激光诱导空泡冲击强化动力学特性*

陈铁牛，邓 宇，曾文平，李 松，丁首斌，陈海涛

（1.广东职业技术学院，广东佛山 528041；2.广东工业大学，广州 510006）

0 引言

激光诱导空泡冲击强化技术是利用激光在水下聚焦后击穿液体介质形成空泡[1-2]，利用空泡生长和溃灭阶段产生的指向固体壁面的射流和冲击波对工件进行冲击强化。与传统激光冲击强化技术相比，激光诱导空泡冲击强化技术能够利用低能量的激光器、较小的激光光斑和较高的频率对工件进行冲击强化加工[3-4]，已成为近期研究的热点问题之一。

国内外众多学者都对激光水下冲击强化技术进行了研究，Mukai和Nithin[5-6]直接将工件浸没在液体中，以较小的激光能量和10～100 Hz 的重复频率对工件进行冲击强化。Sano 等[7]利用激光水下无涂层冲击强化进行核电站的维护。Sathyajith[8]利用激光对T6 材料薄片进行水下无涂层激光冲击强化，加工后工件残余应力都得到相应增加。覃恩伟[9]、孙汝剑[10]、韩培培[11]、罗高丽[12]等对不同材料进行冲击强化，加工后工件性能得到显著提升。舒坤等[13]通过对焊缝处的材料进行冲击强化，将焊缝显微硬度提升50%。

除了利用激光空泡进行冲击强化，近年来，众多学者对激光空泡进行了理论和实验研究，王亮亮等[14-16]利用激光诱导空泡进行微沟槽的冲压成型实验研究。Zhang等[17]借助纳秒-微米时空分辨率的激光空化泡摄影测量系统，对壁面附近空泡溃灭形态演化进行了实验研究和仿真计算。Park 等[18]采用基于三维Navier-Stokes 方程的完全可压缩混合模型对刚性表面附近激光诱导的单气泡动力学进行了数值模拟。Senega 等[19]研究了激光诱导空化泡淹没在水、乙醇和聚乙二醇中的动力学，观察到在边缘后方形成一个固定型的次级腔。Li 等[20]对壁面附近空化泡的动力学行为进行了实验研究，指出壁面的存在会显著影响空泡坍塌特性。Zhang等[21]基于高速相机的空化实验系统研究了诱导球形颗粒与固体壁面间空化泡的溃灭动力学。

由于激光诱导空泡冲击强化过程是气、液、固多相的实时作用，作用过程较为复杂，有必要先对空炮生长和溃灭过程动力学特性进行研究。本文利用激光聚焦于水下，诱导产生空泡，分别对不同激光焦点位置、不同激光能量情况下的空泡脉动特性进行实验，分析空泡的动力学特性，该研究有助于揭示空泡冲击强化的作用机理。

1 实验装置

实验装置如图1 所示，图中有机玻璃厚度为4 mm，上面加工有0.5 mm 直径小孔，整个工件浸没在蒸馏水下10 mm 位置，1 064 nm 激光经过77 mm 焦距透镜聚焦于水下工件上方，激光器采用Nd:YAG 调Q 激光器，激光脉宽为7 ns，激光器型号为Dawa 200；采用不同激光能量和不同激光焦点位置进行空泡实验。实验时蒸馏水在激光的作用下迅速气化，形成等离子体，继而形成空泡。空泡在水中以极快的速度膨胀和收缩。利用高速摄影仪观测微孔入口和出口处空泡脉动的流体动力学特性，高速摄影仪采用Keyence vw-600C，使用帧率为80 000 f∕s，卤素灯用于高速摄影仪拍摄的照明。

图1 实验装置

2 不同焦点位置激光空泡特性研究

为了研究不同焦点位置的空泡特性，采用激光能量为6.27 mJ，分别将激光焦点聚焦于0.5 mm 小孔上方1.6、0.8、0、-1 mm 四个位置（激光能量为6.27 mJ 时该位置具有代表性），通过高速摄影仪拍摄空泡的变化过程。

