毕业设计（论文）-激光打孔加工区域温度模拟研究.doc

安 徽 建 筑 工 业 学 院 毕 业 设 计（论 文）安徽建筑工业学院 毕 业 设 计（论 文）系 别： 机械与电气工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 课 题： 高合金激光打孔加工温度场的数值 模拟研究 指导教师： 年 月 日58摘 要 本文结合激光和物质相互作用的机理，系统的论证激光加工的基本原理，着重介绍激光与金属的相互作用，并且分析各种效应（如等离子体效应、小孔效应等）在激光打孔中所起的作用。利用有限元法和有限差分法对激光打孔过程中温度场进行数值计算，通过有限元分析软件ADINA对激光打孔过程的温度场进行仿真，得到了小孔的孔深、孔径的时间特性以及随激光能量的变化曲线，为激光打孔加工参数的选取提供了依据，便于工程应用。通过采用了新型脉冲波形的激光打孔实验得到了影响打孔质量的主要参数对孔直径的影响规律，并提出了最佳打孔方案。关键词： 激光打孔 温度场 有限元模型数值模拟ABSTRACTCombined the mechanism that laser interacts with matter ,this paper demonstrates the basic principle of laser processing ,and focuses on the interaction between laser and matter, and analyzes the function that a few effects（plasmas effect ,micro-holes effect and etc.）have in the laser processing.The temperature field produced in the process of laser drilling was analyzed numerically by the finite element method and finite difference method ,and the temperature field is simulated by finite element analysis software-ADINA. Through the experiment which adopted new type laser pulse, the parameter which influences the quality of the micro-hole is obtained, and put forward the best proposition of the drilling.Key words: laser drilling Temperature field Finite element model Numerical simulation 目录第一章 绪论11.1 激光打孔加工技术国内外研究现状11.2 本课题研究的目的、意义及工作2第二章 有限元法的简介及ADINA软件相关知识42.1 有限元法的简介42.2 ADINA有限元分析软件相关知识42.2.1 ADINA有限元分析软件的简介42.2.2 ADINA系统的组成52.2.3 ADINA有限元分析的步骤7第三章 激光打孔加工的相关知识83.1 激光打孔的原理及其物理过程83.2 激光与材料作用的能量传递与转换113.3 物质对激光的反射和吸收123.4 金属材料与激光束的热作用及其状态的变化133.5 激光与等离子体的相互作用与小孔效应15第四章 激光微孔加工过程的数值模拟174.1 物理模型的建立174.2数学模型的建立174.3 材料及物理性能参数184.4 模拟过程18第五章 激光打孔实验及分析255.1 304不锈钢激光打孔实验设备255.2 实验图片255.3 打孔中重铸层的研究265.4 材料特性参数度激光打孔的影响265.5 焦点位置和工件厚度对孔形的影响27结论28致谢29参考文献30附录一 科技文献翻译32附录二 毕业设计任务书48附录三 开题报告51附录四 审批表58第一章 绪论 与其它学科一样，激光打孔加工技术的传统研究方法有实验研究和解析分析两种，并且随着计算机科学的发展出现了新的研究手段计算机数值模拟仿真。激光与物质的热效应是激光束入射与物质后发生的主要物理现象之一。激光加热使材料升温，发生热扩散、热膨胀和热应力。如果激光能量在金属等材料中的沉淀足够强，材料表面层局部区域会发生熔融和气化，这样就可以利用激光来打孔及其它许多应用。