激光与金属材料相互作用的热效应分析

简 欣，徐让书，邵长浩，李 骏

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136)

材料工程

激光与金属材料相互作用的热效应分析

简 欣，徐让书，邵长浩，李 骏

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136)

激光与金属材料相互作用的热效应是激光束辐照材料后发生的主要物理现象之一。激光加热使材料温度急剧上升，很快达到材料的熔点。通过使用商业CFD软件FLUENT数值模拟激光辐照金属材料的相互作用，并在一定的假设和边界条件下得到金属材料未熔化之前温度场沿径向和轴向分布情况、气流最高温度的变化和位置的转移、氧化反应和对流换热对热效应的影响。

激光辐照；金属材料；温度场；数值模拟；热效应

激光辐照金属材料是一个极其复杂的物理与化学变化过程，激光辐照下金属材料表面温度将会快速上升，很快达到材料的熔点。尹益辉等[1]总结了快速加热下金属力学性能温升率效应研究的有关工作和结果。袁永华等[2]分析了不同频率激光辐照涂层壳体材料的温升特性。赫秋龙等[3]考虑了材料的质量热容、热导率、驰豫时间等热力学参数随温度非线性变化因素的影响。他们都没有研究氧化反应对金属温升以及气流温度的影响。激光加载下金属材料的温度场以及相变过程取决于壁面的加载条件，在有附面层气流切向吹过靶材表面时，气流流动引起的对流换热以及靶料和空气中氧气发生的氧化反应放出的热量将对靶材内部温度有影响。氧化反应的放热量由氧化反应热和氧化反应的程度所决定[4]。本课题主要研究在激光加载下，从激光加载时刻开始，金属靶材就会与表面气流中的氧气发生反应，而且有亚音速气流流过金属表面，对流换热、氧化放热和激光加载的能量综合作用在靶材上影响靶材的温度场和气流的温度。

1 计算模型

课题采用的计算模型如图1所示，试件材料为钢。在激光加载下，靶材内部瞬态的热传导方程如下：

(1)

式中，ρ为钢的密度，c为钢的定压比热容，T为温度，t为时间，Sh为内热源，k为导热系数。激光辐照能量和氧化放热量将以热流密度形式的边界条件加入计算模型，其形式如下：

(2)

(3)

式中，r为辐照表面某点距离辐照中心点的距离，r0为激光辐照光斑半径。在极短时间内，氧化层厚度满足如下关系式[6]：

(4)

式中，Tc为初始温度；D为实验拟合参数，该参数由每一时刻熔体移动状态a/u所决定。a为辐照表面面积，u为熔化表面溶液速率。u由溶液此时的状态σh/η所决定，h为熔池深度，η为溶液粘度，σ为表面剪应力。假定σ有如下关系式[7]

σ=cρU2

(5)

式中，流动的细节对全局因素c没有影响，ρ为气流密度，U为气流速度。说明氧化层的厚度主要由与气流的相互反应所决定，而不是复杂的热化学反应。式(2)可以写成：

(6)

式中，参数Qc=(0.8kW/cm2)/(104cm/s)和Tc=4 000 K。

图1 计算模型图

2 计算结果与分析

本次课题共研究了金属板表面的空气流速分别为0、20、40、60以及氮气流速分别为20、40和60 m/s7种情况,模拟代号A0、A20、A40、A60、N20、N40和N60。A代表空气，N代表氮气，数字代表速度。图2为A0、A60和N60三种情况下靶材辐照表面中心点温度随辐照时间的变化。

图2 辐照中心点温度随辐照时间变化

可以看出，辐照中心点在激光加载的起始阶段温升速率几乎可以达到5 000 K/s，但这一阶段持续的时间很短，可以占到整个辐照时间的10%左右，这是因为激光加载的时间太短，靶材在低温时的比热容较小，靶材来不及将热量向内部传递；在最初始的快速升温过程结束后，温升速率会有明显的减缓，在靶材温度达到1 500 K左右之后，温升速率会与辐照时间成线性关系。对比A0和N60的辐照中心点温升曲线，可以清楚的看到对流换热对靶材温升的影响，在同一时刻，A0曲线的温度总是大于N60；A60加入了氧化放热，靶材达到熔点所需的辐照时间明显小于N60，而且同一时刻温度也是略高于N60。上述情况在A20和N20以及A40和N40中也是存在的。7种情况下所需的辐照时间t(s)分别为2.1、2.17、2.2、2.2、2.2、2.25和2.3。辐照持续一定时间后，热量将由靶材表面传递到靶材的背面，引起靶材背面温度变化，图3为A0、A60和N60背面中心点温度随时间的变化。

图3 背面中心点温度随时间变化

可以看出：从开始时刻t=0到t=0.6 s左右，靶材背面温度几乎没有变化，背面中心点温度开始上升的初始时刻出现在辐照中心点温度与辐照时间成线性关系的开始时刻，这是因为热量的传导是需要一定的时间。A0曲线的温升速率要大于A60和N60的温升速率。在辐照结束后，7种模拟情况下的背面中心点温度是不相同的，出现这种现象的原因有个，一是不同速度的亚音速气流带走的热量不同，二是氧化反应放出的热量会影响最后的温度分布，但本质都是气流的速度不同所引起的。从而导致所需的辐照时间不同，激光加载的能量也就不相同。

