【摘 ?要】本文基于連續(xù)激光與復合激光輻射鋼靶的相變燒蝕進行詳細探究，并且依據(jù)鋼靶在連續(xù)激光和復合激光的輻射下，其溫度曲線的變化進行了詳細描摹。著重探究鋼靶在連續(xù)激光與復合激光的輻射下，隨著時間長短，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行了詳細探究，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，本文將對于連續(xù)激光與復合激光與鋼靶之間的關(guān)系進行詳細探討，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)激光或復合激光的方式，對鋼靶的局部進行高溫處理，從而達到穿孔的目的。這是基于溫度導致局部變化，使部分位置變薄而造成的。在此過程當中，金屬會受到溫度、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)域的廣泛應用，導致在激光加工過程當中，激光對于金屬的副作用，需要進行進一步的研究。而在實際的激光打孔過程當中，會由于金屬靶向的相變問題，熔融物與激光之間的相互作用，從而影響打孔的實際有效性。如此，本文將基于連續(xù)激光與復合激光輻照鋼靶的相變燒蝕進行研究。

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，在對材料進行熱作用的過程當中，是以焗熱平衡作為激光作用的起點，而進行材料加工的，并基于傅里葉定律對其進行熱量計算。與此同時，由于金屬具有趨膚效應，進而導致在激光對金屬表面進行熱作用過程當中，使激光的光熱成為材料表面的熱源，對其進行打孔工作。此外，在溫度條件變化下，其液體會隨著溫度的變化而發(fā)生改變，在單位時間內(nèi)，單位面積的液體表面會隨著汽化作用，而導致激光作用于材料表面的熱量有所損失。需要在其進行相變過程當中的熱傳導量進行計算。

在對其進行模型試驗的過程當中，模型數(shù)據(jù)與實際的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生出入。連續(xù)激光功率密度的數(shù)量及要遠遠小于實際過程當中的數(shù)量值，較之實際產(chǎn)生激光支持等離子體的閾值要小。因此，在進行模型實驗時，對于靶材蒸汽與激光透過率之間的影響力忽略不計。同時，在模型試驗過程當中，將靶材材料定性為同性物質(zhì)，在固相和液相階段，對于熱物性進行分別取值，以提高計算的便捷性，避免在模型試驗過程當中，由于數(shù)據(jù)采集出錯而導致計算錯誤。并且通過實際的模型試驗，對鋼材吸收率隨著時間的變化而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變化進行分析，切實探究在連續(xù)激光與復合激光輻照鋼靶的相變燒蝕的過程當中，激光對于鋼靶的實際作用。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，以此才能夠在實際過程當中，對吸收率進行適當調(diào)整，以滿足激光打孔的需要。

2.2 數(shù)值模擬

對數(shù)值模擬需要借助軟件進行有限元分析，一般來講以COMSOL Multiphysics 軟件進行有限元的仿真分析，能夠進一步強化對于連續(xù)激光與復合激光輻照鋼靶的模擬實驗的數(shù)據(jù)分析處理能力。在實驗過程當中，以對稱形式的靶材作為基礎(chǔ)的實驗模型，借助三維立體的模型進行模擬分析，通過該方式降低數(shù)據(jù)計算量。并且對對稱截面進行絕熱處理，同時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)格對其進行割分，使其能夠通過網(wǎng)格進行面積計算，從而使計算量降低，降低出錯率。

設(shè)置模型鋼板厚度為20mm，并且以3.0千瓦的連續(xù)激光對其進行輻射作用。利用不同的光斑大小與相同瓦數(shù)的激光輻射能力進行試驗，從而得出當光斑小時，相同瓦數(shù)的作用點高度集中于該光斑處，使之能夠達到相應沸點。而光斑大，使輻射作用面積過大，相變作用不明顯。當光斑大小為10mm時，以1千瓦的連續(xù)激光對鋼板進行作用，無相變作用發(fā)生。而當光斑大小為5mm時，以1千瓦的連續(xù)激光對其進行輻射作用，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，當光斑面積小時輻射作用集中，其相變作用也更為明顯。與此同時，在模擬實驗過程當中，應該考慮溫度問題與鋼靶的汽象燒蝕效應。在進行激光輻射過程當中，由于燒蝕現(xiàn)象會影響最終的鋼靶相變作用。根據(jù)實驗模型對燒蝕現(xiàn)象進行模擬實驗，并根據(jù)變形網(wǎng)格對其進行數(shù)據(jù)計算。當光斑半徑為10mm時，對其進行激光輻射作用，以1千瓦的功率對其進行激光處理，此時鋼靶無相變作用發(fā)生。而以2千瓦功率進行激光作用時，則會出現(xiàn)5mm大小的相變區(qū)域。當功率加至3千瓦時，相變區(qū)域進一步擴大，與此同時會出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。當光斑半徑小于10mm時，同樣功率下，對其進行激光輻射作用，其燒蝕現(xiàn)象會更加明顯，甚至會出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。如若在此過程，當中基于此條件添加毫秒級脈沖式激光熱源，調(diào)制脈沖輸出功率1.0KW，脈寬為10ms，脈沖頻率為5Hz，輻照時間為20s，則能進一步看出，光斑大小與溫度差異之間的相關(guān)性更為明顯。

3 實驗分析

在具體實驗過程當中，以連續(xù)激光組和連續(xù)調(diào)制脈沖激光組作為兩組實驗方式進行具體實驗。在連續(xù)激光組進行實驗過程當中，將光斑的半徑大小設(shè)置為8mm，對于連續(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。對于兩組激光組在溫度條件不同的情況下，導致的鋼靶變化由熱像儀進行記錄。在兩組激光作用方式下對鋼靶進行的輻射作用，由攝影機記錄輻射過程。根據(jù)攝影機的記錄過程來看，鋼靶受到激光的輻射作用后，從受輻射的面向鋼靶邊緣擴散，進行內(nèi)部傳導工作。在內(nèi)部熱組合邊緣損耗的情況下，會導致溫度在鋼板上出現(xiàn)了梯度情況，溫度會不斷提升，直到鋼靶動態(tài)平衡穩(wěn)定后才會停止。實驗過程中發(fā)現(xiàn)當，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，殼體會沿著激光的光束而發(fā)生燒蝕打孔。其過程會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)會不斷變化。

4 結(jié) 論

綜上所述，通過模擬試驗對連續(xù)激光和復合激光輻照鋼板的相變燒蝕進行著重分析。在激光輻照的過程當中，鋼靶的整體相變會隨著溫度的變化而不斷變化，材料的熱物性和吸收性也會隨之發(fā)生改變。與此同時，在不同的功率作用下，不同的光斑大小也會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，才需要針對激光的輻射作用對鋼靶的燒蝕問題進行詳細探討，這對于用激光進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，本科學歷。