研究激光对物质的热效应是激光打孔的物理基础。对于激光打孔加工问题，可建立起激光作用固体材料的热模型，并在一定的假设和边界条件下求出热传导方程的解析解。 研究激光打孔加工过程，主要有三种方法，即实验方法，理论模型分析方法和数值计算方法。实验方法比较精确，但实验成本一般较高，实验条件比较苛刻。理论模型分析方法一般都是在一定的限制条件下提出的，许多假设与实际情况相差甚远，因此结果也是近似的，很难指导实际情况。对于激光微孔加工而言，虽然材料在激光作用下的传热遵从热力学的基本规律，包括传导、对流、辐射这三种传热形式，但它有自身的许多特殊性，例如：加热速度快；温度梯度大；材料表面激光作用区内的激光光强分布不均匀；在激光辐射加热过程中，材料的吸收率及其它热物理参数随温度变化等。因此，这是一个复杂的问题，很多热模型与实际情况存在一定的误差，至今仍没有与实际符合很好的激光热模型。而数值计算方法则非常灵活，能综合考虑实际条件，较好的模拟激光微孔加工过程，且成本低廉，不受实验条件限制。 激光打孔过程中，热过程贯穿整个打孔过程的始终.但是目前温度场的精确测量还比较困难，随着计算机技术和数值模拟技术的发展，运用数学物理方法求解温度场可以得到令人满意的结果。1.1 激光打孔加工技术国内外研究现状近年来，一些学者相继对激光打孔材料的温度场、应力场以及随时间变化的规律进行了研究，但由于激光波长、激光功率密度分布、激光作用时间、材料特性材料的物理常数随温度呈非线性变化、工件形状与尺寸等因素对材料的温度场及其随时间的变化均有影响，因此用解析法难以对这一问题直接求解。在研究这一问题过程中，一些学者相继提出了一些传热模型。许多方法己经被应用到激光打孔加工过程。现代数值计算技术使得有可能把上述最复杂的情况都加以考虑。在激光打孔加工过程中，物质通过怎样的方式（以液体或气体）脱离基底是数值模拟的重点。早期的工作认为蒸汽压迫使气体离开基底同时对液体产生一个排斥作用，结论是物质以液体和气体两种形式脱离基体。这些早期的模型从一维到完全的三维，基本上研究的都是CW激光准稳态物质移去过程。前几年得到的主要结论为：(1)激光在孔内多次反射是孔的深度增大的主要因素；(2)随激光强度的增加，再铸造层（recast layer）厚度减少，激光的多次反射也使再铸造层变薄；(3)随激光强度的增加，诱导的孔穴柱面增大；(4)气液界面剪切力引起的金属液体的流动对孔穴的深度、再铸造层的影响不显著；(5)以气体形式的物质移去率比以液体形式的高几个量级。激光打孔是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密的打孔方法.由于激光打孔具有高能量密度，高效率，高精度等优点.在航天航空，汽车制造等材料加工及其它制造领域得到了广泛的应用，从而对激光打孔过程的研究也越来越受到广泛的重视.在计算机科学和技术以及数值算法迅速发展的推动下，数值模拟和仿真渗透到了激光打孔加工的所有研究领域。而且随着计算机的计算速度、记忆容量和并行算法的发展，目前激光打孔加工有从低维、简单模型到高维、精确描述迅速发展的强烈势头。激光打孔加工是一种先进的、很有发展前途的孔加工技术。尤其在精密加工、复杂加工方面，更具有其无法比拟的优势。激光打孔加工与以有限元法温度场分析和计算机技术为基础发展起来的温度场模拟技术相结合，以实现高效、优质的自动化加工，将成为未来打孔加工的发展方向。1.2 本课题研究的目的、意义及工作目前对激光打孔的结果，大多采用事后的测量评价，对其加工过程的控制也都是根据经验，缺乏科学依据。这里引入一种对激光打孔形状进行数值解算，建立一种根据加工条件预测加工结果及加工参数优化的方法，从而实现对激光打孔质量进行控制.用解析法求解激光加工的温度场，可以给出很多有用的定性分析结果，但往往难于进行准确的计算。这是因为实际工件的几何形状和边界条件复杂，也由于存在很多非线性因素，如材料的热物理参数随温度变化等。在数学模型的基础上，通过专业热场分析软件，数值模拟激光参数（激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲激光重复频率、离焦量）发生变化时，计算被加工孔形状的变化，以被加工孔锥度小、深径比大、加工效率高为优化判据，优化加工参数，为实际工艺试验提供参考。由于激光精密打孔的过程是一个激光和物质相互作用的热物理过程，定向高能激光束聚焦作用于材料表面（功率密度达105W/cm2以上），使其瞬时汽化或熔融，借助气体迅速膨胀形成的爆炸冲击力或外界作用（如吹高压辅助气体）去除汽化或熔融物形成小孔。