随着辐照时间的持续，靶材内部的温度会越来越高，在经历了不同时间的激光加载之后，靶材表面的温度分布几乎相同，但是在激光加载区域具有相当大的温度梯度，非辐照区域的温度相对于辐照区域壁面温度几乎没有太大的变化，可见在激光加载这样的瞬时强热作用下，其加热区域仅限于光斑所在的区域。激光加热开始后，靶材表面光斑区的温度迅速升高，并在紧邻试件表面的气流中形成具有较大温度梯度值的热边界层。由于气流的热对流作用，气流中最高温度的区域与呈高斯分布的辐射热流最大值并不对应，而是偏向下游如图4。

图4 气流温度沿轴向方向分布

A0的气流温度分布是呈高斯分布的，其非激光加载区上游温度是高于A60和N60的温度，但在下游有明显的小于A60和N60的温度。A60和N60的气流在辐照区域温度逐渐上升，但最后的温度并不是很高，约为400K，在气流流过辐照区域后温度不再上升，最高温出现在激光加载的最右端。气流速度越小，最高温度越高。

激光的中心功率密度为3.6×E+3[W/cm2]，稳定时投射辐射的平均功率密度为1.65×E+3[W/cm2]，对流换热量与氧化放热量对靶材温度的影响如下图：

图5 对流换热、氧化放热占总能量的百分比

从图5可知，在不考虑氧化放热时，随着气流速度的增加，对流换热量越来越大，气流速度20 m/s时，对流损失的能量占激光加载总能量的12.9%，氮气速度60 m/s时，强制对流带走的经占到总能量的15.2%。在其他条件相同时，A20、A40和A60内部温度明显高于N20、N40和N60，前者所需的辐照时间却小于后者，这就是氧化放热对靶材内部温度的影响。氧化反应放出的热量会随着流速的增加而变大，从20 m/s的16.2%变为60 m/s的26.3%。

3 结论

本文对激光辐照下的金属材料因激光热效应引起的温升进行了数值模拟，得到以下结论：(1)在激光辐照初期，约占整个过程的1/10，靶材的温升速率可以达到5 000 K/s，主要是因为在极短的时间内，靶材表面吸收的热量来不及向内部传递，积聚在了表面；下一阶段，靶材本身的热传导与加载能量将会逐渐形成一种平衡，表现为温升速率先是呈一定曲线状减小，随后与辐照时间成线性关系；(2)在有气流纵掠过靶材表面时，气流将会对辐照前端进行气动冷却，对靶材中后端气动加热，结果就是靶材内部的温度不会是对称分布，气流中最高温度的区域与呈高斯分布的辐射热流最大值并不对应，而是偏向下游；速度越小最高温度越高；(3)氧化反应放出的热量会随着空气流速的增加而变大，在整个模拟过程中占到靶材吸收热量的比重也会增大。

[1]尹益辉,陈裕泽,彭向和.金属力学性能的温升率效应研究概述[J].强激光与粒子束,2006,18(12):1964-1968.

[2]袁永华,刘常龄,王伟平,等.重复频率激光辐照涂层金属材料的温升[J].强激光与粒子束,1997,9(3):477-480.

[3]赫秋龙,齐文宗,刘全喜,等.超短脉冲激光辐照金属薄膜温升效应的模拟研究[J].强激光与粒子束,2006,18(6):908-912.

[4]Boley C D,Fochs S N,Rubenchik A M.Lethality effects of a high-power solid-state laser[C]//4th High Energy Laser Lethality Conference,2007.

[5]孙承伟.激光辐照效应[M].北京:国防工业出版社,2002:1.

[6]Prokhorov A M,Konov V I,I Ursu,et al.Laser Heating of Metals[M].Denmark:Adam Hilger,1990.

[7]Landau L D,Lifshitz E M.Fluid Mechanics[M].Oxford:Pergamon Press,1978.

(责任编辑：宋丽萍 英文审校：刘敬钰)

Thermaleffectanalysisoftheinteractionbetweenlaserandmetalmaterial

JIAN Xin，XU Rang-shu，SHAO Chang-hao,LI Jun

Faculty of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136)

The thermal effect of the interaction between laser and metal material is one of the most important physical phenomena when the laser irradiates metal surface.The laser-induced heating leads to the sharp temperature rise of metal surface,which will soon reach material melting point.By using the commercial CFD software FLUENT,this paper examines the interactions between laser and metal materials under different light spot radius and gets metal materials distribution of temperature field along the radial and axial before melting under certain assumptions and boundary conditions and the maximum temperature of flow and the location,and how oxidation reaction and convection heat transfer influence thermal effects is also observed.

laser irradiation;metal materials;temperature field;numerical simulation;thermal effect

2013-09-11

激光与物质相互作用国家重点实验室开放基金课题(项目编号：SKLLIM1001-02)

简欣(1988-)，男，陕西渭南人，硕士研究生，主要研究方向：流动数值仿真与实验技术,E-mail:1451501212@qq.com；徐让书(1962-)，男，浙江乐清人，教授，主要研究方向：航空发动机数值仿真研究，E-mail:xurangshu@yahoo.com。

2095-1248(2014)01-0033-04

TN241

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.01.008