2.1 空泡位于孔上1.6 mm 位置情况

图2 是激光焦点聚焦于孔口上方1.6 mm 位置的空泡脉动序列图。图中A1 帧（0 µs）激光聚焦于孔口上方1.6 mm 处，A2 帧（12.5 µs）焦点处的空泡开始膨胀，A3 帧（87.5 µs）空泡膨胀到最大直径约1.72 mm。之后空泡开始呈球状收缩，收缩到最小直径B1帧（187.5µs）时空泡开始溃灭，并呈现趋向微孔的运动，但此时空泡并没有和微孔接触。在B2 帧（212.5 µs）空泡呈心形膨胀，B3 帧（250 µs） 空泡再次膨胀到最大泡径约1.17 mm，之后空泡再次收缩，并呈现明显的趋向微孔方向收缩。收缩过程空泡与微孔一直保持接触，最后在C1帧（312.5µs）空泡溃灭，在C1 到C5 帧空泡再次膨胀一次后溃灭，消散在水中，整个过程空泡振荡3次。

图2 激光焦点聚焦于孔口上方1.6 mm位置的空泡脉动序列

图3 是0.5 mm 微孔下端出口处空泡脉动序列图，图中A2 帧（12.5 µs）可见有黑色物体喷出，根据Kelly Siew Fong Lew 的研究[22]，这种孔口喷出物实际上是孔内液体高速射出时与周围液体产生速度差而形成新的空泡，空泡在孔内喷出液体的推动下将随着液体一起流动，可以将空泡移动的速度作为孔内液体的喷出参考速度。通过对高速摄影图片进行分析，图3 中12.5µs 时刻空泡向下移动速度为4.8 m∕s，之后空泡速度在波动中衰减，并且整个过程中，孔尾只出现一次空泡，整个空泡移动的平均速度为3.4 m∕s。由于高速摄影仪拍摄开始时间不能做到严格与激光器发射激光时间同步，仅从图3 还无法判断孔尾空泡是由图2 中激光聚焦时刻导致的，还是由后面几次空泡溃灭导致。

图3 激光焦点聚焦于孔口上方1.6 mm位置时微孔出口端序列

2.2 空泡位于孔上0.8 mm 位置情况

图4 是激光焦点位置位于孔口上方0.8 mm 位置时的空泡序列图。图中空泡在A3 帧（87.5 µs）达到最大泡径，约1.725 mm，与图2 中空泡的最大直径相当，并且此处的空泡达到最大泡径的时间与图2 中空泡的最大泡径时间一致，但空泡达到最大泡径时并非呈完整的球形，其下端有一尾迹和小孔相连。A3 帧之后空泡开始收缩，图中B1帧空泡已收缩到最小泡径并发生溃灭，收缩到最小泡径的时间为200 µs，比图2 B1 帧的187.5 µs 略长，但图2 中空泡距离微孔较远，受壁面的影响较小。空泡收缩过程（A3至A5帧）呈球形，而图4中空泡收缩过程（A3 至A5 帧）则有很大不同，整个空泡的下端一直与0.5 mm 孔口接触，并且下端逐渐变得扁平，整个收缩过程逐渐由球形变成半球形，并在第一次溃灭前A5 帧（187.5µs）时刻，空泡上表面变得扁平，说明空泡上方已经出现塌陷，最后在B1 帧空泡上表面塌陷击穿下表面，空泡溃灭。空泡在B1 帧（200µs）溃灭后反弹膨胀了一次（B1 至B3），最后在B5 帧（325µs）溃灭。对比图2 和图4，两者的周期变化很大，图2 中空泡从初生到完全溃灭的整个周期是412.5µs，图4的周期已经下降到了325µs。同时图2 中的空泡振荡了3 次，图4 中的空泡只振荡了2次。由于振荡次数的减少导致周期缩短。

图4 激光焦点位置位于孔口上方0.8 mm位置时空泡脉动序列

图5 为0.5 mm 孔出口高速摄影图片。与图3 相比，图5 中孔出口处移动空泡的体积大小有所增加（见A2帧），测量得到A2 帧空泡的移动速度为4.8 m∕s，与图3中一致，并且整个孔尾只出现一次空泡，整个空泡移动的平均速度为4.9 m∕s。

