（机械工程专业论文）超硬磨料对yag激光吸收系数的测定及数值模拟计算.pdf

硕士学位论文 摘要 激光加工的本质是利用材料吸收激光能量改变材料的物理化学结构，因此， 研究确定材料对激光的吸收系数是研究激光加工的基础，具有重要的理论意义和 实际应用价值。 激光修整超硬磨料砂轮作为一种新型的修整技术，正显示出广阔的应用前 景。照射到砂轮上的激光一部分被磨料和结合剂吸收，另一部分则被反射或透过 超硬磨料作用于结合剂上。激光修整的本质是利用磨粒与结合剂吸收激光能量对 砂轮进行深度的整形或轻度的修锐，使砂轮达到所要求的几何形状误差和地形地 貌。迄今，针对不断出现的各种超硬磨料对y a g 激光的吸收系数测量研究未见 报道。如何准确的测定超硬磨料对激光的吸收系数，对激光修整超硬磨料砂轮的 理论研究和实际推广应用具有关键作用。 本文以试验研究与数值模拟计算相结合，以传热学为理论基础，基于集总参 数分析法，设计了超硬磨料对y a g 激光吸收系数的测量装置，利用热电偶传感 器经数据采集系统测定出超硬磨料试样在y a g 激光辐照和冷却过程中的热电 势，将热电势值转换成相应的温度值代入吸收系数计算模型，可得出m b d 系列 人造金刚石和c b n 系列立方氮化硼超硬磨料对y a g 激光的吸收系数。同时对激 光平均功率、激光光斑直径大小、激光连续辐照频率、热电偶传感器放置位置、 试样本身质量以及绝热盒的性能等因素对吸收系数的影响情况进行分析，找出其 中的影响规律及原因。 根据传热学原理分析试验过程中试样的热量传递方式及对流换热形式，同时 采用集总参数分析法计算对流换热系数，这是一种针对特殊场合求解对流换热系 数的方法。对整个试验过程建立相应的三维非稳态传热物理和数学模型，对传热 模型进行离散处理，将由试验测定的试样吸收系数值及对应激光参数代入模型， 并采用a p d l 编程语言编制程序在a n s y s 有限元分析软件中进行整个试验过程 的数值模拟计算。并将数值模拟计算所得的温度与试验测定的温度进行比较，通 过对两者结果的比较分析来验证试样测定结果的准确性以及整个试验方案的可 行性。 关键词：y a g 激光；超硬磨料；集总参数；热电偶；吸收系数；数值模拟 i i 超硬磨料对y a g 激光吸收系数的测定及数值模拟计算 a b s t r a c t t h el a s e rp r o c e s s i n ge s s e n c ei st o c h a n g et h em a t e r i a lp h y s i c a lo rc h e m i c a l s t r u c t u r e b y a b s o r b e dl a s e re n e r g y ，t h u sf u l f i l l sac e r t a i np r o c e s s i n g p u r p o s e t h e r e f o r e ， r e s e a r c ho nm e a s u r j n gm e t h o do ft h e a b s o r p t i o n c o e f n c i e n ti st h e f b u n d a t i o nt ot h e1 a s e rp r o c e s s i n g ，a n di th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n l a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n go fs u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e la so n ek i n dn e w t e c h n o l o g yi sd e m o n s t r a t i n gp o w e r f u lp r o s p e c ti nd e v e l o p m e n td a yb yd a y i nt h e p r o c e s so fl a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gs u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l ，ap a r to fl a s e r r a d i a t i n gt og r i n d i n gw h e e li sa b s o r b e db ya b r a s i v e sa n db o n d ，a n o t h e rp a r ti s r e f l e c t e do rp e n e t r a t e st h r o u g