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輔熱對納秒激光燒蝕鋁合金特性影響 內(nèi)容總結(jié)：

隨著激光的發(fā)明，激光加工逐步取代了傳統(tǒng)的加工工藝 [1] [2]，并且，由于自動化水平的快速發(fā)展，如何提高激光加工效率已經(jīng)成為眾多學(xué)者的研究重點，而短脈沖激光由于其作用時間短，能有效地減少加工過程中熔融物質(zhì)的產(chǎn)生，提高加工質(zhì)量，因此被廣泛應(yīng)用于精密加工領(lǐng)域 [3] [4] [5]。對于提高納秒脈沖加工效率的方式主要集中在以下幾個方面：1) 提高納秒脈沖激光能量 [6] 或采用多脈沖 [7] 方式；2) 將納秒激光脈沖的單脈沖能量在時間上和空間上重新分配，采用雙光束燒蝕 [8] [9]；3) 采用組合激光 [10] [11] [12] 等方式，但是受激光能量利用率的影響，激光燒蝕靶材的效率依舊提升緩慢，因此通過輔助手段來提高激光加工燒蝕效率，對于激光加工行業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

內(nèi)容：

1. 引言

隨著激光的發(fā)明，激光加工逐步取代了傳統(tǒng)的加工工藝 [1] [2]，并且，由于自動化水平的快速發(fā)展，如何提高激光加工效率已經(jīng)成為眾多學(xué)者的研究重點，而短脈沖激光由于其作用時間短，能有效地減少加工過程中熔融物質(zhì)的產(chǎn)生，提高加工質(zhì)量，因此被廣泛應(yīng)用于精密加工領(lǐng)域 [3] [4] [5]

對于提高納秒脈沖加工效率的方式主要集中在以下幾個方面：1) 提高納秒脈沖激光能量 [6] 或采用多脈沖 [7] 方式；2) 將納秒激光脈沖的單脈沖能量在時間上和空間上重新分配，采用雙光束燒蝕 [8] [9]；3) 采用組合激光 [10] [11] [12] 等方式，但是受激光能量利用率的影響，激光燒蝕靶材的效率依舊提升緩慢，因此通過輔助手段來提高激光加工燒蝕效率，對于激光加工行業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用

現(xiàn)階段研究表明，對高溫合金進行激光熱輔助加工具有明顯的成效，其主要原理是，利用高功率激光輻照金屬材料表面從而使金屬物性參數(shù)在短時間內(nèi)發(fā)生改變，隨后再利用傳統(tǒng)加工工具對材料進行除去

針對這一新方法，趙博文 [13] 為了減少加工時刀具的破損，對激光加熱輔助銑削高溫合金切削性能進行了研究，結(jié)果表明：激光加熱輔助切削使得切削力大幅下降，并且加熱后表面更為光滑，刀具的破損程度也降低

M. M. Hassanimatin [14] 等研究了樣品銅的初始溫度對產(chǎn)生的等離子溫度以及燒蝕質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：加熱樣品會使等離子體溫度升高，燒蝕閾值降低，并且等離子體光譜發(fā)射高達90%

姜長城 [15] 等進行了熱輔助下納秒脈沖拋光研究，分析了熱輔助對激光拋光效率的影響，研究結(jié)果表明，在相同能量密度下，對工件進行熱輔助可以使加工速度提高，其拋光效率得到明顯的提升

基于上述研究，論文提出采用熱輔助方式對納秒激光燒蝕鋁合金效率進行提升，從理論以及數(shù)值模擬兩個方面探索輔熱對納秒脈沖激光燒蝕鋁合金特性的影響，這對于推動激光加工技術(shù)的發(fā)展以及提升激光加工工藝效率都有著重要的指導(dǎo)意義

2. 理論分析納秒脈沖激光輻照靶材時，靶材與周圍環(huán)境通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射等方式被加熱

隨著激光能量不斷地注入，能量累積效應(yīng)逐步增強，靶材進一步吸收激光能量，導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)生一系列物理過程而發(fā)生物態(tài)改變

1) 固–液相變過程：納秒脈沖激光作用靶材時，會在短時間內(nèi)發(fā)生大量動態(tài)耦合過程，激光束在材料表面被吸收，由于納秒脈沖激光輻照的高強度，在激光輻照區(qū)域靶材溫度達到熔點，靶材開始發(fā)生熔融過程