图5 激光焦点聚焦于孔口上方0.8 mm位置时微孔出口端序列

2.3 空泡位于孔上0 mm位置情况

图6 是激光焦点位于孔上0 mm 位置（即与孔口平齐）的空泡脉动序列图。与图2和图4的情况不同，此时的空泡呈半球形膨胀（A2 至A3 帧），而非球形，同样在A3 帧（100 µs）达到最大泡径，约2.16 mm；之后空泡呈半球形收缩，在B1 帧（200µs）收缩到最小值，达到最小值的时间与图4 接近（图4 也为200µs），B1 帧空泡溃灭后再次轻微反弹膨胀，并在B5 帧（262.5µs）溃灭后弥散在周围流体中。从图6 中可见整个空泡经历了两次振荡，振荡周期为262.5µs，振荡次数与图4 的相同，振荡周期有所缩短。

图6 激光焦点位置位于孔口上方0 mm位置时空泡脉动序列

图7 为孔尾高速摄影序列图。图中整个过程出现一个明显的较大的空泡。说明孔内液体流出的速度较大，形成较大的环形空泡，图中的空泡也出现明显的膨胀和收缩过程，在A5 帧空泡膨胀到最大尺寸，之后开始收缩，但收缩过程不像图2、图4 和图6 的空泡收缩，并没有形成指向微孔的溃灭，图7 中的空泡收缩过程是逐渐远离孔口的，最终在孔下端一定距离处溃灭，如图中B5帧（150µs）所示，这主要是由于孔内有高速液体流出，导致空泡被液体推向远离孔口的位置。从A2 帧到B4 帧可以发现空泡的下端都是平的，并不是呈球形，这也说明空泡中间有高速液体流出，因此，此处的空泡应该也是环形空泡。同样也可以借鉴空泡的移动速度作为流体移动的参考速度，图中12.5 µs 时刻空泡移动速度为11.1 m∕s，整个周期内空泡移动的平均速度为6.4 m∕s，较图5和图3有明显的增大。

图7 激光焦点聚焦于孔口上方0 mm位置时微孔出口端序列

2.4 空泡位于孔内-1mm 位置情况

图8 是激光焦点位于孔内-1 mm 位置（即位于孔口下方1 mm位置）的空泡脉动序列图。此时空泡脉动序列图与激光焦点位于孔口上方的图形有很大差别。图8 中A1 帧显示激光聚焦于孔内-1 mm 处，形成击穿液体介质光亮点，A2 帧（12.5 µs）开始在孔口处形成0.75 mm ×0.22 mm 的环空泡，A3 帧（25µs）空泡继续长大，并在A5 帧（50 µs） 呈 现 出 明 显 的 倒 锥 形，空 泡B1 帧（62.5 µs）达到最大体积0.92 mm × 0.55 mm，空泡下端变得更细小，B2 帧（75 µs）时空泡下端出现将与微孔脱离的趋势，此时空泡呈心形，B3帧（87.5µs）空泡完全与微孔脱离，并呈现向上移动的趋势，此时空泡为腰鼓 形，B4 帧（100 µs） 空 泡 体 积 逐 步 减 小，B5 帧（112.5µs）空泡进一步脱离微孔，体积进一步减小，此时空泡尺寸为0.75 mm×0.3 mm。

图8 激光焦点聚焦于孔内-1 mm位置时微孔入口端序列

图9 是孔尾高速摄影序列图。与激光焦点位于孔口的情况类似，图中同样也出现一个明显的较大的空泡，图中的空泡也出现明显的膨胀和收缩过程，在A5 帧（50 µs）空泡膨胀到最大尺寸，之后开始收缩，同样没有形成指向微孔的溃灭，B1 帧（62.5 µs）空泡开始收缩，并在B3 帧（87.5 µs）脱离微孔，B5 帧（137.5 µs）空泡已经缩小至很小的体积，同样也可以借鉴空泡的移动速度作为流体移动的参考速度，经测量12.5µs时刻空泡移动速度为13.3 m∕s，整个周期内空泡的平均速度为6.8 m∕s。

图9 激光焦点聚焦于孔-1 mm位置时微孔出口端序列

图9中空泡下端各帧画面都为平面，包括图8中空泡各帧图像中，空泡上端都为平面，这是由于激光聚焦于微孔内，激光击穿液体介质后冲击波在有限空间内将孔内液体向外高速推出，导致液体推向远离孔口的位置，在高速流动液体周边形成负压，从而形成空泡。从图9中A2 帧到B4 帧可以发现空泡的下端都是平的，并不呈球形，这也说明空泡中间有高速液体流出，因此，此处的空泡应该是环形空泡。

