連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束輻照鋁靶材的熱特性研究

李超，高勛，安良友志，王畢藝

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300308）

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，近十年來激光焊接、激光打孔、激光切割以及激光表面改性等激光材料加工技術(shù)快速發(fā)展。由于激光加工具有材料變形小、加工區(qū)域可選擇等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防、工業(yè)、航空等領(lǐng)域得到快速?gòu)V泛應(yīng)用。在激光加工中，涉及到材料吸收激光能量溫度升高、熔化、氣化、濺射以及擊穿電離產(chǎn)生等離子體等復(fù)雜的物理過程。激光加工研究結(jié)果表明，材料對(duì)入射激光的吸收率是影響激光加工質(zhì)量的一個(gè)重要物理參數(shù)。材料吸收率高，達(dá)到相同激光加工效果所需要的激光功率低，并且熱影響區(qū)域小。因此提高材料對(duì)激光的吸收率，提升激光能量利用效率成為激光加工行業(yè)快速發(fā)展需要解決的問題之一。

材料吸收率是與材料溫度相關(guān)的函數(shù)［1］，材料溫度高，則吸收率越大。采用雙激光光束輻照材料，一束激光作用材料引起溫度升高，溫度升高的材料對(duì)另一束激光的吸收率增大，從而提高了激光能量利用效率。這種采用組合雙激光光束輻照材料方法，在提高激光利用效率的同時(shí)，同時(shí)提高了激光加工效率［2］。在組合脈沖激光光束與物質(zhì)相互作用過程中，需要考慮優(yōu)化組合脈沖激光之間的時(shí)間延時(shí)等參數(shù)對(duì)激光加工效能影響。肖婧等［3，4］基于ANSYS仿真了長(zhǎng)脈沖激光和連續(xù)激光共同輻照鋁合金的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。曾交龍等［5］開展了1064nm的連續(xù)激光和脈沖激光對(duì)GaAs材料的聯(lián)合破壞效應(yīng)，聯(lián)合破壞時(shí)脈沖激光損傷閾值變小。王昂等［6］開展了連續(xù)激光和脈沖激光對(duì)CMOS探測(cè)器的毀傷研究，結(jié)果表明連續(xù)激光毀傷主要是熱效應(yīng)作用，而脈沖激光主要是激光熱效應(yīng)和等離子體沖擊效應(yīng)混合作用。潘峰等［7］開展了鋁合金/不銹鋼雙光束激光焊接實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)雙光束焊接能夠提高焊接接頭組織及力學(xué)性能。李莉等［8］計(jì)算了雙波段組合激光輻照下的PC型HgCdTe光電探測(cè)器的溫度響應(yīng)過程，得到了不同功率密度激光組合對(duì)探測(cè)器溫升的影響。王績(jī)勛［9］開展了延遲雙脈沖激光對(duì)鋁靶材作用，發(fā)現(xiàn)鋁靶材的燒蝕深度隨脈沖延時(shí)出現(xiàn)先增大后減小。Song Chao等［10］開展了共軸雙脈沖誘導(dǎo)等離子體膨脹動(dòng)力學(xué)研究，結(jié)果表明脈沖延時(shí)對(duì)等離子體沖擊波前向膨脹速度具有顯著影響，并有效延長(zhǎng)了等離子體沖擊作用時(shí)間。本文基于多物理場(chǎng)耦合Comsol multiphysics5.0軟件對(duì)連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束輻照鋁靶材的熱特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，分析連續(xù)/脈沖復(fù)合激光之間的時(shí)間延時(shí)對(duì)鋁靶材溫度演化影響，對(duì)達(dá)到相同溫度和熔化深度的連續(xù)激光作用進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果對(duì)連續(xù)/脈沖復(fù)合激光用于提高激光加工效率具有重要意義。

1 連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束作用鋁靶材理論以及仿真方法

1.1 連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束作用鋁靶材的熱傳導(dǎo)模型

連續(xù)激光輻照鋁靶材一段時(shí)間Δt后，脈沖激光再次輻照作用鋁靶材。具有一定時(shí)間延時(shí)的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束輻照鋁靶材表面，在激光作用過程，鋁靶材吸收的激光能量通過熱傳導(dǎo)方式向靶材內(nèi)傳播。當(dāng)鋁靶表面溫度升高速度始終大于向靶材內(nèi)部的熱傳導(dǎo)速度時(shí)，則鋁靶材表面溫度持續(xù)升高。因此連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束輻照鋁靶材的熱作用物理過程可用經(jīng)典傅里葉熱傳導(dǎo)方程描述［11］。

