熔渣的去除率，从而使槽体深度和槽口宽度变小。

图4 不同激光频率仿真结果中的槽体深度和槽口宽度的变化规律

由图5可看出，随着激光脉冲宽度的增加，刻蚀槽体深度和槽口宽度均不断增大。这是因为激光脉冲宽度的增加可使激光时间能量密度增大，从而增加单位时间内的刻蚀量。

图5 不同激光脉宽仿真结果中的槽体深度和槽口宽度的变化规律

由图6可看出，随着输入电流的增加，槽体深度和槽口宽度均不断增大，但增幅变缓。这是因为在一定范围内增加输入电流值，会导致激光束功率密度增大，从而使激光作用点的温度急剧上升；而当输入电流增加到一定程度时，产生的熔渣不能及时清除，将导致刻蚀成形变缓，不利于生产加工，所以需选择合适的输入电流值。

图6 不同输入电流仿真结果中的槽体深度和槽口宽度的变化规律

由图7可看出，当射流速度逐步增大时，槽体深度和槽口宽度的变化规律呈先降后升的趋势，这是由低压射流冷却作用和冲击作用的双重效应所导致的。当射流速度较低时，射流冷却作用大于冲击作用，刻蚀槽体宽度和槽口深度减小；随着射流速度不断增大，射流的冲击作用占主导，刻蚀的槽体宽度和槽口深度随之增大。因此，研究射流速度对复合刻蚀过程的影响，主要是看射流冷却和冲击作用的主次效应。

5 结束语

本文以碳化硅陶瓷的低压射流辅助激光刻蚀加工为例，介绍了采用数值模拟方法进行工艺参数对刻蚀截面形状影响预测研究的思路，为研究各参数对加工效果的影响或选择某种材料的复合刻蚀加工工艺参数提供了一种快捷准确的借鉴方法。在不适宜实验研究或实验研究工作量较大的情况下，可首先采用数值模拟方法大致了解不同工艺参数对刻蚀截面的影响趋势及各参数的优值区间范围，继而有针对性地选择几组工艺参数进行实验分析，可快捷、准确地确定较优的加工工艺参数组合，从而大幅减少实验次数。

图7 不同射流速度仿真结果中的槽体深度和槽口宽度的变化规律

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Study on Numerical Simulation Prediction for Processing Parameters of Low-pressure Jet Assisted Laser Etching

CHEN Xuehui1,2，ZHANG Xiangyan1，SONG Wei2，YUAN Genfu3
（1.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601，China；3.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi 214122，China ）

According to the actual situation of low-pressure jet assisted laser etching processing，the heat conduction equations have been established and the finite element numerical simulation models have been developed.The composite etching of SiC ceramics is taken as an example，comparing the numerical results with the test results to verify the feasibility of numerical simulation method.On this basis，the process parameters which affect the shape of the etching cross section are predicted by using numerical simulation method.Which provides an accurate method for studying the influence of each parameter on the processing effect.It also provides an accurate method for selecting the appropriate processing parameters.

laser etching processing；low-pressure jet；processing parameters；numerical simulation

TG665

A

1009－279X（2017）05－0039-04

2017-08-18

国家自然科学基金资助项目（51175229）；安徽省高等学校自然科学研究项目（KJ2015A013）；安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目（gxyqZD2016153）

陈雪辉，男，1977年生，副教授、博士研究生。