此時在激光輻照區(qū)域出現(xiàn)熔池，并在馬蘭戈尼效應(yīng)以及非等溫流動的影響下開始運動，使熔池尺寸逐步增加

為了解釋激光與物質(zhì)相互作用機理，在整個物理過程中，采用質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程以及Carman-Kozeny方程和達西定律 [16] 來描述： ? p ? t + ? ? ( ρ u ) = 0 ρ ? u ? t + ρ ( u ? ? ) u = ? ? [ ? p I + μ ( ? u + ( ? u ) T ) ] + ρ g + F D a r c y ρ C p ? T ? t + ρ C p u ? ? T = ? ? ( K ? T ) (1)式中，T為溫度， u 為速度矢量， ρ 為密度， C p 為熱容， μ 為動力粘度，p為壓力，I為單位矩陣，g為重力加速度，K為導(dǎo)熱系數(shù)， F D a r c y 為達西摩擦力

2) 液–氣相變過程：當靶材發(fā)生熔融時，變?yōu)橐簯B(tài)的表面層出現(xiàn)正常的液相蒸發(fā)，繼續(xù)加熱，靶材表面液化區(qū)域?qū)l(fā)生強烈的氣化過程，導(dǎo)致靶材表面產(chǎn)生質(zhì)量遷移，而由于蒸發(fā)產(chǎn)生的飽和蒸氣壓力將反作用與靶材表面，進一步對熔融物質(zhì)造成擠壓

為了對氣–液界面進行更好地追蹤模擬，采用快速水平集 [17] 方法： ? φ ? t + u ? ? φ = γ ? ? ( ε l s ? φ ? φ ( 1 ? φ ) ? φ | ? φ | ) (2)式中， u 為界面移動速度， γ 表示為函數(shù)初始化參數(shù)， ε l s 表示為界厚度控制參數(shù)， φ 表示為水平集界面函數(shù)

當靶材吸收激光能量達到氣化溫度時，靶材表面會發(fā)生氣化而導(dǎo)致質(zhì)量遷移，因此在質(zhì)量守恒方程和水平集方程中應(yīng)增加兩個來源項： ? ? u = δ m ˙ ( 1 ρ V ? 1 ρ L ) ? φ ? t + u ? ? φ ? δ m ˙ ( V f , V ρ V + V f , L ρ L ) + γ ? ? ( φ ( 1 ? φ ) ? φ | ? φ | ? ε ? φ ) = 0 (3)式中， m ˙ 表示為蒸發(fā)速率， ρ V , ρ L 分別表示為金屬蒸氣和液態(tài)金屬的密度， V f , V , V f , L 分別表示為金屬蒸氣的體積分數(shù)和液體的體積分數(shù)， δ 表示兩相界面光滑的流動，乘以此項確保在計算過程中作用到自由界面上

當靶材表面溫度超過沸點時，會產(chǎn)生金屬蒸氣，而產(chǎn)生的金屬蒸氣會對靶材表面產(chǎn)生蒸氣反沖壓力

將金屬蒸氣視為理想氣體，蒸發(fā)表面的蒸氣飽和壓力由克勞修斯–克拉佩龍方程求得： P s a t = P a m b exp ( L v M A l , m o l e k B T ( T T b ? 1 ) ) (4)式中， P a m b 表示為1個大氣壓的環(huán)境壓力， T b 表示靶材沸點， k B 為玻爾茲曼常數(shù)

3. 數(shù)值模型的建立基于納秒脈沖激光燒蝕原理，構(gòu)建數(shù)的值計算模型如

圖1所示

通過理論研究可得，納秒脈沖激光燒蝕金屬靶材物理過程設(shè)計固–液、液–氣等相變過程，因此在模型當中需要考慮固體、液體、氣體等三相，為了保證模型計算的精度并降低計算時間，論文構(gòu)建二維模型對納秒脈沖激光燒蝕鋁合金靶材進行數(shù)值計算，設(shè)置模型中鋁合金長度和厚度分別為10 mm和3 mm

