淺析超短激光與金屬材料作用時的熱效應(yīng)

朱建強(qiáng)，鄧勇躍，李來華

（江蘇潤美新材料有限公司，江蘇 連云港 222100）

既往國內(nèi)外均有學(xué)者在研究中指出，激光輻照金屬材料是一個十分復(fù)雜的物化改變過程，輻照下的金屬材料表面溫度會迅速升高，快速抵達(dá)至材料的熔點(diǎn)。當(dāng)激光和物質(zhì)相互作用時，會生成光的反射、吸收劑光電效應(yīng)等現(xiàn)象，而激光和物質(zhì)之間相互作用下的熱效應(yīng)為激光輻照階段的重要一環(huán)節(jié)，造成激光破壞的主因之一，且在激光加工、安全防護(hù)及醫(yī)療等諸多領(lǐng)域中均有應(yīng)用。

早在20世紀(jì)90年代，國外就有研究表明了飛秒激光與物質(zhì)燒蝕效應(yīng)之間的相關(guān)性。和納米激光加工工藝相比，關(guān)于皮秒和飛秒激光加工熱影響及熱缺陷偏少，故而實(shí)際加工質(zhì)量也會有一定提升。即便是應(yīng)用以上激光加工工法，但若不能合理選擇激光參數(shù)，容易導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)熱積累情況，勢必會對材料的加工質(zhì)量形成不良影響[1]。本文主要探究脈沖寬度及激光參數(shù)不同的激光作用在復(fù)合材料上時的熱產(chǎn)生與熱積累情況，進(jìn)而解讀不同激光闡述對金屬材料加工質(zhì)量形成的作用影響。

1 研究背景

1960年激光問世以來，激光和材料之間的相互作用得到人們的廣泛關(guān)注，兩者相互作用時，會出現(xiàn)光的反射、吸收劑光電現(xiàn)象等諸多現(xiàn)象、在激光輻射加熱階段，伴隨溫度上升，半導(dǎo)體材料的吸收率及其部分熱物理參數(shù)均會出現(xiàn)一定改變。由此可見，以上是一個十分復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題，既往國內(nèi)外部分學(xué)者提出的熱模型和實(shí)況之間均有一定誤差，有一些假定，但至今尚無一個非常完善、和實(shí)況吻合度較高的激光加熱模型[2]。但數(shù)值計算方法在處理復(fù)雜問題方面表現(xiàn)出靈活性高、能力強(qiáng)的特點(diǎn)，且能整體分析各種現(xiàn)實(shí)因素，較好的仿真模擬激光和金屬材料相互作用的過程，有經(jīng)濟(jì)性高、不受實(shí)驗條件束縛等特點(diǎn)。

2 確立熱傳導(dǎo)方程

當(dāng)激光作用在被加工金屬材料以后，伴隨輻照時間的延長，材料表面和內(nèi)部的溫度均會上升。如果選擇使用納米級激光脈沖時，沿用傳統(tǒng)的傅里葉熱傳導(dǎo)方程意境很難精準(zhǔn)的闡述被加工金屬表現(xiàn)出的熱問題。當(dāng)激光脈沖寬度降低至皮秒或飛秒量級以后，因激光加工處理材料階段中電子與晶格兩者之間的能量轉(zhuǎn)移時間短于脈沖激光加工靶材的時長，故而傳統(tǒng)熱力學(xué)模型在闡述材料加工時的熱產(chǎn)生與傳導(dǎo)情況的適用性明顯跌落，在這樣的情境下，有研究人員嘗試用雙溫、流體力學(xué)、分析動力學(xué)模型等參數(shù)去闡述超短激光作用在材料以后的熱力學(xué)特性，雙溫模型方程見下（1）式[3]：

在上式內(nèi)，Te、Ti分別達(dá)標(biāo)的電子和晶格系統(tǒng)各自的溫度值；Ce、Ci分別代表的是電子和晶格單位體積的比熱容；G為電子與晶格兩者的耦合參數(shù)；Ke是電子熱導(dǎo)率。