ht h ea b r a s i v e st oa c to nb o n d t h ee s s e n c eo fl a s e r t r u i n ga n dd r e s s i n gi su s i n gt h ea b r a s i v ea n db o n da b s o r b e dl a s e re n e r g yt oc h a n g e t h eg r i n d i n gw h e e ls t r u c t u r e ，t h u st os a t i s f yt h er e q u e s to fg r i n d i n gw h e e lg e o m e t r i c d e v i a t i o n t h el a s e ra b s o r p t i o no fs u p e r a b r a s i v ei sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n tp r o b l e m t ol a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n go fs u p e r a b r a s i v eg r i n d i n gw h e e l h o wt om e a s u r et h e l a s e ra b s o r p t i o no fs u p e r a b r a s i v ec o n v e n i e n t l ya n de c o n o m i c a l l yi so n eo ft h e r a t i o n a l er e s e a r c h e so fl a s e rt r u i n ga n dd r e s s i n gs u p e r a b r a s i v e sg r i n d i n gw h e e l t h i sp a p e rc o m b i n e st h ee x p e r i m e n t a ls t u d yw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， e m b a r k sf r o mt h eh e a tt r a n s f e rt h e o r y ，b a s e so nt h el u m p e dp a r a m e t e rm e t h o d ，t h e n a d o p t s t h et h e r m o c o u p l es e n s o ra n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m t om e a s u r et h e s u p e r a b r a s i v es p e c i m e nt h e r m o e l e c t r i cp o t e n t i a lb e f 0 r ea n da f t e rl a s e ri r r a d i a t i n g ， a f t e r w a r d st r a n s f o r m st h et h e r m o e l e c t r i cp o t e n t i a li n t o c o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r e a n ds u b s t i t u t e st h e t e m p e r a t u r ei n t oa b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tc o m p u t a t i o nm o d e l ， n n a l l yo b t a i n st h ey a gl a s e ra b s o r p t i o nc o e f c i e n t o fm b ds e r i e sa r t i n c i a l d i a m o n da n dc b ns e r i e sc u b i cb o r o nn i t r i d es u p e r a b r a s i v e a n a l y z e st h ei n f l u e n c e o fj a s e ra v e r a g ep o w e r 、 l a s e rf a c u a l 、 h e a t - i n s u l a t i n gm a t e “a l 、 l a s e ri