并且在模型當中將靶材邊界的初始速度設(shè)置為0，靶材外部環(huán)境初始溫度設(shè)為300 K，標準1個大氣壓作為環(huán)境壓力等



Figure 1. 2D model of nanosecond laser ablation of aluminum alloy

圖1. 納秒激光燒蝕鋁合金二維模型

圖在室溫情況下，采用脈寬為15 ns，光斑半徑為500 μm、激光能量為5 mJ的脈沖激光，得到納秒脈沖激光作用后鋁合金靶材溫度分布情況如

圖2所示



Figure 2. Target surface temperature rise curve

圖2. 靶材表面溫升曲線

圖2為納秒脈沖能量為5 mJ時，鋁合金靶材溫升曲線，從

圖中可以看出，靶材在納秒脈沖激光作用下快速升溫，在納秒脈沖激光作用的初期，靶材溫升較慢，在20 ns以后開始快速升溫約在45 ns時達到了最高溫度，此時靶材吸收激光能量并將激光能量轉(zhuǎn)換為熱能，此時靶材溫度整體呈上升趨勢，當納秒激光完全停止照射時，由于此時靶材不存在溫升過程，因此靶材溫度開始減小，并且靶材輻照區(qū)域與周圍區(qū)域的溫差減小，此時的溫度變化趨緩

對金屬靶材進行輔助加熱，研究輔熱下納秒脈沖激光對鋁合金靶材的燒蝕效率問題

靶材物性參數(shù)和靶材溫度有關(guān)，隨著輔熱溫度的增加，金屬靶材的電阻率也隨之增加

而靶材對激光的吸收率和電阻率有關(guān)，當電阻率增加時，靶材對激光的吸收也會增強

因此在模型中采用動態(tài)吸收率，如

圖3所示



Figure 3. The variation curve of target absorbance with temperature

圖3. 靶材吸收率隨溫度變化曲線從

圖3中可以看出，在金屬靶材熔點時靶材的吸收率發(fā)生變化，且液態(tài)金屬的吸收率隨溫度線性上升，其原因在于金屬熔化時，電阻率突然上升，液態(tài)電阻率可達熔點溫度下固態(tài)電阻率的一倍以上，因此導(dǎo)致在熔點處的吸收率上升

為了獲得輔熱對納秒脈沖激光燒蝕鋁合金的影響規(guī)律，在相同脈沖能量下對不同輔熱溫度下的靶材最高溫度進行提取，得到靶材的溫升情況隨輔熱溫度的變化曲線，如

圖4所示

圖4為鋁合金靶材溫度隨輔熱溫度的變化曲線，從

圖中可以看出，隨著輔熱溫度的增加，靶材的溫升效果也在增加，并且在輔熱溫度達到熔點附近(817 K)時，靶材表面最高溫度發(fā)生躍變，其主要原因在于，在對靶材進行輔助加熱處理時，其吸收率會隨著輔熱溫度的升高而升高，當輔熱溫度達到靶材熔點時，液態(tài)電阻率高于固態(tài)電阻率的一倍以上，從而導(dǎo)致靶材吸收率快速提升，加強靶材對后續(xù)納秒脈沖激光的利用率



Figure 4. The pulse energy is 5 mJ, the target material temperature with the auxiliary heat temperature change curve

圖4. 脈沖能量為5 mJ，靶材溫度隨輔熱溫度變化曲線4. 結(jié)論

為了研究輔熱對納秒脈沖激光燒蝕鋁合金特性的影響，進行了數(shù)值計算，分別對室溫以及不同輔熱溫度下鋁合金靶材表面最高溫度進行計算和提取

數(shù)值結(jié)果表明，對靶材進行輔助加熱處理會對靶材溫升效果具有促進作用，并且隨著輔熱溫度的增加，金屬靶材溫升效果增強，在輔熱溫度達到靶材熔點時，靶材溫升效果最強

由此可以得出，隨著輔熱溫度的增加，納秒脈沖激光對靶材的燒蝕效果增強，這一結(jié)果這對于激光加工技術(shù)的發(fā)展提供了一定的理論依據(jù)