由于激光束的发散性，在打较深的孔时，随着孔深的增加，使得激光的能量密度随之减小，这是导致小孔产生锥度的主要原因。孔口处由于高温等离子体的能量耦合作用使孔的入口处温度较高，带来孔的锥度较大，同时随着孔深的增加，在焦点至孔口之间大量的金属蒸汽和等离子体云团对激光束起到的弥散作用，使孔底激光功率密度下降的问题。针对以上的问题我们的主要研究内容为：对激光打孔进行仿真分析，来模拟激光打孔的过程.首先根据304 不锈钢工件材料的热学特性及材料密度和几何形状，在深入分析激光加工中激光与材料相互作用机理的基础上，以被加工孔锥度小、深径比大、加工效率高为评价指标，在计算机上仿真激光与材料相互作用的过程，对激光加工参数进行优化，将仿真获得的优化参数作为指导实际工艺试验的基础。根据激光打孔的实际过程建立热力学模型，确定相应的初始条件和边界条件，运用有限元分析软件（ADINA）模拟水射流下激光打孔过程中工件内部温度场的变化情况，通过理论数据与实验结果的比较，分析影响小孔质量的各主要因素，为工艺参数的选取奠定理论基础，确定满足技术要求的最佳的工艺方案。 第二章 有限元法的简介及ADINA软件相关知识2.1 有限元法的简介从二十世纪60年代中期以来，进行了大量的理论研究，不断拓展了有限元法的应用领域，其中，理论研究的一个重要领域是计算方法的研究，主要有：大型线性方程组的解法，非线性问题的解法，动力问题计算方法。同时，一些专业软件公司还开发了许多通用或专用的有限元分析软件。从有限元软件的角度来讲，有限元法实施过程包括：前处理计算后处理。前处理是对计算对象网格划分、形成计算模型的过程，包括单元类型的选择、材料特性的确定，实体建模，节点单元网格的确定、约束载荷的移置等。一些通用的有限元软件大都已经将常用的各种材料及其物理参数存储到其数据库中，供用户选择；许多有限元软件不仅提供了与主流CAD系统的接口，自己本身也又很好的实体建模功能；有限元软件都提供了一种以上的网格划分方法，以供使用者根据计算要求进行选择，从软件的角度看，这是分析中最重要的环节。计算则是在形成总刚度方程和约束处理后求解大型联立方程组、最终得到节点位移的过程。从有限元法理论角度，这是有限元分析的核心，但由于软件已经针对各种模型进行过验证运算，因此只需要按照提示输入各种条件，包括收敛的方法（在软件中，这常被称为求解器）等，即可得到计算结果。后处理则是对计算结果（应力、应变或振型等）的整理，形成等应力线、变形图、振型图等，以及结果的输出。本文将用ADINA有限元分析软件对塔式起重机进行有限元建模，然后运用ADINA软件对其受力的仿真，输出应力-时间历程。2.2 ADINA有限元分析软件相关知识2.2.1 ADINA有限元分析软件的简介 ADINA软件的英文全称为“Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis”，中文翻译为“自动动态增量非线性分析”。ADINA软件是美国ADINA R & D公司的产品，拥有国际上先进的大型通用有限元计算分析仿真平台，能够广泛应用于各行各业和研究、教育机构。ADINA一直致力于优秀的计算仿真能力，可用于固体分析、流体分析热分析，以及流固耦合、热力耦合和多种物理场耦合等分析中，并能够为用户提供复杂问题的解决方案。 ADINA软件的创始人K.J.Bathe 博士为麻省理工学院教授，他与其带领的研发团队于 1975 开发了ADINA软件。由于其优秀的非线性功能，当时就被欧美的工程界、教育界及科研院所广泛采用。经过三十多年的不断发展，ADINA软件以其领先的计算理论、稳定的非线性问题求解专利技术、强大而广泛的多物理场仿真功能，获得了全球用户的好评，被誉为“有限元软件中不可多得的精品”。由于 ADINA 软件是融结构、热、流体于一体的大型通用有限元软件，可以进行三维的非线性问题的有限元分析，由于它具有自动划分网格和自动整理计算结果并使之形成可视化图形的前后处理功能，特别是能够实现多场及多场耦合分析的功能，同时 ADINA 程序立足于可靠、高效、精确的开发原则，在世界范围内经过了30 多年的广泛实用，取得了广泛认可。2.2.2 ADINA系统的组成 1）ADINA-Structures ADINA-Structures是结构模块，用于求解线性、非线性、稳定性、动力学等问题，尤其在处理非线性及动力学问题等方面具有明显的优势。它能够有效的考虑各种非线性效应，包括几何线性、材料非线性、接触非线性等。 对于动力学分析，ADINA-Structures模块提供了瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析、响应谱分析、随机振动分析。