r r a d i a t i n g f r e q u e n c ya n ds oo nt oa b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，a n dd i s c o v e r st h ei n n u e n c er u l ea n d r e a s o n a n a l y s i st h es p e c i m e n sh e a tt r a n s f e rw a ya n dh e a tc o n v e c t i o nf o r ma c c o r d i n g t oh e a tc o n d u c t i o nt h e o r y ，s i m u l t a n e o u s l y ，u s e st h el u m p e dp a r a m e t e rm e t h o dt o m e a s u r et h ec o e f n c i e n to fh e a tc o n v e c t i o n ，w h i c hi san e wm e t h o df o rm e a s u r i n gt h e h e a tc o n v e c t i o nc o e f f i c i e n tu n d e rs p e c i a lo c c a s i o n e s t a b l i s h e st h et h r e ed i m e n s i o n a l h i 顾士学位论文 u n s t a b l eh e a tt r a n s f e rp h y s i c a la n dn l a t h e m a t i c a lm o d e lc o r r e s p o n d e dt oe n t i r e e x p e r i m e n t ，c a f f i e so nd i s c r e t i z a 专i o nt oh e a tt r a n s f 毫rm o d e l ，s u b s t i t u t e s 重h es p e c i m e n a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tm e a s u r e db ye x p e r i m e n ta n di t sc o r f e s p o n d i n gl a s e rp a r a m e t e r i n t oc o m p u t a t i o n a lm o d e l ，a n dm a k e sp r o g r a mb ya p d l p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n d c a l c 珏l a e sl h ep f o g f a mi 珏a 套l s y ss o f w a f e 。e o l 强p a f e sl h ec a l e u l a l e df e s 珏l l sw i t 量ll h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n de x a m i n e sa n dv e r i f i e st h ea c c u r a c yo fm e a s u r e dr e s u l t sb y a n a l y z i n gt h et w or o s u l t s 。 k e y w o r d s ：y a gl a s e r ；s u p e r a b r a s i v e ；l u m p e dp a r a m e t e rm e t h o d ；t h e r m o c o u p l e ； a b s o f p i o 珏e o e f 嚣e i e n l ；魏u l n e f i e a ls i i 珏u l a l i o n 硕_ 上学位论文 插图索引 图1 1 磨料k n o o p 硬度比较- 4 图1 2 磨料热导率比较4 图1 3c b n 与金刚石的晶胞结构4 图2 1 导热分析所用的微元一1 4 图2 2 冷却过程厚试样( a ) 和薄试样( b ) 的瞬态温度场分布图1 6 图3 1 集总参数法测定超越磨粒对y a g 激光系数率试样装置示意图一2 2 图3 2 集总参数法测定超硬磨料对y a g 激光系数率试验方案图一2 2 图3 3 金刚石晶胞空间结构示意图：2 4 图3 4 人造单晶金刚石晶体形状一2 4 图3 5 碳的相图2 6 图3 6 人造金刚石磨粒实物图2 6 图3 7 立方氮化硼多面体单晶一2 7 图3 8 立方氮化硼磨粒实物图2 7 图3 9 硅酸铝密实棉板( 左) 珍珠岩棉板( 右) 2 8 图3 1 0 硅藻土材料2 8 图3 11 热电偶测温原理图2 9 图3 1 2 热电偶结构材料2 9 图3 1 3 温差电势原理图一3 0 图3 1 4 热电偶回路电势分布图。