連續(xù)激光與復(fù)合激光輻照鋼靶的相變燒蝕研究

【摘 ?要】本文基于連續(xù)激光與復(fù)合激光輻射鋼靶的相變燒蝕進(jìn)行詳細(xì)探究，并且依據(jù)鋼靶在連續(xù)激光和復(fù)合激光的輻射下，其溫度曲線的變化進(jìn)行了詳細(xì)描摹。著重探究鋼靶在連續(xù)激光與復(fù)合激光的輻射下，隨著時(shí)間長短，其變化曲線如何呈現(xiàn)。并且通過兩種輻射方式所得出的穿孔方式進(jìn)行了詳細(xì)探究，以汽化穿孔和熔融穿孔兩種方式，作為輻射穿孔的最終結(jié)果，其依據(jù)在于能量的密度。由此，本文將對(duì)于連續(xù)激光與復(fù)合激光與鋼靶之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)探討，通過模型的建立，探究理論結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】激光輻照;鋼靶;相變;燒蝕;數(shù)值仿真

1 引 言

通過連續(xù)激光或復(fù)合激光的方式，對(duì)鋼靶的局部進(jìn)行高溫處理，從而達(dá)到穿孔的目的。這是基于溫度導(dǎo)致局部變化，使部分位置變薄而造成的。在此過程當(dāng)中，金屬會(huì)受到溫度、傳熱系數(shù)、比熱容、吸收率以及激光的功率等相關(guān)因素的影響。由于激光技術(shù)在加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致在激光加工過程當(dāng)中，激光對(duì)于金屬的副作用，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。而在實(shí)際的激光打孔過程當(dāng)中，會(huì)由于金屬靶向的相變問題，熔融物與激光之間的相互作用，從而影響打孔的實(shí)際有效性。如此，本文將基于連續(xù)激光與復(fù)合激光輻照鋼靶的相變燒蝕進(jìn)行研究。

2 模型建立

2.1 理論模型

調(diào)制脈沖激光區(qū)別于超快激光，在對(duì)材料進(jìn)行熱作用的過程當(dāng)中，是以焗熱平衡作為激光作用的起點(diǎn)，而進(jìn)行材料加工的，并基于傅里葉定律對(duì)其進(jìn)行熱量計(jì)算。與此同時(shí)，由于金屬具有趨膚效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致在激光對(duì)金屬表面進(jìn)行熱作用過程當(dāng)中，使激光的光熱成為材料表面的熱源，對(duì)其進(jìn)行打孔工作。此外，在溫度條件變化下，其液體會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變，在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積的液體表面會(huì)隨著汽化作用，而導(dǎo)致激光作用于材料表面的熱量有所損失。需要在其進(jìn)行相變過程當(dāng)中的熱傳導(dǎo)量進(jìn)行計(jì)算。

在對(duì)其進(jìn)行模型試驗(yàn)的過程當(dāng)中，模型數(shù)據(jù)與實(shí)際的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生出入。連續(xù)激光功率密度的數(shù)量及要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際過程當(dāng)中的數(shù)量值，較之實(shí)際產(chǎn)生激光支持等離子體的閾值要小。因此，在進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)于靶材蒸汽與激光透過率之間的影響力忽略不計(jì)。同時(shí)，在模型試驗(yàn)過程當(dāng)中，將靶材材料定性為同性物質(zhì)，在固相和液相階段，對(duì)于熱物性進(jìn)行分別取值，以提高計(jì)算的便捷性，避免在模型試驗(yàn)過程當(dāng)中，由于數(shù)據(jù)采集出錯(cuò)而導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。并且通過實(shí)際的模型試驗(yàn)，對(duì)鋼材吸收率隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析，切實(shí)探究在連續(xù)激光與復(fù)合激光輻照鋼靶的相變燒蝕的過程當(dāng)中，激光對(duì)于鋼靶的實(shí)際作用。通過吸收率的變化曲線，得出鋼靶的吸收率等于0.05到0.3之間，以此才能夠在實(shí)際過程當(dāng)中，對(duì)吸收率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以滿足激光打孔的需要。

2.2 數(shù)值模擬

對(duì)數(shù)值模擬需要借助軟件進(jìn)行有限元分析，一般來講以COMSOL Multiphysics 軟件進(jìn)行有限元的仿真分析，能夠進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)于連續(xù)激光與復(fù)合激光輻照鋼靶的模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析處理能力。在實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，以對(duì)稱形式的靶材作為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，借助三維立體的模型進(jìn)行模擬分析，通過該方式降低數(shù)據(jù)計(jì)算量。并且對(duì)對(duì)稱截面進(jìn)行絕熱處理，同時(shí)將仿真模型上的激光輻射面視為高斯分布的面熱源，并以網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行割分，使其能夠通過網(wǎng)格進(jìn)行面積計(jì)算，從而使計(jì)算量降低，降低出錯(cuò)率。