3 不同激光能量空泡特性研究

以上实验针对不同焦点位置空泡脉动情况进行了高速摄影拍摄研究，不同位置空泡呈现的特性有很大差异，为进一步研究能量大小对微孔附近空泡的影响，同时考虑较大激光能量下空泡有足够的空间膨胀，采用孔口上方1.6 mm 的焦点位置，分别采用6.27、15.5、21.5 mJ 能量激光进行空泡高速摄影实验，由于6.27 mJ实验情况已在图2 和图3 中展示，下面分别对15.5 mJ、21.5 mJ 激光能量下的空泡特性进行研究。

3.1 激光能量为15.5 mJ时空泡脉动情况

图10为激光焦点位置位于孔口上方1.6 mm、激光能量为15.5 mJ 时空泡脉动序列图。图中A2 帧（12.5 µs）已经在孔口上方出现空泡，由于激光能量较大，此时击穿位置类似成一条线状；图中A3 帧（25 µs）时，空泡呈中间大两头尖的纺锤形，气泡左右尺寸为1.2 mm，上下尺寸为1.6 mm；A4 帧（125µs）时，空泡膨胀到最大直径，为2.46 mm，此时空泡呈现球型，同时空泡底部已经与孔口接触；A5 帧（225µs）时，空泡已经呈现趋向微孔的收缩，此时空泡尺寸为1.67 mm；图中B1 帧（250µs）中，空泡呈现一个鼓形，上部和下部都呈现扁平，在B2 帧（262.5µs）塌陷，之后空泡再次膨胀，在B3 帧（337.5 µs）空泡再次膨胀到最大尺寸，此时空泡呈现类似半球形，半球左右尺寸为3.07 mm，上下尺寸为0.75 mm，最后在B5帧（437.5µs）空泡再次溃灭，之后C1（487.5 µs）至C5 帧（587.5 µs）空泡出现轻微的反弹后完全溃灭。

图10 激光能量为15.5 mJ时微孔出口端序列

图11为激光焦点位置位于孔口上方1.6 mm、激光能量为15.5 mJ时，微孔下端出口处空泡脉动序列图。从图中可见，A2 帧（25 µs）时，微孔出口处（与A1 帧对比）出现微小的环形空泡，左右宽0.63 mm，上下厚0.08 mm；A3 帧（50µs）时，环形空泡已近脱离孔口并向下运动；A4 帧（100µs）时，环形空泡已近开始变小并分散成两处，说明空泡在向下运动的同时，也在逐步缩小；A5 帧（287.5µs）已经观测不到空泡，紧接着B1帧（300µs），孔口下方再次出现环形空泡，左右宽0.66 mm，上下厚0.13mm，比A2 帧时出现的空泡尺寸略微增大，空泡在B2 帧（325µs）时脱离孔口，之后空泡逐步远离孔口，在B5 帧（512.5µs）时，仍能清晰的观测到空泡向下运动。对比空泡第一次出现的时刻A2帧和第二次出现的时刻B1帧，间隔时间刚好是275µs。再次观察图10 发现，激光聚焦液体中的A1 帧和空泡第一次溃灭的B2 帧，时间间隔也是275 µs。可见图11 中孔尾的第一次空泡是由激光击穿液体介质时产生的冲击波形成的，第二次空泡则是由空泡第一次溃灭时产生的溃灭冲击波和射流综合作用的结果。同时也观测到第二次空泡远离孔尾的距离比第一次更远，且观测到第二次空泡的尺寸比第一次的尺寸更大，说明空泡溃灭冲击波和射流对孔尾的冲击作用更强，这可能是由于空泡溃灭时已经位于微孔入口处，比激光焦点更靠近微孔出口，因此其在微孔出口处表现出来的冲击作用更加明显。