3 0 图3 1 5 温度测量系统实物图3 2 图3 16 信号放大、滤波电路原理图一3 3 图3 1 7 确定热端温度，的步骤图一3 5 图4 1m b d 65 0 6 0 金刚石磨粒的热电势曲线图3 9 图4 2c b n 4 06 0 7 0 立方氮化硼磨粒的热电势曲线图4 0 图4 3 热电势信号随激光光斑直径的变化情况一4 2 图4 4 热电势信号随试样质量的变化情况4 3 图4 5 热电偶的放置位置4 3 图4 6 热电势信号随热电偶放置位置的变化情况4 5 图4 7 热电势信号随绝热材料的变化情况4 6 图4 8 热电势信号随激光连续辐照频率的变化情况4 7 图5 1 激光辐照试样的示意图4 8 图5 2 激光辐照试样加载有限元模型5 5 v i i i 超硬磨料对y a g 激光吸收系数的测定及数值模拟计算 图5 3 激光辐照试样数值求解程序框图一5 6 图5 4 激光辐照时试样温度场分布图5 8 图5 5 激光停止辐照后试样温度场分布图5 8 图5 6 激光辐照时立方氮化硼试样温度场分布图一5 9 图5 7 激光停止辐照后立方氮化硼试样温度场分布图一6 0 图5 8 模拟计算所得人造金刚石试样温度变化曲线6 1 图5 9 模拟计算所得立方氮化硼试样温度变化曲线6 3 图5 1 0 数值计算结果与试验测定结果的对比一6 3 图5 1 1 模拟计算所得不同光斑大小时金刚石试样温度变化曲线一6 4 硕上学位论文 附表索引 表2 1 系数c 和指数刀7 的实验值1 7 表3 1 激光器基本参数2 1 表3 2 重现性试验结果2 3 表3 3 金刚石的物理性质2 6 表3 4 金刚石在不同介质条件下的热稳定性2 6 表3 5 立方氮化硼的热物理性质2 7 表3 6 立方氮化硼在不同介质条件下的热稳定性一2 8 表3 7 镍铬镍硅材料热电偶的热物性一3 2 表3 8 镍铬镍硅热电偶分度表一3 4 表4 1 辐照在试样表面的光斑直径d 与离焦量的对应关系表3 7 表4 2 粒度为3 0 4 0 的金刚石磨粒对y a g 激光的吸收系数3 9 表4 3 粒度为5 0 6 0 的金刚石磨粒对y a g 激光的吸收系数3 9 表4 4c b n 磨粒对y a g 激光的吸收系数4 1 表4 5 不同光斑直径时的吸收系数一4 2 表4 6 不同试样质量时的吸收系数4 4 表4 7 热电偶距光斑中心不同位置时的吸收系数4 5 表4 8 绝热材料不同时的吸收系数4 6 表4 9 激光连续辐照频率不同时的吸收系数4 7 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：味客册7 分 日期：矽力矿年争月叼日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：彳萏砀唠 导师签名：陌彳伽易 日期：矽褥年夸月刀日 日期：砖。孑年弘月跌7 日 硕上学位论文 1 1 选题的背景和意义 第1 章绪论 在激光与材料的相互作用过程中，照射到材料上的激光一部分被材料吸收， 另一部分则被材料反射。而激光加工的本质是利用材料吸收的激光能量来改变材 料的物理化学结构从而实现一定的加工目的【lj 。材料对激光吸收的问题是激光加 工中的一个非常重要的问题。表征材料对激光吸收能力大小的参数是吸收系数， 定义为材料吸收的激光能量与激光器输出能量的比值。吸收系数测量是材料对激 光吸收研究的基础。 目前，绝大多数的精加工都用到磨削；磨床的占有率一直很高。据载：我国 有一半以上的企业在生产加工中使用到磨床。9 0 年代超硬磨料砂轮( 如金刚石、 c b n 砂轮) 的诞生，带来了磨削工业的一场变革，它具有寿命长、磨削性能稳 定、抗磨损能力远远超过普通磨料砂轮等优点；但是也带来了砂轮修整技术问题。 解决超硬磨料砂轮修整问题的难度远远大于研制超硬磨料砂轮的难度；因此，研 究解决好超硬磨料砂轮修整问题具有重要的实际意义与实用价值。 砂轮修整是去除砂轮的形状误差和表面缺陷，使砂轮具有准确的几何形状精 度，在砂轮表面形成出刃高度适当的、容屑空间足够的切削微刃，并使单位面积 上的有效磨粒数量尽可能多，其具有悠久的历史。随着国际市场竞争，知识经济 和绿色制造的兴起，作为传统加工制造业的砂轮修整技术面临着新的挑战，发展 先进的修整技术已经成为时代的要求。激光修整砂轮作为一种新型的修整技术， 正显示出同益广阔的发展前景，在激光修整超硬磨料砂轮过程中，照射到砂轮上 的激光一部分被磨料和结合剂吸收，另一部分则被反射或透过超硬磨料作用于结 合剂上。