不仅可以考虑整个部件级的接触模态，还可以分析固液耦合体的特征模态和频率（例如考虑水的附加质量对水中结构振动频率的影响）。此外，该模块还可以同时进行显式和隐式时间积分算法，这两种算法既可以独立分析不同的问题，又可以联合求解同一复杂问题的不同工序。2）ADINA-CFD ADINA-CFD 是流体模块，该模块包含两种离散方法：有限元法和控制体积法（也称为有限体积法），使用这两种方法可以求解各种流体动力学问题（例如，2D或3D，牛顿流或非牛顿流，不可压缩流体、微可压缩流体、完全可压缩流体、层流或湍流、稳态流动或瞬态流动、传热分析等） ADINA-CFD模块能够处理各种流体力学问题，例如，模拟水的动态流程 、明渠流动计算，以及模拟波浪等。此外还能够解决传质、移动壁面、自由表面、表面张力、VOF、特殊边界以及多孔介质中的流动等问题。3） ADINA-Thermal ADINA-Thermal是温度模块，能够解决固体和结构的温度和热流分析问题。分析过程中，该模块可以解决2D/3D导热、辐射换热 、对流换热问题，也可以进行稳态和瞬态分析，而且可以考虑与时间和温度相关的材料特性、潜热效应、单元生死等功能。此外，该模块还可以与ADINA-Structures联合进行热力耦合分析。 4）ADINA-FSI ADINA-FSI模块是全球领先的流固耦合求解器，它能够将ADINA软件中的结构模块和流体模块完全耦合起来，计算速度也很快。由于ADINA软件的结构求解器和流体求解器是同一个公司研发的产品，因此ADINA-FSI能够很容易的将ADINA-Structures与ADINA-CFD的功能融合在一起，实现流体和结构的耦合分析，并且兼具迭代耦合和直接耦合两种算法。在ADINA软件的流固耦合分析中，流体和结构的网格可以独立划分，界面上的网格也不需要一致，可以考虑自由液面运动、移动壁面，以及耦合现象中的气蚀、相变等级为复杂的工程问题，也可以考虑空气中或水下结构物的运动、接触、碰撞甚至材料破坏等现状，如果流体区域发生变化还可以考虑网格重划分或跟随网格等动网格处理技术。5）ADINA-TMC ADINA-TMC是热力耦合模块，主要用于单、双向热力耦合问题。对于双向热力耦合问题，热分析的结果将影响结构分析，结构分析的计算结果也将影响传热计算。对于热力耦合问题，分析时兼具迭代耦合和直接耦合两种算法。解决热力耦合问题时，ADINA-TMC模块可以考虑下列影响因素：由于材料塑性变形引起的内部生热、相互接触物体之间的热交换、接触面之间由于摩擦引起的表面热生成等。 6）ADINA-AUI 该模块对ADINA分析程序提供统一的前后处理功能。ADINA-AUI采用友好的交互式图形界面来实现所有建模和后处理功能，并提供Undo和Redo功能。ADINA-AUI还提供了多种网格划分器，不仅能够对常见的网格进行划分，还能够对复杂模型进行自动六面体网格划分，它提供的Glue Mesh功能可以将不同的网格粘连在一起。ADINA-AUI还提供了与CAD软件进行交互的接口，它能够直接读入各种CAD系统生成的几何模型，例如Pro/E和基于Parasolid核心的实体（Unigraphics、Solid-Works和SolidEdge等软件）。为了便于用户操作，ADINA-AUI不但可以与AutoCAD、Pro/E、UG等软体实现无缝链接，还可以与PATRAN、MSC.Nastran等有限元软件交换模型数据。 2.2.3 ADINA有限元分析的步骤 图2-1 有限元软件分析步骤的流程图 第三章 激光打孔加工的相关知识3.1 激光打孔的原理及其物理过程激光是单色光，强度高、相干性和方向性好，通过一系列光学系统，可将激光束聚焦成光斑直径到几微米，能量密度高达108106W/cm2，能产生104以上的高温，并能在十分之几秒甚至更短的时间内使任何可熔化、不可分解的材料熔化、蒸发、汽化而达到加工目的。激光加工是以激光为热源对工件材料进行热加工。激光打孔也是一样，它在激光加工中归类于激光去除，也叫蒸发加工。其作用过程大体分为如下几个阶段：激光束照射工件材料，工件材料吸收光能；光能转变为热能使工件材料无损加热；工件材料被熔化、蒸发、汽化并溅出、去除或破坏；作用结束与加工区冷凝。1. 光能的吸收及其能量转化激光束照射工件材料表面时，光的辐射能一部分被反射，一部分被吸收并对材料加热，还有一部分因热传导而损失。这几部分能量消耗的相对值，取决于激光的特性和激光束持续照射时间及工件材料的性能。不同工件材料对不同光波的吸收与反射，差别很大，参见图3-1所示。 