其中，ρ為鋁靶材密度，Cp為比熱容，T為溫度，k為熱導(dǎo)率，QLaser為熱源項(xiàng)。激光在鋁靶材內(nèi)光學(xué)傳輸長(zhǎng)度傳輸，持續(xù)對(duì)靶材加熱，在理論仿真過程中當(dāng)做體熱源處理，因此熱源項(xiàng)QLaser表示為：

式中，A(T)為鋁靶材隨溫度變化的吸收率，α為鋁靶材的吸收系數(shù)。吸收率A(T)隨溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 鋁靶材吸收率隨溫度變化曲線

在連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束作用鋁靶過程中，對(duì)于連續(xù)激光和脈寬為τ的脈沖激光光束在靶材表面處的空間域分布均為高斯分布，靶材表面處的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光強(qiáng)度空間分布為：

式中，ICW和IPulse分別為連續(xù)激光和脈沖光束的功率密度，g1(t)和g2(t)分別為連續(xù)激光和脈沖激光作用時(shí)間函數(shù)。計(jì)算中采用分段函數(shù)實(shí)現(xiàn)激光脈沖作用過程，具有時(shí)間延時(shí)Δt的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光而言，激光作用函數(shù)g1(t)和g2(t)具有：

Al靶材在激光加熱情況下發(fā)生相變，由固相變?yōu)橐合?，以及由液相變?yōu)闅庀?，靶材在激光作用過程中產(chǎn)生氣化，出現(xiàn)質(zhì)量遷移，表面出現(xiàn)燒蝕熔坑。在相變處的等效比熱容表示為：

其中，Tm和TV分別為熔化溫度和氣化溫度，ΔT為相變區(qū)溫度區(qū)間。實(shí)際上相變過程沒有溫度寬度區(qū)間，但相變溫度會(huì)隨著壓強(qiáng)和晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，為了在仿真過程中迅速得到較好的收斂效果，設(shè)置存在一定的相變溫度區(qū)間。

仿真計(jì)算過程中，連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束激光參數(shù)如表1所示，型號(hào)為7A14的鋁靶材物理參數(shù)如表2所示。具有時(shí)間延時(shí)Δt的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光的時(shí)序關(guān)系如圖2所示，時(shí)間延時(shí)表示為相對(duì)于連續(xù)激光輻照到鋁靶材表面的脈沖激光開始輻照時(shí)間。

表1 連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束激光參數(shù)

圖2 連續(xù)/脈沖復(fù)合激光的時(shí)序關(guān)系

連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束作用鋁靶材為幾何尺寸Φ100mm×10mm的圓柱形靶材，由于鋁靶材半徑遠(yuǎn)大于入射激光光斑半徑，因此，仿真計(jì)算采用半無限大模型處理。

1.2 仿真方法

基于多物理場(chǎng)Comsol multiphysics5.0軟件對(duì)連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束輻照鋁靶材的熱作用特性進(jìn)行仿真計(jì)算?？紤]入射激光光束直徑遠(yuǎn)小于鋁靶材幾何尺寸，采用二維軸對(duì)稱方法開展仿真計(jì)算。為了提高仿真計(jì)算精度，對(duì)計(jì)算區(qū)域分別進(jìn)行整體剖分、相變區(qū)域剖分和邊界層剖分，網(wǎng)格剖分如圖3所示。

表2 Al的物理參數(shù)

圖3 仿真網(wǎng)格剖分

網(wǎng)格剖分過程中，在整個(gè)計(jì)算空間區(qū)域內(nèi)，采用離散網(wǎng)格剖分；在相變區(qū)域進(jìn)行細(xì)致剖分，形成漸變的網(wǎng)格密度；在鋁靶材內(nèi)部激光傳輸路徑上，激光作為熱傳導(dǎo)的體熱源來處理，在臨近激光作用表面處添加一個(gè)足夠厚的邊界層，以達(dá)到能夠解析鋁靶材吸收激光的網(wǎng)格密度。

2 仿真結(jié)果與分析

輸出功率為8500W的連續(xù)激光，與脈沖寬度為200ms、脈沖能量為20J組成的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光，輻照鋁靶材表面持續(xù)時(shí)間1s，改變脈沖激光相對(duì)連續(xù)激光的時(shí)間延時(shí)Δt，得到激光作用區(qū)域中心點(diǎn)溫度的時(shí)間演化曲線如圖4所示。