而激光修整的本质是利用磨粒与结合剂吸收的激光能量对砂轮进行深度 的整形或轻度的修锐，从而使砂轮达到所要求的几何形状误差。超硬磨料对激光 吸收的问题是激光修整超硬磨料砂轮中的一个非常重要的问题。 在激光修整砂轮过程的数值模拟计算中，磨粒( 金刚石、c b n ) 和结合剂对 激光的吸收系数是个非常重要的参数，在实际修整过程中，吸收系数决定了工件 实际吸收激光能量的多少，利用它才能准确计算激光修整砂轮过程的温度场。因 此，对模拟的成败起非常重要的作用。超硬磨料对激光吸收的数据在现有文献中 虽然可以找到，但都是在理想状态下得到的值，没有针对一般激光加工过程中的 试验数值，其次，大多数文献中提到的吸收率值基本上都是在某个范围或者是一 个初略估计值，目前国内外还没有一本关于各种材料、型号的砂轮的磨粒与结合 剂对各种激光束的吸收系数的可供查阅的手册。这对激光修整砂轮技术在国内机 超硬磨料对y a g 激光吸收系数的测定及数值模拟计算 械企业中的广泛推广将是一个很大的障碍。而激光修整砂轮主要是激光与磨粒和 结合剂表面发生作用，砂轮表面物料对激光束的吸收，直接影响了激光修整参数 的选择。因此，测量磨粒与结合剂对激光束的吸收系数，有利于选择合理的工艺 参数，如何方便而经济地测定超硬磨料对激光的吸收率是当前激光修整超硬磨料 砂轮一个重要课题。 1 2 激光吸收系数的研究现状 材料吸收系数反映了材料对输入激光能量利用率的大小。吸收系数越大，则 转化为热能的激光输入能量越多。材料对激光光子的吸收系数取决于材料本身对 光的吸收率和激光光子的波长。光的吸收率与激光光子的波长有直接的关系，一 般来说波长越短，吸收率越高。 近年来，有不少关于激光吸收系数的报道，并提出了一些测定金属材料对激 光吸收系数的方法。这些方法大致分为理论方法和实验方法两类。理论上有 d r u d e s 模型法【2 】和半经验法等，另一类是实验方法，如紫外可见光谱仪法【3 1 、反 求法 4 1 、原位法【5 1 、测热法【6 ，7 1 及椭率测定法【8 1 等。这些方法大部分也都是测定金 属材料表面为固态时的吸收系数，测定金属材料为液态时以及测定非金属的激光 吸收系数的方法很少。 目前，国内外关于材料对激光的吸收系数所做的研究工作有： ( 1 ) 瑞典中部大学的d b e r g s t r o m 学者和英国的诺丁汉大学的j p o w e l l 学 者研究了钢在室温下对n d ：y l f 激光和n d ：y a g 激光的吸收系数。 ( 2 ) 清华大学的蔺秀川和邵天敏学者基于集总参数法测量了四种常用工程 材料4 5 钢、2 c 订3 不锈钢、z h 6 8 黄铜、l y l 2 硬铝在大气环境下对激光的吸收 率。 ( 3 ) 西安交通大学的黄延禄、杨福华和梁工英等学者采用原位法测定了铝 合金在固态和液态时对激光的吸收率。 西安交通大学的邹德宁、雷永平和梁工英等学者用数值计算技术和试错法确 定金属材料表面对激光的吸收率。 ( 4 ) 中国科学院力学研究所的崔春阳学者和非线性力学国家重点实验室的 吴炜学者研究了球墨铸铁材料对激光的吸收率。 从上面的报道中了解到测定吸收系数的方法有很多种【5 ，8 ，9 1 ，但实用而可靠的 不多。由于影响因素多而测定方法欠可靠，以至所报道的激光吸收率数值相差甚 大，例如洁净纯铝在熔点以下对激光的吸收率，所报道的数据在2 6 一1 5 2 范 围之间m j ，令人无所适从。 将吸收系数的测量方法概括起来主要有三类： 第一类是通过测量反射率，再由l 减去反射率求出吸收率。这方面代表性的 2 硕士学位论文 工作包括：用量热计测量反射率【l0 1 、利用线偏振光在材料表面反射后会被调制 为椭圆偏振光的原理来测量反射率【l i 】和利用积分球法【1 2 】测量反射率。量热计法 主要用于测量材料对小功率激光的反射率。后两种方法的测量装置都比较复杂， 利用偏振原理的方法需要专门的偏振计量装置，积分球法需要积分球和能够快速 测量激光能量的装置，当激光功率较大且被测材料对激光的反射率较高时，由于 容易造成积分球内表面的损伤，因此积分球法有一定的局限性。 第二类是从量热的角度出发，通过测量材料的温度变化并进行相应的热力学 计算而得到吸收系数。顾名思义就是先测定热量( 温度) ，再进行吸收系数的计 算。有人曾设计过这样一个实验，在透明管内有水( 高导热系数、低比热流体最 好) 流过，一端为进口，另一端为出口，在管子表面涂以薄层待测材料，用激光 照射。由于涂层很薄，其蓄热可忽略不计，这样，涂层吸收的热量可认为全部用 来加热管中的流体。测出入口端与出口端流体的温度差，则可计算得到涂层材料 的吸收系数。对于未熔化表面的吸收系数测定，这是一个简单可行的方法。这方 面的主要工作有，利用集总参数法进行吸收率计算【l3 1 、利用有限差分法的一维 和二维的非稳态传热学模型计算吸收率【l 引。 