3.2 激光能量为21.5 mJ时空泡脉动情况

图12 为激光焦点位置位于孔口上方1.6 mm 位置、激光能量为21.5 mJ 时空泡脉动序列图，图中A2 帧（12.5µs）已经在孔口上方出现空泡，同样由于激光能量较大，出现两个液体击穿点，分别在孔口上方0.89 mm处和1.65 mm处形成两个空泡，图中A3帧（50µs）两个空泡同步进行膨胀，上部直径为1.78 mm，下部直径为1.57 mm，并且上下两个空泡已经开始融合，两个空泡融合后高度为2.14 mm，A4帧（137.5µs）时，两个空泡已经融合，此时空泡基本呈现与单焦点空泡类似的球型，直径为2.6 mm，同时空泡底部已经与孔口接触；A5 帧（225µs）时刻，空泡开始趋向壁面收缩，此时空泡形状上下部出现明显台阶，说明上部空泡和下部空泡没有完全融合，出现不同步的收缩；图中B1帧（262.5µs）中，空泡呈上大下小的锥台形状，并在B2 帧（275 µs）塌陷，之后空泡再次膨胀，在B3 帧（362.5µs）空泡再次膨胀到最大尺寸，此时空泡同样呈类似半球形，半球左右 尺 寸3.28 mm，上 下 尺 寸0.78mm，最 后 在B5 帧（462.5 µs）空泡再次溃灭，之后C1（500 µs）至C5 帧（650µs）空泡出现轻微的反弹后完全溃灭。

图12 激光能量为21.5mJ时微孔出口端序列图

图13 为微孔下端出口处空泡脉动序列图。从图中可见，A2 帧（25µs）时，微孔出口处（与A1 帧对比）出现微小的环形空泡，左右尺寸0.77，上下厚度0.16 mm，相对于图11 中该时刻的空泡尺寸要明显增厚；A3 帧（50 µs）时，环形空泡进一步增厚，左右宽0.72 mm，上下厚0.25mm，并呈现与孔口脱离的趋势；A4 帧（100µs）时，环形空泡已近开始变小并与孔口脱离，此时空泡距离孔口0.36 mm；A5帧（287.5µs）时，空泡已经缩小到非常小的尺寸，距离孔口1.1 mm，紧接着B1帧（300 µs），孔口下方再次出现第二个环形空泡，左右尺寸为0.69 mm，上下尺寸为0.12 mm，比A2 帧时出现的第一个空泡尺寸由略微减小；同时距离孔口1.19 mm，第一个空泡又再次开始增大，较A5 帧时变得更加明显；之后B2 帧（325µs）第二个空泡进一步增大，并准备脱离孔口，此时空泡左右尺寸为0.72 mm，上下厚度为0.19 mm，与第一次空泡相应位置（A3 帧）略微减小，之后空泡逐步远离孔口，在B5 帧（512.5µs）时，仍能清晰地观测到空泡向下运动。

图13 激光为15.5 mJ时微孔出口端序列

从图13 可见，第一次空泡较第二次空泡尺寸更大、更明显。这可能是由于激光能量的增加，激光聚焦于水中产生第一次冲击波的能量也随之增加，所以图13 中A2 帧空泡相应增大，而图13 中B2 帧空泡相较于A2 帧，该时刻的溃灭冲击波和射流冲击作用没有第一冲击波增加明显，所以第一次空泡尺寸大于第二次空泡尺寸，但整体第一次和第二次空泡尺寸都比图11 激光能量较小时有明显增大。

除了对不同激光焦点位置、不同激光能量进行实验外，还分别采用1、3、5、10 Hz 进行激光空泡连续冲击实验，由于以上频率的激光作用间隔时间（10 Hz的间隔时间6 s）远远大于激光空泡几百微秒的作用时间，相邻两空泡之间不会出现相互影响，因此采用低脉冲频率可以实现空泡的连续冲击作用，激光每个脉冲的冲击作用机理与单个空泡的作用机理一样，本文不再赘述。

4 讨论

为了进一步分析激光空泡的流体动力学特性，绘制了空泡直径、移动速度、压力等参数曲线。图14 为孔口上方空泡水平和竖直尺寸曲线图。从图中对比可见，不同焦点位置空泡尺寸基本经历了3次振荡，曲线出现3次膨胀和收缩（激光焦点位于孔内1 mm时只观测到两次）；图14（a）是孔口空泡水平尺寸曲线图，图中0～200 µs阶段激光焦点与孔口平齐（即孔口上方0 mm）时，空泡水平尺寸最大，达到约2.25 mm，由于此时激光焦点正好与孔口平面平齐，空泡膨胀在竖直方向受到孔口所在壁面的限制，导致空泡只能朝水平两侧膨胀，所以此阶段空泡水平尺寸最大（见图6）。其次是激光焦点位于“孔口0.8 mm”时，此时空泡在膨胀到最大直径时，空泡与孔口壁面接触，开始受到壁面的影响（见图5），所以从图14（a）中可见，“孔口上方0.8 mm”与“孔口上方1.6 mm”两种参数下，0～100 µs 时空泡水平尺寸接近，在膨胀到最大直径时，“孔口上方0.8 mm”的水平尺寸略大于“孔口上方1.6 mm”；100～200 µs 阶段可见“孔口上方0.8 mm”收缩速度小于“孔口上方1.6 mm”，原因是孔口壁面对空泡有阻碍作用；200～300 µs 空泡第二次振荡阶段，空泡水平直径最大的是“孔口上方0.8 mm”，该时刻空泡紧贴孔口壁面进行膨胀（见图4），受到壁面的限制，只能在水平方向进行长大。