圖4 連續(xù)/脈沖復(fù)合激光輻照鋁靶材中心點(diǎn)溫度的時(shí)間演化圖

從圖4可知，脈沖激光相對(duì)連續(xù)激光的時(shí)間延時(shí)Δt對(duì)連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束作用區(qū)域中心點(diǎn)溫度的時(shí)間演化有明顯影響。在連續(xù)/脈沖復(fù)合激光輻照鋁靶材過程中，脈沖激光作用使鋁靶材表面溫度快速超過熔點(diǎn)933K，并且在短時(shí)間內(nèi)溫度高于氣化溫度2793K。當(dāng)脈沖激光作用結(jié)束后，鋁靶材表面溫度快速下降，并且存在一熱弛豫過程。當(dāng)延時(shí)時(shí)間增加，脈沖激光輻照鋁靶材表面的最高溫度增加，當(dāng)延時(shí)大于0.5s后增加緩慢，但脈沖激光輻照結(jié)束后對(duì)應(yīng)的熱弛豫時(shí)間增大。在時(shí)間延時(shí)Δt為0.1s、0.2s和0.3s時(shí)，脈沖激光結(jié)束后，鋁靶材表面溫度快速降至低于熔點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，連續(xù)激光輻照繼續(xù)對(duì)鋁靶材加熱，在時(shí)間為0.7s時(shí)靶材表面溫度超過熔點(diǎn)，之后溫度快速上升。在延時(shí)時(shí)間Δt大于0.4s條件下，脈沖激光結(jié)束后，靶材表面溫度經(jīng)一熱弛豫時(shí)間后下降到1250K左右，連續(xù)激光繼續(xù)作用使靶材表面溫度升高，但溫度升高速度變緩。當(dāng)連續(xù)激光輻照結(jié)束后，由于熱傳導(dǎo)作用以及與周圍空氣的冷卻作用，鋁靶材表面溫度快速下降，并在熔點(diǎn)933K存在液—固冷卻凝固相變過程，之后降至室溫狀態(tài)。

圖5 鋁靶材激光輻照區(qū)域中心點(diǎn)表面溫度隨連續(xù)/脈沖間延時(shí)變化曲線

圖5為連續(xù)/脈沖復(fù)合激光輻照鋁靶材1s后，鋁靶材激光輻照區(qū)域中心點(diǎn)表面溫度隨延時(shí)時(shí)間Δt的變化曲線。隨著脈沖激光延時(shí)時(shí)間Δt增加，鋁靶材激光輻照區(qū)域中心點(diǎn)溫度出現(xiàn)先增加后下降變化。在延時(shí)時(shí)間Δt為0.4s時(shí)，中心點(diǎn)溫度出現(xiàn)最大值為1932K，之后隨延時(shí)時(shí)間增大，鋁靶材表面溫度呈下降變化。延時(shí)小于0.3s的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光與連續(xù)激光作用相比，溫度升高幅度不明顯，表明脈沖激光作用靶材對(duì)連續(xù)激光的熱作用影響較弱。延時(shí)為0.4s時(shí)，脈沖激光作用對(duì)連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用后溫度影響較為顯著，表明脈沖激光作用后，連續(xù)激光沉積到靶材內(nèi)部的激光能量增多，造成表面溫度升高。隨著延時(shí)增加，脈沖激光輻照鋁靶材結(jié)束后，輻照到鋁靶材表面的連續(xù)激光功率減少，從而出現(xiàn)沉積到靶材內(nèi)部的連續(xù)激光能量減弱，導(dǎo)致鋁靶材表面溫度出現(xiàn)下降。

圖6 連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材吸收率時(shí)間演化曲線（延時(shí)為0.4s）

圖6為延時(shí)Δt為0.4s條件下連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材吸收率的演化曲線。由于鋁靶材對(duì)1064nm激光的吸收率是溫度的函數(shù)，脈沖激光輻照作用使鋁靶材溫度快速升高，連續(xù)激光輻照靶材繼續(xù)加熱，導(dǎo)致靶材對(duì)連續(xù)激光的吸收率由0.1增加到0.2，使沉積到靶材內(nèi)部的連續(xù)激光能量增大。這是由于連續(xù)/脈沖復(fù)合激光中的脈沖激光將靶材加熱至熔化后，Al靶材液體對(duì)激光的吸收效率有一個(gè)大幅度升高。當(dāng)脈沖激光作用后的一段時(shí)間內(nèi)，連續(xù)激光持續(xù)加熱作用使Al靶材保持較長(zhǎng)時(shí)間熔融狀態(tài)，從而使沉積到靶材內(nèi)部的連續(xù)激光能量增多，造成延時(shí)為0.4s的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光輻照鋁靶材表面溫度最大。