第三类方法则是根据激光作用区，材料状态发生变化的情况来间接研究吸收 情况。这方面的工作主要是通过测量激光热作用区的几何尺寸来对吸收率进行间 接评定【lo 1 5 】，这类方法一般只能用于对吸收率进行定性的评价。 在上述几种方法中，由于集总参数法具有实用、可靠的优点，而且可以实现 吸收率的有效测量，因此在实验传热学中有着广泛的应用。集总参数法用于材料 对激光吸收率测量有一些研究工作发表【l 引，但这些研究工作尚缺乏系统性，在 试验模型设计上也有需要改进之处。因此本文采用集总参数法，依据超硬磨料本 身的材料特性设计专门的试验方案模型。系统的研究超硬磨料试样对y a g 激光 的吸收系数以及影响吸收系数的各种因素。 1 3 超硬磨料的特点及应用 磨料是在磨削、研磨和抛光中起磨削作用的颗粒状材料，主要分普通磨料和 超硬磨料两大类【l 引。超硬磨料通常是指硬度达到莫氏硬度最高值1 0 或接近l o 的 材料。工业上已广泛采用的金刚石( h m = 1 0 ，h v 在7 0 0 0 1 0 0 0 0 之间) 、立方氮 化硼( h m = 9 ，h v 在4 0 0 0 5 0 0 0 之间) 均为超硬材料，如图1 1 所示。超硬磨料的 热导率大，如图1 2 所示，有利于散热，所以砂轮的磨削温度较低，大大提高了 被加工工件的表面质量，避免零件出现裂纹、烧伤、组织变化等缺陷，改善了零 件加工表面的应力状况，有利于延长零件的使用寿命。超硬磨料尽管物质成分构 成较少，但用途非常广泛【l7 1 。本节着重阐述人造金刚石、立方氮化硼磨料的特 点及其应用。 3 f 雪 乓 星 嘶 碧 篙 z 冒 量 d i 舶n c m dc耳n置c】2口j 图1 1 磨料k n 0 0 p 硬度比较 薹： 喜， 懑i i ； 誊i 疆嚣 d l 飙蛹n ( ls 芷 拉n 图1 2 磨料热导率比较 随着科学技术的进步，世界各国把提高工具的耐用度、降低产品成本摆到了 首要位置。因此，在过去的几年中，超硬材料的研究和应用有了明显的进步。据 不完全统计，我国超硬材料的产量和质量，已进入世界先进行业。应用超硬材料 发展最快的行业是石材加工业及机械加工业，应用最多的是金刚石砂轮、金刚石 滚轮、c b n 砂轮等。随着时间的推移，人们会更深入地了解超硬材料，超硬材料 的性能也会得到进一步提高，它将更广泛地用于各种加工领域。 人造金刚石在w c ( 碳化钨) 材料的研磨与磨削中所发挥的作用，是众所周 知的。由于它的出现，w c 的加工变得非常之容易。在玻璃加工中，人造金刚石 砂轮在成型铣磨、表面抛光及切割方面的效率更是呈数十倍的提高，而立方氮化 硼的出现，使黑色金属、钛合金、高铬合金等难磨材料的加工，出现了飞跃性的 转变。由超硬磨料作的砂轮的修整，是现有的常规修整方法与理论所不能适应的， 因此，解决超硬磨料的修整技术，是充分利用超硬磨料优越性的关键【l8 1 。 图1 3 a 为立方氮化硼( c b n ) 的晶体结构。若以碳原子( c ) 置换图中的氮( n ) 和硼( b ) 原子，便形成金刚石的晶体结构( 见图1 3 b ) 。晶胞内有四个原子，它们各 自与一个顶角的原子和三个相邻面心的原子等距，并以共价键相互连结，形成具 有正四面体的结构i l 。 ( a ) 闪锌矿型c b n 晶体结构( 晶胞)( b ) 立方金刚石晶胞 图1 3c b n 与金刚石的晶胞结构 1 4 论文的主要研究内容及目标 材料吸收激光的研究工作对激光加工的发展有着非常重要的意义。而吸收率 4 硕上学位论文 测量方法的研究是材料对激光吸收研究工作的基础。本文首先从量热的角度出 发，利用传热学中的集总参数法建立测量吸收系数的方法，设计相应的试验装置 对人造金刚石和c b n ( 立方氮化硼) 这两种常用超硬磨料对激光的吸收系数进行 测量。在测定吸收系数的过程中，需要用热电偶传感器先测量试样的热电势，再 通过热电势与温度的转换表转换成对应的温度值，最后进行吸收系数的计算。由 于在测定热电势过程中受着许多因素的影响，最终得到温度的可行性和准确性有 待验证，因此在由试验获得试样在激光辐照下的热量之后，建立三维非稳态传热 学模型，并将已测定的吸收系数值代入计算模型在a n s y s 有限元分析软件进行 相应的数值模拟计算，最后将试验测得热量与数值模拟计算所得热量对比、拟合。 对金刚石、c b n 砂轮进行激光修整时，砂轮的结合剂与磨粒分别对激光的 吸收率是两个非常重要的参数。要实现修锐与整形的合二为一，必须根据材料本 身的热物理性能以及材料对相应激光的吸收系数先计算出材料去除时所需的激 光热功率，再进行修整试验。尤其是对此工艺过程进行数值模拟时，更需要砂轮 材料对激光的吸收系数值。由于金刚石、c b n 对激光吸收的特征长度极短，仅 有o 1 m 左右。因此吸收率对表面状态非常敏感【2 ，表面粗糙度和涂层等都会 使吸收率急剧变化。