1-耐烧玻璃；2-Au；3-Mo；4-Ni；5-Fe；6-Al 图3-1 不同工件材料对不同光波波长的吸收率 一般，导电率高的金属材料对光波的反射率比较高(大多数金属材料的反射率为7095。表面光亮度高的材料，反射率也较高。一些人为或加工中必然的因素都有利于提高材料的吸收率。如加工过程中金属表面的温升、加热而形成的液相或气相、粗糙或人为处理的工件表面等都有助于光能的吸收。激光束加工是一个高速熔化、汽化的过程，光能传至工件表面时，工件材料吸收光能是一个瞬态过程。开始时，即使工件表面很粗糙，反射率也都是较高的（尤其是金属材料）；当工件表面材料的温度逐渐上升，高温下表面被氧化或成熔融状态之后，反射率便逐渐降低，吸收率迅速增加。2. 工件材料的加热光能转换成热能的过程就是工件材料的加热过程。光照一定时间时，被吸收的能量、产生的温度、导热和热辐射之间达到平衡状态，此时光斑中心温升可由下式确定： （3.1） 式中，T为光斑中心温升（）；A为吸收系数；P为入射激光的功率（w）；为光斑半径（um）；K为材料的导热系数工件材料加热后，进入稳态的熔化、汽化过程，但是，不同的工件材料，其热学物理特性亦不同。一方面，工件材料的熔点、沸点、汽化热等愈高，所消耗的热量则愈大；另一方面，工件材料的导热系数愈大，热传导损失愈大，工件材料的温升就慢。当激光功率一定时，照射时间愈长，热损失也加大；激光功率密度的空间分布愈分散，被辐射工件表面的温升愈慢。3. 工件材料的熔化、汽化及去除 物质吸收光能的过程可以分成以下几个物理过程：（1） 吸收与加热阶段温度小于材料熔点，即（熔点），激光功率密度小于，而金属材料的吸收系数一般为，所以吸收的能量存于1cm厚度内，通过热传递透入材料内部，金属被加热。这一阶段适合对材料进行加热以及热处理。（2） 熔化阶段温度在沸点和熔点之间，即（沸点），激光功率密度约为。 当温度超过熔点时，材料开始熔化，熔液表面向材料内部延伸。这一阶段适合焊接与在气体喷吹下的金属切削加工。（3） 汽化阶段温度大于材料沸点，即，激光功率密度在到之间，表现出的特征是材料先被熔化，同时有一部分被汽化，表面开始出现圆窝，溶液表面继续向材料内部延伸。这一阶段适合打孔、切割、材料去除等。（4） 等离子体产生阶段温度远大于材料的沸点，即，激光功率密度大于，现象为开始少量材料被汽化，同时把材料加热到高温；又有少量材料被电离而产生一个不透明的高温等离子体，把材料与激光隔绝。等离子体产生爆炸式的膨胀，形成半球形的冲击波，给材料一个强的反冲击力，使熔化的材料飞溅，薄金属板可能破裂。 4. 工件加工区的冷凝 激光辐射作用停止后，工件加工区材料便开始冷凝，其表层将发生一系列变化，形成特殊性能的新表面层，新表面层的性能，取决于加工要求、工件材料、激光性能等复杂因素。一般，激光束加工工件表面所受的热影响区很小，在薄材上加工，汽化是瞬时的，熔化则很少，对新表面层的金相组织没有显著影响。以激光脉冲为例分析激光打孔的过程，可把激光脉冲宽度分成5小段，如图3-2所示： 图3-2 激光打孔过程“1”段为前缘，“2”“3”“4”段为稳态输出阶段，“5”段为尾缘。当“1”进入材料后，材料开始慢慢被加热，由于材料的表面反射，加热比较缓慢，热向内部传导，造成大区域的材料升温，相变以熔化为主，相变区面积大而深度浅。当“2”进入材料后，因材料相变吸收率增大，加热剧烈，熔融区面积缩小而深度增加，孔径开始收敛，蒸汽开始出现。“3”“4”段进入材料后，打孔过程相对稳定，材料的汽化比例剧增至最大程度，蒸汽带着液相材料飞溅，形成了孔的圆柱段。当“5”段进入材料后，材料的加热已临近终止，汽化及熔化趋于结束，从而形成了孔得尖锐的锥形孔底。由此可见，物质的蒸发和熔化时促成激光在材料上成孔的两个基本过程。激光打孔时，当温度升至略低于材料的蒸发温度时，激光对材料的破坏开始进行，此时主要特征是固态金属发生强烈的相变，首先出现液相，继而出现气相。热能的继续增加使金属蒸汽以较高的压力从液相的底部猛烈喷出，并携带着液相材料一起喷出。这正是通常激光打孔中看到的火花溅射，从而完成打孔过程。3.2 激光与材料作用的能量传递与转换研究激光与材料相互作用过程中的能量传递和转换是为了说明激光打孔时，激光将光能传递给材料及其转化为热能的机理。显然激光照射金属材料时，其能量转化仍要遵守能量守恒法则，即 （3.2）式中 ，为入射到材料表面的激光束能量；为被材料表面反射的能量份额；为被材料表面吸收的能量份额；为激光束透过材料后的能量份额。金属材料对激光束而言，是束流不能穿透的材料，其。