图14 孔口上方空泡尺寸曲线

图14（b）为不同焦点位置空泡竖直方向尺寸曲线。从图中可见，空泡在0～400µs 的振荡周期内，基本上焦点距离孔口越远，空泡竖直尺寸越大。原因是距离孔口越远，壁面对空泡的限制作用越小，空泡在竖直方向膨胀和收缩的限制越小，所以其空泡最大泡径也就越大。

在激光空泡作用过程中，主要存在3种压力：（1）激光击穿液体时产生的等离子体冲击波产生的压力；（2）空泡溃灭时产生的溃灭冲击波压力；（3）当空泡位于固体壁面附近时，空泡收缩阶段还将产生微射流，射流作用在工件上将对工件产生压力作用。

针对等离子体冲击波，Fabbro[23]在Anderholm、Lesser 等[24-25]研究的基础上推导了不同约束介质（比如水、玻璃、金属）条件下的激光等离子体运动模型，并提供了冲击波压力与激光能量密度的方程。

式中：P为激光等离子体压力；I0为激光能量密度；α为激光等离子内能转化为激光压力的系数，此处α≈0.1；Z为环境介质（Z1）与施加目标（Z2）的复合阻抗，有

其次，空泡溃灭时，也将在目标物体上施加冲击波压力，根据Lord Rayleigh[26]的理想空泡方程：

式中：ρ为液体的密度；R为空泡的半径；为空泡壁运动的速度；为空泡壁加速度；PR为空泡壁压力；P∞为无限远处水域压力。

由于Rayleigh 方程没有考虑空泡含气量、表面张力和可压缩性等因素的影响，通过计算会发现空泡收缩到最小半径时泡壁的速度和加速度将变得无穷大，并且空泡不会反弹，与实际情况不符。式（3）是陈笑[27]提供的改进后的Rayleigh 方程，该方程考虑了含气量、表面张力和液体黏度等因数。

式中：Pv为饱和蒸汽压力；R0为空泡初始半径；σ和μ分别为液体的表面张力系数和黏度系数；γ为气体绝热指数。

图15为孔尾空泡水平和竖直尺寸曲线。从图中可见，只有激光焦点位于“孔口上方0 mm”和“孔内1 mm”时，空泡水平和竖直尺寸较大，其他焦点位置空泡尺寸都较小。从图15（a）可见，空泡第一次振荡周期约为100 µs，空泡水平尺寸最大约为1.2～1.3 mm，较激光焦点为“孔口上方0.8 mm”和“孔口上方1.6 mm”时空泡大0.3～0.5 mm。同样，图15（b）空泡竖直尺寸也是激光焦点位于“孔口上方0 mm”和“孔内1 mm”时较大。由于空泡半径越大，空泡推动周边液体移动的距离也就越大，空泡推动液体所做的功也就越大，即空泡越大，空泡所具有的能量也就越大。因此可见，激光焦点位于“孔口上方0 mm”和“孔内1 mm”时，孔尾空泡具有更大的能量，对周边物体将产生更大的冲击作用力。