延時(shí) Δt分別為 0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s和0.7s的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材1s時(shí)間，對(duì)應(yīng)的熔池深度和熔池半徑隨連續(xù)/脈沖激光光束間的延時(shí)變化曲線如圖7所示。

圖7 連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材的熔池深度和熔池半徑隨延時(shí)變化曲線

從圖7可知，連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材的熔池深度和熔池半徑均隨延時(shí)的增加出現(xiàn)先增大后減小變化，當(dāng)延時(shí)為0.4s時(shí)，即為出現(xiàn)最大值，熔池深度和熔池半徑分別為828mm和1.66mm。在延時(shí)為0.1s、0.2s和0.3s條件下，連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材的熔池深度和熔池半徑與8500W連續(xù)激光作用變化不明顯。當(dāng)延時(shí)大于0.4s，連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材的熔池深度和熔池半徑均隨延時(shí)增加逐漸減小，這是由于當(dāng)脈沖激光結(jié)束后，沉積到靶材內(nèi)部的連續(xù)激光能量較小，靶材吸收激光能量轉(zhuǎn)化熱能變小，導(dǎo)致熔池深度和熔池半徑逐漸減小變化。

圖8為激光輻照1s后，連續(xù)激光和連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束作用鋁靶材表面溫度演化曲線。在相同激光聚焦條件下，延時(shí)為0.4s的連續(xù)/脈沖（8500W+20J）復(fù)合激光與輸出功率為8622W的連續(xù)激光均使鋁靶材表面中心點(diǎn)溫度最高為1925K。相比較而言，激光輻照1s時(shí)間，連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用比單連續(xù)激光減少了102J的能量損耗。若達(dá)到延時(shí)0.4s連續(xù)/脈沖（8500W+20J）復(fù)合激光作用鋁靶材熔池深度828mm，需要連續(xù)激光的輸出功率為8623W，表明復(fù)合激光作用在1s時(shí)間內(nèi)減少了103J的能量損耗。這是由于脈沖激光作用導(dǎo)致靶材對(duì)連續(xù)激光的吸收率增加，從而出現(xiàn)沉積到靶材內(nèi)部的連續(xù)激光能量增加，實(shí)現(xiàn)了高輸出功率連續(xù)激光的作用效果。

圖8 最高溫度相同的連續(xù)激光和連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用溫升曲線

3 結(jié)語

本文基于Comsol multiphysics軟件對(duì)連續(xù)/脈沖復(fù)合激光光束輻照鋁靶材的熱作用特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真計(jì)算結(jié)果表明，脈沖激光相對(duì)于連續(xù)激光的時(shí)間延時(shí)對(duì)連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材的溫度時(shí)間演化有重要影響。功率為8500W的連續(xù)激光和脈沖能量20J、脈寬200ms的脈沖激光組成連續(xù)/脈沖復(fù)合激光輻照鋁靶材表面1s后，鋁靶材表面溫度、熔化深度和熔池半徑均隨延時(shí)增加出現(xiàn)先增大后減小變化，在延時(shí)0.4s出現(xiàn)最大值，鋁靶材表面溫度最高達(dá)到1932K，熔化深度和熔池半徑最大分別為828mm和1.66mm。在相同激光聚焦條件下，與延時(shí)為0.4s的連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用鋁靶材具有相同表面溫度和熔化深度相比，需要的連續(xù)激光輸出功率分別為8622W和8623W，表明達(dá)到相同的激光加工效果，連續(xù)/脈沖復(fù)合激光作用需要的激光功率要低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的物理原因，由于脈沖激光作用使鋁靶材溫度快速升高，使靶材對(duì)激光吸收率增加，導(dǎo)致沉積到靶材內(nèi)的連續(xù)激光功率增加，從而使連續(xù)激光對(duì)靶材的熱作用效應(yīng)增強(qiáng)。本文研究結(jié)果對(duì)連續(xù)/脈沖復(fù)合激光用于提高激光加工效率具有重要意義。

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