将（3.2）分别除以，则金属材料的能量转化式为 （3.3）激光束照射金属材料时，其入射能量最终分解为两部分：一部分被金属表面反射掉，而另一部分则被金属表面所吸收。当金属表面吸收了外来能量后，将形成晶格点阵的原子激活，进而使光能转换成热能，并向表层内部进行热传导和热扩散，以完成表面加热过程。对于激光束而言，不同材料或同一材料的不同表面状态的反射率和吸收率是不同的。在一般条件下，光亮的金属表面对激光束的直接吸收率甚差。经过多年的研究表明，材料对激光的吸收率除取决于材料的特性外，还与激光的波长、材料的温度和表面状态等有关。激光波长越短，吸收率越高；材料温度越高，材料对激光的吸收率的值越大。金属的吸收率与激光的波长和金属的直流电阻率存在如下关系式： （3.4）因直流电阻率随温度的升高而升高，故吸收率与温度T之间有如下线性关系式： （3.5）式中，为常数。材料表面状态对激光吸收率的影响是表面粗糙度愈大，其吸收率愈大。但是，实际生产中，激光热处理往往采用其它方法来提高激光的吸收率。如：表面中温磷化处理；喷涂专用黑漆；喷涂或粘涂以氧化物为主的专用涂料。3.3 物质对激光的反射和吸收激光与物质相互作用首先是从入射激光被物质反射和吸收开始的。激光束入射与均匀、各向同性的物质时，部分能量被周围气体（或微粒）和物质表面所散射或反射，进入物质的激光能量部分被吸收，其余部分则穿透物质继续传播。真空环境中入射激光束的总能量（功率）是反射（散射）、吸收和折射（透射）三部分之和，入射波的电、磁场强度即为反射和折射（透射）光束电、磁场强度的向量和。要进行激光辐照的热效应理论计算，首先要知道有多少辐照能量被材料吸收。对于金属和电介质，我们可以用电动力学的理论计算他们对激光束的反射和吸收特性，但真实材料对激光的反射和吸收数据与其入射表面状况、温度、样品纯度、压力及环境状况有关，主要依靠试验测量。 物质对激光的吸收就是其内部电荷或振子与激光单色电磁场相互作用的问题，但是实际物质远为复杂，了解其内部结构及光的吸收或发射特征，主要依靠吸收光谱的测量。液体和固体中分子间相互作用很强，一般把它们的光谱作为原子和分子光谱模型的引申加以研究，并不完全反映它们真实的微观结构。固体中存在大量的密集的吸收中心，其光谱由若干频率范围较大的连续区组成。如一般金属在可见光和红外波段有很强的连续吸收带，自由电子起主要作用；对于紫外波段以及更高频率的辐射，束缚电子的作用比较显著，金属实际上表现出与电介质相似的光学性质。激光照射过程中，金属表面升温，引起激光反射率R下降。在表面达到熔化温度但尚未发生相变的一段时间内，R保持不变，熔化之后R继续下降。激光加工中往往采用（预脉冲+主脉冲）的波形结构，使工件表面在窄而高的预脉冲作用下提前升温或熔化，降低反射率，以便更好地吸收激光主脉冲的能量。在横向激励激光束照射下，304 不锈钢表面的吸收率随时间而上升。由于热变形、相变及表面化学变化的作用，在激光照射一定时间之后，样品表面初始时的粗糙度将失去影响。在很长或很短激光脉冲作用下，样品反射率有随时间下降的趋势，事实上在高功率短脉冲激光作用下，材料表面已成为接近固体密度的高温等离子体。激光强度超过材料汽化阀值不多时，材料蒸汽的温度、密度不高，对入射激光基本透明。较强的光强作用下，材料或喷溅的液滴将产生吸收或散射作用。在很高光强作用下，周围气体或材料蒸汽发生光电击穿（电离），强烈吸收激光，对固态样品表面造成屏蔽。应用激光束打细长深孔时，进入孔中的光束基本上全部被工件吸收（深孔效应），不发生反射。3.4 金属材料与激光束的热作用及其状态的变化在激光束作用下，材料表面将吸收载能光子。一旦外来能量被吸收，它将立即转换为热能。这将导致激光作用区内的金属被加热升温。升温状态取决于激光的束流特性和能量，以及作用时间，同时也取决于材料的特性，如相变点、熔点、沸点、比热容、热导率、密度等，材料将发生与其温度相对应的物质状态变化。在激光束照射下，激光束作用区的材料温度升高幅度显然取决于材料对激光束的吸收能量份额以及材料的热学性质。一般而言，激光束加热材料时将有如下规律：第一 在相同作用时间的条件下，吸收的能量份额越大，材料的升温速度越快。第二 在相同的吸收能量值的条件下，材料的比热容越小，激光作用区的材料的温升越高。第三 在相同的能量密度及作用时间的条件下，材料的热导率越小，激光束作用区与基体材料相邻部位之间的温度梯度越大。当激光束加热材料的温度低于其熔点时，首先发生材料的固态加热现象。当材料温度超过其相变点时，则将发生固态相变。如由马氏体转变为奥氏体，在激光束停止照射后，通过金属基体自身的传热冷却效应实现淬火硬化。当材料温度超过其熔点，则材料转变成液态，形成熔池。