從宏觀上，雙溫模型把激光輻照過程時金屬材料表現(xiàn)出的熱行為細(xì)化成如下三個階段：電子吸收激光激發(fā)出的能量，進(jìn)而脫離束縛狀態(tài)；電子基于退相、散射等過程，逐漸抵達(dá)至一個準(zhǔn)平衡狀態(tài)；熱電子通過耦合晶格，可以把更多能量轉(zhuǎn)送給晶格。

S（x,t）代表的是激光光源強(qiáng)度分布狀態(tài)，如果激光熱源強(qiáng)度遵照高斯分布規(guī)律時，則有[4]：

邊界條件為加工材料熱分析實(shí)踐中需考慮的一項重要因素，假定環(huán)境溫度是室溫（300K），倍加工金屬材料的表面采用的是空氣對流冷卻方式。

3 統(tǒng)計與討論熱分析結(jié)果

直接求算熱傳導(dǎo)方程的過程十分煩瑣復(fù)雜，筆者利用COMSOL Multiphysics有限元軟件去解讀激光能量密度與脈沖寬度有差異的工況下被加金屬材料內(nèi)部溫度的改變情況。應(yīng)用以上軟件對雙溫模型開展測算工作時，需要合理設(shè)定模型的相關(guān)參數(shù)：Ce與Te之間呈現(xiàn)出明確的線性關(guān)系；電子與晶格的溫度均會對電子熱導(dǎo)率大小形成一定影響；晶格的比熱容（C1）是常數(shù)。因為和激光束的半徑相比較，金屬材料的厚度很小，故而可以將其視為一維問題。外加被加工金屬材料是各向同性，故而可忽視材料表面的磨損對最后結(jié)果形成的影響?；诠剑?），不難發(fā)現(xiàn)，電子及晶格熱容、電子熱導(dǎo)率與電聲融合系數(shù)均是計算雙溫方程階段所需的幾個重要參數(shù)。既往國內(nèi)外均有很多人員專研了以上這些參數(shù)，取得的成績是十分滿意的。比如，Anisimov等[5]提出了電子熱導(dǎo)率表達(dá)式：

并據(jù)此推導(dǎo)出：

結(jié)合既往相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果，筆者模擬時采用的金、銅與鉻的有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 熱分析的相關(guān)參數(shù)

為了能更深度的了解電子與晶格溫度及激光脈沖之間的關(guān)系，本文以金材料為實(shí)例，探究當(dāng)脈沖能量是0.1J/㎝2工況下，激光脈沖寬度有差別的條件下電子與晶格溫度。發(fā)現(xiàn)伴隨脈沖寬度值的增加，激光作用在金上的實(shí)際時間有加長的趨勢，故而電子與晶格溫度抵達(dá)平衡狀態(tài)的時間也會相應(yīng)拉長。

通過對比以上三種金屬的電子溫度抵達(dá)峰值伴隨激光脈沖寬度的改變情況，脈沖能量是0.1J/㎝2，伴隨脈沖寬度值的增加，電子最高溫度有逐漸跌落趨勢。這主要是因為在脈沖能量維持恒定的狀況下，脈沖寬度變大代表著峰值功率的下滑，故而最高電子溫度會下降。

