连续激光与复合激光辐照钢靶的相变烧蚀研究

【摘  要】本文基于连续激光与复合激光辐射钢靶的相变烧蚀进行详细探究，并且依据钢靶在连续激光和复合激光的辐射下，其温度曲线的变化进行了详细描摹。着重探究钢靶在连续激光与复合激光的辐射下，随着时间长短，其变化曲线如何呈现。并且通过两种辐射方式所得出的穿孔方式进行了详细探究，以汽化穿孔和熔融穿孔两种方式，作为辐射穿孔的最终结果，其依据在于能量的密度。由此，本文将对于连续激光与复合激光与钢靶之间的关系进行详细探讨，通过模型的建立，探究理论结果。

【关键词】激光辐照;钢靶;相变;烧蚀;数值仿真

1 引 言

通过连续激光或复合激光的方式，对钢靶的局部进行高温处理，从而达到穿孔的目的。这是基于温度导致局部变化，使部分位置变薄而造成的。在此过程当中，金属会受到温度、传热系数、比热容、吸收率以及激光的功率等相关因素的影响。由于激光技术在加工领域的广泛应用，导致在激光加工过程当中，激光对于金属的副作用，需要进行进一步的研究。而在实际的激光打孔过程当中，会由于金属靶向的相变问题，熔融物与激光之间的相互作用，从而影响打孔的实际有效性。如此，本文将基于连续激光与复合激光辐照钢靶的相变烧蚀进行研究。

2 模型建立

2.1 理论模型

调制脉冲激光区别于超快激光，在对材料进行热作用的过程当中，是以焗热平衡作为激光作用的起点，而进行材料加工的，并基于傅里叶定律对其进行热量计算。与此同时，由于金属具有趋肤效应，进而导致在激光对金属表面进行热作用过程当中，使激光的光热成为材料表面的热源，对其进行打孔工作。此外，在温度条件变化下，其液体会随着温度的变化而发生改变，在单位时间内，单位面积的液体表面会随着汽化作用，而导致激光作用于材料表面的热量有所损失。需要在其进行相变过程当中的热传导量进行计算。

在对其进行模型试验的过程当中，模型数据与实际的数据会产生出入。连续激光功率密度的数量及要远远小于实际过程当中的数量值，较之实际产生激光支持等离子体的阈值要小。因此，在进行模型实验时，对于靶材蒸汽与激光透过率之间的影响力忽略不计。同时，在模型试验过程当中，将靶材材料定性为同性物质，在固相和液相阶段，对于热物性进行分别取值，以提高计算的便捷性，避免在模型试验过程当中，由于数据采集出错而导致计算错误。并且通过实际的模型试验，对钢材吸收率随着时间的变化而产生的数据变化进行分析，切实探究在连续激光与复合激光辐照钢靶的相变烧蚀的过程当中，激光对于钢靶的实际作用。通过吸收率的变化曲线，得出钢靶的吸收率等于0.05到0.3之间，以此才能够在实际过程当中，对吸收率进行适当调整，以满足激光打孔的需要。

2.2 数值模拟

对数值模拟需要借助软件进行有限元分析，一般来讲以COMSOL Multiphysics 软件进行有限元的仿真分析，能够进一步强化对于连续激光与复合激光辐照钢靶的模拟实验的数据分析处理能力。在实验过程当中，以对称形式的靶材作为基础的实验模型，借助三维立体的模型进行模拟分析，通过该方式降低数据计算量。并且对对称截面进行绝热处理，同时将仿真模型上的激光辐射面视为高斯分布的面热源，并以网格对其进行割分，使其能够通过网格进行面积计算，从而使计算量降低，降低出错率。

设置模型钢板厚度为20mm，并且以3.0千瓦的连续激光对其进行辐射作用。利用不同的光斑大小与相同瓦数的激光辐射能力进行试验，从而得出当光斑小时，相同瓦数的作用点高度集中于该光斑处，使之能够达到相应沸点。而光斑大，使辐射作用面积过大，相变作用不明显。当光斑大小为10mm时，以1千瓦的连续激光对钢板进行作用，无相变作用发生。而当光斑大小为5mm时，以1千瓦的连续激光对其进行辐射作用，能够使钢靶发生相变作用。由此得出，同样功率的激光作用，当光斑面积小时辐射作用集中，其相变作用也更为明显。与此同时，在模拟实验过程当中，应该考虑温度问题与钢靶的汽象烧蚀效应。在进行激光辐射过程当中，由于烧蚀现象会影响最终的钢靶相变作用。根据实验模型对烧蚀现象进行模拟实验，并根据变形网格对其进行数据计算。当光斑半径为10mm时，对其进行激光辐射作用，以1千瓦的功率对其进行激光处理，此时钢靶无相变作用发生。而以2千瓦功率进行激光作用时，则会出现5mm大小的相变区域。当功率加至3千瓦时，相变区域进一步扩大，与此同时会出现烧蚀现象。当光斑半径小于10mm时，同样功率下，对其进行激光辐射作用，其烧蚀现象会更加明显，甚至会出现熔融现象。如若在此过程，当中基于此条件添加毫秒级脉冲式激光热源，调制脉冲输出功率1.0KW，脉宽为10ms，脉冲频率为5Hz，辐照时间为20s，则能进一步看出，光斑大小与温度差异之间的相关性更为明显。

3 实验分析

在具体实验过程当中，以连续激光组和连续调制脉冲激光组作为两组实验方式进行具体实验。在连续激光组进行实验过程当中，将光斑的半径大小设置为8mm，对于连续调制脉冲激光组的基础设置为脉宽50ms，频率5Hz，光斑半径为8mm。对于两组激光组在温度条件不同的情况下，导致的钢靶变化由热像仪进行记录。在两组激光作用方式下对钢靶进行的辐射作用，由摄影机记录辐射过程。根据摄影机的记录过程来看，钢靶受到激光的辐射作用后，从受辐射的面向钢靶边缘扩散，进行内部传导工作。在内部热组合边缘损耗的情况下，会导致温度在钢板上出现了梯度情况，温度会不断提升，直到钢靶动态平衡稳定后才会停止。实验过程中发现当，连续激光组合与连续调制脉冲激光组的功率超过2千瓦后，壳体会沿着激光的光束而发生烧蚀打孔。其过程会伴随着熔化和汽化的现象。由此能够得出，随着烧蚀现象的不断发生，材料的吸收性和热物性参数会不断变化。

4 结 论

综上所述，通过模拟试验对连续激光和复合激光辐照钢板的相变烧蚀进行着重分析。在激光辐照的过程当中，钢靶的整体相变会随着温度的变化而不断变化，材料的热物性和吸收性也会随之发生改变。与此同时，在不同的功率作用下，不同的光斑大小也会直接影响到钢靶相变的程度与熔融的程度以及烧蚀的作用面积。由此，才需要针对激光的辐射作用对钢靶的烧蚀问题进行详细探讨，这对于用激光进行打孔工作有着重要意义。

参考文献：

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作者簡介：

吴刚，男，辽宁，1987.11.08，本科学历。