与熔池相邻的基体成为热影响区。当温度继续升高，即材料吸收的热量达到或超过材料气化潜热时，熔池表面的材料将被气化。若热量达到或超过升华潜热，则材料由固态直接升华，此时在材料表面不存在熔化层。当激光束的强度达到或超过击穿气体的阀值时，将形成等离子体。材料在激光作用下的不同状态如图3-3所示。 a）固态加热； b）表层熔化； c）表层熔化，形成增 d）形成小孔及阻隔 强吸收等离子体云 激光的等离子体云图3-3 材料在激光作用下的不同状态图 当激光照射到金属表面时，一部分激光能量被反射，另一部分能量被激光作用区的薄层吸收，并瞬时转换为热能，使表面温度升高。在这个过程中激光束等效为一个具有一定时间和空间分布的热源，但在绝大多数情况下感兴趣的是材料所真正吸收的那一部分激光功率密度，它遵循玻意耳定律： （3.6） 式中为距表面z处的单位体积材料吸收的辐射功率密度；为材料表面吸收的激光功率密度； 为材料的吸收率；为材料的吸收系数。当激光作用在材料的表面时，会使金属表面的粗糙度发生变化。那是因为激光在氧化气氛下加热金属，将使其表面发生氧化，从而使激光作用区及附近出现与氧化层特性有关的金属氧化色，降低金属表面的粗糙度。当激光能量密度足够高时，可观察到激光作用区的金属表面上形成蒸气羽或等离子体，它说明金属表面的原子被气化或升华，停止激光照射后，可在金属表面看到金属升华后的迹象。在能量太高的短脉冲激光作用下，金属表面会产生斑点，斑点的特性与金属的种类有关。3.5 激光与等离子体的相互作用与小孔效应由激光辐射材料所产生的等离子体为光致等离子体。激光加工过程中形成光致等离子体的前提是材料被加热至汽化。激光加工过程中的光致等离子体一般为材料蒸汽的等离子体，因为材料蒸汽温度高，常用金属材料的电离能力又比较低，低于保护气体的电离能，因而材料蒸汽较周围气体易于电离。但在激光功率密度很高及周围气体流动不畅时，也可能发生周围气体击穿产生等离子体。等离子体会吸收激光能量，其吸收系数由下式确定 （3.7）式中，为电子原子离子间的碰撞频率，c为光速，w为激光频率，为等离子体振荡频率，对于,的通常情况，有 （3.8）其中，为常数，为蒸汽密度，为电子密度。等离子体能够吸收激光，只有部份激光能穿透它，到达工件表面。从而降低了工件对激光总的吸收率。但是等离子体吸收的光能又可以通过下列不同渠道传至工件：（1）等离子体与工件接触面的热传导；（2）等离子体辐射易为金属材料吸收的短波长光波；（3）材料蒸汽在等离子体压力下返回，凝聚于工件表面。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失，则等离子体反而增强了工件对激光能量的吸收。否则，就是等离子体阻隔。材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融材料抛出，形成小孔。为形成小孔，汽化压强应该平衡表面张力、静水压力和液相材料抛出的流动阻力。孔底汽化压强为： （3.9）设小孔为圆锥面，锥角。沿圆锥轴线入射的光束经锥面反射指向尖顶并退回，总共反射次。每反射一次，吸收约13（CO2激光对铁）。则在18次反射过程中总吸收率达92。光在孔内每反射和聚焦一次，其的能量就减少一部分，直到激光能量在小孔深处基本衰减完，小孔深度也不再增大。小孔吸收的另一机制是通过等离子体吸收。光致等离子体不仅存在于小孔表面之上，而且也充满小孔。等离子体吸收能量，通过对流和辐射将能量传给孔壁。由于等离子体吸收，穿过小孔到达小孔底部的激光功率密度下降，而小孔底部的激光功率密度对于产生一定的汽化压强以维持一定深度的小孔是至关重要的，它决定了加工过程的穿透深度。有关CO2激光焊接钢材的试验结果表明，小孔内等离子体的吸收系数k在左右。 第四章 激光微孔加工过程的数值模拟4.1 物理模型的建立激光打孔的物理模型如图4所示， Nd:YAG 激光器产生的高斯激光束照射到材料表面， 被高斯光束照射的部分吸收光能并瞬间达到沸点， 材料达到沸点的部分气化， 高斯激光束继续照射材料的下一层， 并重复上述过程。在激光打孔的模拟过程中将作以下简化假设： （1） 材料为各向同性； （2） 温度场只与热输入方式和热物理性能参数有关， 只考虑与空气的对流换热；（3） 忽略辐射损失；（4） 由于激光打孔材料升温速度极快， 所以忽略材料的融化过程；（5） 忽略材料的气化形成的等离子层对激光光束的影响。 图4-1 激光打孔的物理模型4.2数学模型的建立 非线性瞬态热传导微分方程为： （4.1） 式中：、 （） 分别为材料沿x、y、z 3 个方向的热传导系数；为材料的密度；为材料的比热容； 为内热源的热量。