為了明確雙溫模型與單溫模型在闡述材料熱效應(yīng)方面表現(xiàn)出的不同以及適用范疇，本課題研究主要針對等同激光能量密度(0.1J/cm2)、不同激光脈沖寬度時以上兩種模型下晶格溫度峰值進(jìn)行數(shù)次測算分析，并把數(shù)個結(jié)果擬合成為單條平滑的曲線。圖1是擬合以后金、銅以及鉻三種金屬的晶格溫度改變情況[6]。讀圖能看出可以看出，不管是金、銅還是鉻，如果激光脈沖寬度數(shù)值逐漸增加時，單溫方程和雙溫方程的模擬結(jié)果就越來越貼近，特別是當(dāng)激光脈沖寬度達(dá)到10 ps時，以上兩方程計算所得結(jié)果基本一致。分析以上情況的成因，當(dāng)激光脈沖寬度相對較寬時（≥10 ps），可以采用單溫方程或雙溫方程闡述激光輻照金屬材料時，其表面發(fā)生的熱過程；如果激光脈沖相對較狹窄時（＜10 ps），以上兩個方程做出的分析結(jié)果形成了較大差異，主要是因為采用單溫方程時沒有重視電子與晶格；兩者相互融合的問題。但是當(dāng)激光脈沖相對較寬時，電子與晶格會有十分充足的時間去抵達(dá)平衡狀態(tài)，故而針對電子晶格溫度融合對最后結(jié)果形成的影響可以忽略不計；但是如果激光脈沖相對較窄時，激光作用在金屬材料表面的時間相應(yīng)短縮，電子與晶格溫度之間不能實(shí)現(xiàn)平衡，在激光作用一段時間后，晶格溫度才會漸進(jìn)式上升并且會抵達(dá)峰值，在以上短暫時間中電子與晶格兩者的耦合情況發(fā)揮著重要作用，不可以將其忽略，故而一定要應(yīng)用雙溫模型對其加以研究、分析。

圖1 單溫及雙溫方程下三種金屬的晶格溫度峰值的擬合曲線

在工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用飛秒激光技術(shù)處理物質(zhì)，有非接觸性的特點(diǎn)，熱作用區(qū)域較小、朝著快速及精密度較高等諸多優(yōu)勢，故而當(dāng)下其在物質(zhì)的消融、鉆孔、切割及焊接加工領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。飛秒激光加工材料的特點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn)[7]：

（1）熱影響區(qū)較小，加工精準(zhǔn)度較高。具體實(shí)踐中其作用時間非常短，在能量沒有擴(kuò)散前，材料便已被加熱到極高溫度，以氣相形式蒸發(fā)，周圍熱影響區(qū)域較小，形成了規(guī)則化的加工邊緣，使加工操作實(shí)現(xiàn)了精密化。

（2）有確切的燒蝕預(yù)制。業(yè)內(nèi)經(jīng)常采用損傷閾值表示激光強(qiáng)度閾值，其和激光的脈沖寬度相關(guān)，損傷閾值是精確值。故而在生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)對飛秒激光能流密度的控制，借此方式使脈沖中心小范圍的能量超出燒蝕閾值，這樣便能形成比聚焦點(diǎn)還小的燒蝕區(qū)域。

（3）回避等離子體屏蔽。飛秒激光作用于材料表面，當(dāng)激光脈沖結(jié)束后，電子和離子兩者的能量傳送將會造成離子溫度迅速上升，而后發(fā)生電子與離子之間的能量交換活動，快速把離子加熱到較高的層次上。故而，可以采用飛秒激光加工處理硬度較高的金屬材料，使相互作用區(qū)域中多數(shù)材料在非常短的時間中基于熔融態(tài)而氣化。

4 結(jié)語

當(dāng)下，熱積累依然sahib影響皮秒及飛秒激光加工金屬材料質(zhì)量的主要兩個因素。故而，相關(guān)領(lǐng)域研究人員應(yīng)盡早建設(shè)精準(zhǔn)性更高的激光最輻照被加工材料相配套的熱動力模型，進(jìn)而用其更加科學(xué)、客觀的測評實(shí)際加工階段的熱積累大小及對被加工材料可能產(chǎn)生的不良影響等。本文通過對三種金屬材料的研究，利用有限元軟件及雙溫方程，探究分析了差異化激光參數(shù)作用下加工材料的電子與晶格溫度，并有效利用雙溫模型去闡述金屬材料的熱效應(yīng)。