图15 孔尾空泡尺寸曲线图

图16 为孔尾空泡竖直方向移动速度曲线。该曲线图以空泡中心点作为观测对象，通过高速摄影测量的距离与间隔时间计算得到。从图中可见，激光焦点位于“孔内1 mm”时，空泡移动速度最大，其次是激光焦点位于“孔口上方0 mm”。当位于“孔内1 mm”时，在12.5 µs时刻，空泡移动最大速度为13.33 m∕s；在112.5µs时刻，空泡移动最大速度再次达到13.33 m∕s。空泡移动速度排第二的是激光焦点为“孔口上方0 mm”。在12.5 µs 时刻，空泡移动速度为11.11 m∕s，在112.5 µs 时刻，空泡速度为12.78 m∕s。对比图16和图15，空泡移动速度最大的时刻对应于孔尾空泡初生和空泡溃灭的阶段。空泡初生阶段，由于孔内液体高速流出，与周边液体形成速度差，从而形成孔尾环形空泡，因此孔尾空泡第一次速度最大值出现在孔尾空泡生成的初期，此时冲击波带动着空泡一起向下运动；孔尾空泡移动速度的第二次峰值出现在孔尾空泡溃灭阶段，由于该阶段孔尾空泡已经缩小到最小泡径，并发生溃灭，而空泡在溃灭阶段将再次辐射冲击波，该速度与空泡原有移动速度叠加，因此在该时刻观测到空泡移动速度较大。

图16 孔尾空泡移动速度曲线

图17 孔尾空泡水锤压力曲线

为了进一步研究孔尾空泡产生的压力作用，根据水锤压力公式[28]，可以将孔尾空泡运动的速度转化为压力，水锤压力公式如式（4）所示。

式中：c1和c2分别为水中和目标物体（此处假设液体冲击纯铝）中的声速；ρ1和ρ2分别为水和目标物体的密度；v为水锤速度；P为施加在目标物体上的压力。

式（4）中水锤压力P与水锤速度v成正比，速度越大压力也就越大。将图16 孔尾空泡移动速度转化为水锤压力，可得到图17 不同时刻空泡的水锤压力-时间曲线。从图17 可见，激光焦点位置位于“孔口上方0 mm”和“孔内1 mm”时可获得较大的水锤压力；当时间为12.5µs时，“孔口上方0 mm”和“孔内1 mm”获得的水锤压力分别为15.15 MPa 和18.18 MPa，在112.5 µs 时，水锤压力分别为17.14 MPa和18.18 MPa。

通过上面实验和分析可见，激光聚焦于水中微孔附近不同焦点位置时，能够产生不同形态的空泡。空泡在膨胀和收缩的振荡过程中，将推动微孔内液体高速流出，并在微孔出口处产生环形空泡。当激光焦点距离微孔较近时（微孔上方0 mm 和孔内1 mm），能在微孔出口处产生较大的环形空泡。该环形空泡同样伴随着膨胀和收缩，通过高速摄影仪观测可以得到该空泡移动速度为13.33 m∕s（激光能量为6.27 mJ，焦点位于孔内1 mm）和11.11 m∕s（激光能量为6.27 mJ，焦点位于孔口0 mm），相应的水锤压力分别为18.18 MPa 和15.15 MPa。因此可以通过控制激光焦点到工件的距离大小得到不同大小的冲击压力。如果将该冲击压力引入冲击强化制造领域，通过不同激光参数的组合，将能够实现材料的冲击强化。

同时通过调整激光能量大小可以得到不同大小的空泡，微孔出口端形成的环形空泡也将发生尺寸等变化，因此也能够通过调整不同能量激光聚焦于水中微孔附近，在微孔出口端形成不同压力的冲击作用。

5 结束语

本文实验研究发现不同激光焦点位置和激光能量聚焦于水下微孔附近时，将在激光焦点处产生空泡，伴随着空泡膨胀和收缩，推动孔内液体高速流出，并在微孔出口端产生环形空泡。通过实验的开展，发现激光焦点距离微孔较近，或者激光能量较大时，微孔下方出现两次环形空泡，第一次为空泡生成初级的冲击波导致，第二次由空泡溃灭冲击波导致，实验中第一次冲击波的速度和冲击力明显大于第二次冲击波，因此，激光诱导空泡冲击强化过程中起主要作用的应该为空泡初生的冲击波。实验中通过观测环形空泡的移动速度和计算水锤压力，可以发现激光焦点距离微孔越近，产生的水锤压力越大；激光能量越大，产生的水锤压力越大。因此可以利用该压力对材料进行冲击强化加工，通过改变激光焦点与微孔的距离、激光能量等参数能够实现冲击压力可控的冲击强化加工，这将有利于空泡冲击强化等研究的开展，揭示激光冲击强化作用机理。