为了简化计算， 现假设材料各向同性， 则公式可以简化为： （4.2）4.3 材料及物理性能参数选取激光打孔材料为304 不锈钢（高合金钢）， 其熔点为1398， 沸点为2710， 密度为7930kgm3， 其热物理性能参数如表1所示。， 其热物理性能参数如表4-1所示。表4-1 304不锈钢的热物理性能参数温度/比热容Jkg-1K-1传导系数Wm-1K-12050212.120054115.9340064520.6780087523.71120064119.64 初始条件取为室温20， 激光光斑的作用区域为以X0， Z0 为圆心， 0.3mm 为半径的圆形区域， 且光斑能量呈高斯分布， 加载形式为激光高斯热流密度和对流换热， 对称面施加绝热边界条件， 其余面施加对流换热边界条件，对流换热系数取。激光打孔所用的激光光束功率密度计算公式如下： （4.3） 式中:为光束半径， 取03mm；为光束照射工件表面形成的光斑半径；是光斑的峰值功率密度， 实际采用的Nd:YAG 脉冲激光器峰值功率密度为2280W； 为材料吸收系数， 取0.4。4.4 模拟过程 1. 模块选择 启动ADINA-AUI，程序模块选择Thermal 分析为Transient。 2. 定义几何 单击菜单ADINA-M Define Body，在弹出的对话框中输入参数，见图（a）；得出几何模型，见图（b）： （a） （b） 图4-2 304不锈钢的三维实体模型及其参数设置 3. 定义单元组 点击菜单 MeshingElement Group，定义见图4-3： 图4-3 单元组的定义 4. 定义网格密度点击菜单MeshingMesh Desinty Body ，在弹出的对话框中，定义如图4-4： 图4-4 网格密度的定义 5. 划分网格 由于激光束直接作用附近区域温度梯度很大， 为了保证计算精度， 激光作用区域及其相邻部位的网格作细化处理。根据资料，取激光半径作用区域半径为0.3mm 。单击菜单MeshingCreate MeshBody，在弹出的对话框中定义如下图4-5，并得出图4-6： 图4-5 网格的划分 （a） （b） 图4-6 网格划分后所得模型图 6. 定义初始条件 定义初始环境温度为20，点击ModelInitial Condition，在弹出的对话框中定义如图4-7： 图4-7 初始条件的定义 7. 定义并施加约束 点击菜单ModelBoundary ConditionsApply Fixity，对称面施加绝热边界条件，其余面施加对流换热边界条件，见图4-8： 图4-8 边界条件的定义 8. 定义载荷 点级菜单ModelLoadingApply，激光的功率为200W，在弹出的对话框中定义如图4-9： 图4-9 载荷的定义 9. 定义时间步 单击菜单ControlTime Step，在弹出的对话框中定义如下图4-10： 图4-10 时间步的定义 10. 定义材料 点击菜单ModelMaterialManage Material，在弹出的对话框中如图（a），单击Conduction下的k（t） c（t），定义如图（b）： （a） （b） 图4-11 材料的定义11. 求解点击菜单FileSave，将文件保存为ss.idb。单击菜单SolutionRun，在弹出的对话框中输入ss，同时勾选Run Solution和Automatic Memory Allocation选项，单击保存按钮并等待计算结束。 12. 运算结果，并进行后处理 图4-12 运算结果图 （a） （b） 图4-13 打孔热流量向量矢云图（在积分点处） （a） （b） 图4-14 打孔结点温度云图（在节点处） （a） （b） 图4-15 热流量向量矢符号图（在积分点处） 图4-13、图4-14,、图4-15清晰地显示了激光打孔过程中的高斯激光束作用于材料表面工件内部时的温度场分布情况， 从图4-13（a）（b）中可以看出， 光斑中心在很短的时间内温度瞬间升温至5.308，远远超过可材料的熔点和沸点。温度超过材料的熔点和沸点的区域部分的材料将随着孔腔内外形成的压力差向外喷射，从而实现材料的去除，形成一定深度和孔径的小孔。根据分析结果可以看到，随着时间的延续，材料吸收光能并以热能的方式向材料内部传递，孔径和孔深逐渐增大，并以光斑为中心向外逐层降低， 而且光斑的热影响区非常小。从打孔热流量向量示云图（在积分点处）和打孔结点温度云图（在节点处可以看出， 光斑作用区域中心的温度最高， 且呈弧形向下凸出， 而超过沸点部分材料将会升华， 即这部分单元将被杀死， 所以采用高