NOTES*通訊作者

參考文獻

[1]	石巖, 張宏, 渡部武弘, 唐敬國. 連續(xù)-脈沖雙激光束焊接鋼-鋁合金[J]. 中國激光, 2010, 37(4): 1132-1137.
[2]	邵童閣. 6082鋁合金激光焊接工藝與機理研究[D]: [碩士學(xué)位論文]. 北京: 北京石油化工學(xué)院, 2020.
[3]	Ren, N., Jiang, L., Liu, D., et al. (2015) Comparison of the Simulation and Experimental of Hole Characteristics during Nano-second-Pulsed Laser Drilling of Thin Titanium Sheets. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 76, 735-743. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6293-6
[4]	Li, M.Y., Ye, J.F., Mao, C.T., Wang, S.B. and Yu, C.H. (2021) Study on Impulse and Ablation of Aluminum Irradiated by Millimeter Spot of Short Pulse Laser. Journal of Physics: Conference Series, 2108, Article ID: 012096. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2108/1/012096
[5]	劉煜. 納秒激光加工硬質(zhì)合金表面微織構(gòu)及其性能研究[D]: [碩士學(xué)位論文]. 長春: 吉林大學(xué), 2021.
[6]	Benedetti, P.A., Cristoforetti, G., Legnaioli, S., et al. (2005) Ef-fect of Laser Pulse Energies in Laser Induced Breakdown Spectroscopy in Double-Pulse Configuration. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 60, 1392-1401. https://doi.org/10.1016/j.sab.2005.08.007
[7]	李欣榮, 周天文, 孫琦. 長脈沖高能激光對金屬靶材燒蝕實驗研究[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2009, 30(1): 148-152.
[8]	Forsman, A.C., Banks, P.S., Perry, M.D., et al. (2005) Double-Pulse Machining as a Technique for the Enhancement of Material Removal Rates in Laser Machining of Metals. Journal of Ap-plied Physics, 98, Article ID: 033302. https://doi.org/10.1063/1.1996834
[9]	Bogaerts, A., Chen, Z. and Autrique, D. (2008) Double Pulse Laser Abla-tion and Laser Induced Breakdown Spectroscopy: A Modeling Investigation. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spec-troscopy, 63, 746-754. https://doi.org/10.1016/j.sab.2008.04.005
[10]	Qin, Y., F?rster, D.J., Weber, R., et al. (2018) Numerical Study of the Dynamics of the Hole Formation during Drilling with Combined ms and ns Laser Pulses. Optics & Laser Technology, 112, 8-19. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.10.057
[11]	Jia, X., Chen, Y., Wang, H., et al. (2020) Experimental Study on Nanosecond-Millisecond Combined Pulse Laser Drilling of Alumina Ceramic with Different Spot Sizes. Optics & Laser Technology, 130, Article ID: 106351. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106351
[12]	Jia, X., Chen, Y., Zhu, G., et al. (2019) Experimental Study on the Optimum Matching of CW-Nanosecond Combined Pulse Laser Drilling. Applied Optics, 58, 9105-9111. https://doi.org/10.1364/AO.58.009105
[13]	趙博文. 激光加熱輔助銑削高溫合金刀具切削性能及工藝優(yōu)化研究[D]: [碩士學(xué)位論文]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué).
[14]	Hassanimatin, M.M., Tavassoli, S.H., Nosrati, Y., et al. (2019) A Combination of Electrical Spark and Laser-Induced Breakdown Spectroscopy on a Heated Sample. Physics of Plasmas, 26, Article ID: 033303. https://doi.org/10.1063/1.5084102
[15]	姜長城, 袁建東, 姜治康, 成海東, 林新貴, 易根苗, 梁良. 面向鋁合金的熱輔助激光黑化試驗研究[J]. 有色金屬工程, 2021, 11(5): 1-6.
[16]	Raats, P.A.C. (1973) Dynamics of Fluids in Porous Media. Soil Science Society of America Journal, 37, 6. https://doi.org/10.2136/sssaj1973.03615995003700040004x
[17]	Han, L. and Liou, F.W. (2004) Numerical In-vestigation of the Influence of Laser Beam Mode on Melt Pool. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, 4385-4402. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.04.036

摘要: 為了提高納秒脈沖激光加工效率，本文采用熱輔助加熱手段，對鋁合金靶材進行預(yù)處理，通過數(shù)值仿真得到，輔熱會提高金屬靶材的吸收率，從而使靶材對后續(xù)納秒脈沖激光的利用率提高，且隨著輔熱溫度的增加，靶材溫升效果明顯增強，并在輔熱溫度達到靶材熔點時，其溫升效果產(chǎn)生階躍。

標簽：輔助加熱,納秒激光燒蝕,吸收率,

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