設(shè)置模型鋼板厚度為20mm，并且以3.0千瓦的連續(xù)激光對(duì)其進(jìn)行輻射作用。利用不同的光斑大小與相同瓦數(shù)的激光輻射能力進(jìn)行試驗(yàn)，從而得出當(dāng)光斑小時(shí)，相同瓦數(shù)的作用點(diǎn)高度集中于該光斑處，使之能夠達(dá)到相應(yīng)沸點(diǎn)。而光斑大，使輻射作用面積過大，相變作用不明顯。當(dāng)光斑大小為10mm時(shí)，以1千瓦的連續(xù)激光對(duì)鋼板進(jìn)行作用，無相變作用發(fā)生。而當(dāng)光斑大小為5mm時(shí)，以1千瓦的連續(xù)激光對(duì)其進(jìn)行輻射作用，能夠使鋼靶發(fā)生相變作用。由此得出，同樣功率的激光作用，當(dāng)光斑面積小時(shí)輻射作用集中，其相變作用也更為明顯。與此同時(shí)，在模擬實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，應(yīng)該考慮溫度問題與鋼靶的汽象燒蝕效應(yīng)。在進(jìn)行激光輻射過程當(dāng)中，由于燒蝕現(xiàn)象會(huì)影響最終的鋼靶相變作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)燒蝕現(xiàn)象進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)變形網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。當(dāng)光斑半徑為10mm時(shí)，對(duì)其進(jìn)行激光輻射作用，以1千瓦的功率對(duì)其進(jìn)行激光處理，此時(shí)鋼靶無相變作用發(fā)生。而以2千瓦功率進(jìn)行激光作用時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)5mm大小的相變區(qū)域。當(dāng)功率加至3千瓦時(shí)，相變區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，與此同時(shí)會(huì)出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。當(dāng)光斑半徑小于10mm時(shí)，同樣功率下，對(duì)其進(jìn)行激光輻射作用，其燒蝕現(xiàn)象會(huì)更加明顯，甚至?xí)霈F(xiàn)熔融現(xiàn)象。如若在此過程，當(dāng)中基于此條件添加毫秒級(jí)脈沖式激光熱源，調(diào)制脈沖輸出功率1.0KW，脈寬為10ms，脈沖頻率為5Hz，輻照時(shí)間為20s，則能進(jìn)一步看出，光斑大小與溫度差異之間的相關(guān)性更為明顯。

3 實(shí)驗(yàn)分析

在具體實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，以連續(xù)激光組和連續(xù)調(diào)制脈沖激光組作為兩組實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)。在連續(xù)激光組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，將光斑的半徑大小設(shè)置為8mm，對(duì)于連續(xù)調(diào)制脈沖激光組的基礎(chǔ)設(shè)置為脈寬50ms，頻率5Hz，光斑半徑為8mm。對(duì)于兩組激光組在溫度條件不同的情況下，導(dǎo)致的鋼靶變化由熱像儀進(jìn)行記錄。在兩組激光作用方式下對(duì)鋼靶進(jìn)行的輻射作用，由攝影機(jī)記錄輻射過程。根據(jù)攝影機(jī)的記錄過程來看，鋼靶受到激光的輻射作用后，從受輻射的面向鋼靶邊緣擴(kuò)散，進(jìn)行內(nèi)部傳導(dǎo)工作。在內(nèi)部熱組合邊緣損耗的情況下，會(huì)導(dǎo)致溫度在鋼板上出現(xiàn)了梯度情況，溫度會(huì)不斷提升，直到鋼靶動(dòng)態(tài)平衡穩(wěn)定后才會(huì)停止。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)，連續(xù)激光組合與連續(xù)調(diào)制脈沖激光組的功率超過2千瓦后，殼體會(huì)沿著激光的光束而發(fā)生燒蝕打孔。其過程會(huì)伴隨著熔化和汽化的現(xiàn)象。由此能夠得出，隨著燒蝕現(xiàn)象的不斷發(fā)生，材料的吸收性和熱物性參數(shù)會(huì)不斷變化。

4 結(jié) 論

綜上所述，通過模擬試驗(yàn)對(duì)連續(xù)激光和復(fù)合激光輻照鋼板的相變燒蝕進(jìn)行著重分析。在激光輻照的過程當(dāng)中，鋼靶的整體相變會(huì)隨著溫度的變化而不斷變化，材料的熱物性和吸收性也會(huì)隨之發(fā)生改變。與此同時(shí)，在不同的功率作用下，不同的光斑大小也會(huì)直接影響到鋼靶相變的程度與熔融的程度以及燒蝕的作用面積。由此，才需要針對(duì)激光的輻射作用對(duì)鋼靶的燒蝕問題進(jìn)行詳細(xì)探討，這對(duì)于用激光進(jìn)行打孔工作有著重要意義。

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作者簡介：

吳剛，男，遼寧，1987.11.08，本科學(xué)歷。