同时，激光束入射角对吸收率亦有明显的影响【2 。 吸收系数的大小受很多因素的影向。很明显，不同材料的吸收系数是不同的； 即使是相同的材料，吸收系数值也不尽相同。对同一种材料，所照射的激光的种 类、激光的波长、工件的温度、工件的表面粗糙度、有无涂黑、有无其它涂覆层、 激光的入射角【2 2 】等等，都会不同程度地影响吸收率的大小。 本论文的研究目的在于：通过查阅资料和分析试样性能，设计出一种可靠、 经济和方便地测定超硬磨料对激光吸收系数的方法；并用此方法进行试验，测定 超硬磨料对y a g 激光的吸收系数；根据试验结果分析影响试样对激光吸收系数 的因素以及影响程度，找出其中的规律；为激光修整超硬磨料砂轮时参数的选择 以及工艺的制定提供一定的理论依据。因此本论文的主要工作就是通过集总参数 法测定各种不同情况下，超硬磨料对y a g 激光的吸收率，进一步为激光修整砂 轮提供可供参考的工艺参数，同时也为测大气定环境下超硬磨料对激光的吸收系 数提供一个可行的试验参考方案。 由于时间和条件的限制，重点进行以下几方面的工作： ( 1 ) 鉴于激光辐照过程中，试样温度的变化很快，故采用一套快速数据采集 系统，并进行系统的调试，消除影响误差及熟悉数据采集和数据处理程序软件。 ( 2 ) 设置试验装置，采用c 0 2 激光对镍铬丝和镍硅丝焊接制成热电偶传感器。 根据试样的热物理性能、激光辐照的特性以及在测量各组信号时为保持试验条件 的一致性，选择合适的绝热材料制作成适宜形状的绝热盒。 ( 3 ) 保持其他条件不变，只改变激光功率，测定出m b d 系列金刚石和c b n 5 超硬磨料对y a g 激光吸收系数的测定及数值模拟计算 系列立方氮化硼超硬磨料在不同规格和粒度时对y a g 激光的吸收系数，并找出 其中的规律和分析他们对y a g 激光的吸收情况。 ( 4 ) 测定出试样在不同的激光光斑直径大小、不同的热电偶传感器放置位置、 不同的绝热盒材料的性能以及不同的激光连续辐照频率等条件时对激光的吸收 系数。并分析这些因素对吸收系数的影响情况和原因。 ( 5 ) 建立激光烧蚀金刚石的三维物理数学模型，并对数学模型进行离散化处 理，将由试验测定数据计算得到的吸收系数代入模型，用a p d l 语言编制程序 在a n s y s 软件中进行数值模拟计算，得出试样在相应参数的激光作用时的温度 场变化情况和温度曲线。 ( 6 ) 结果分析讨论，将数值模拟计算得到的温度曲线与试验实测的温度情况 进行比较分析，通过数值模拟计算来验证试验测定结果的准确性，进一步验证整 个试验方案的可行性。 1 5 本章小结 ( 1 ) 本章介绍了选题的背景和意义，分析了材料对激光的吸收系数的国内 外研究现状，以及现有的测定材料对激光的吸收系数的方法。 ( 2 ) 介绍了超硬磨料的特点及应用领域。金刚石和立方氮化硼超硬磨料都 具有很高的硬度和良好的导热性，主要应用于磨削和切割等加工中。 ( 3 ) 提出了本文的研究内容和目标。基于集总参数法，从量热的角度出发， 利用热电偶传感器测定超硬磨料对y a g 激光的吸收系数。将试验测定的吸收系 数代入数学模型进行数值模拟计算。对试验方案的可行性和试验结果的准确性进 行验证。 6 硕士学位论文 第2 章试验理论研究 测量材料对激光吸收系数的方法很多，通过比较最终选用集总参数法。这种 方法实用可靠，并能准确的测得材料固态时的吸收系数。为此，本章将详细地对 集总参数法的理论依据及特点、传热控制方程的推导与求解以及模拟计算中的热 传导问题进行分析、介绍。 2 1 试验的理论基础 2 1 1 激光与材料作用的一般原理 激光与物质相互作用泛指激光束辐照各种介质、材料和物体所发生的物理、 化学、生物等现象的研究领域，这里包括激光辐照产生的效应( 如光学、电磁学、 热学、力学和生物学效应等) ，以及发生了物理、化学变化的物质或周围气体对 入射、投射激光束传输和吸收特性产生的反作用。 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 射于均匀、各向同性物质时，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或作用 于其他物质上。对于金属和电介质，我们可以用电动力学的理论计算它们对激光 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、压力及环境状况有关，主要依靠实验测量【2 3 1 。 激光在材料表面的反射和吸收同激光波长、光强、材料性质及表面状况有关。 入射激光能量通过逆韧致过程在材料表面趋肤深度内部分被吸收，并在亚纳秒时 间内转化为热能。激光加热使材料升温，发生热扩散、热膨胀和热应力，可能使 脆性材料破碎。 激光照射到材料表面时，激光束将被分为两部分光：一部分将被反射，另一 部分将被材料表面吸收或进入材料内部。在激光烧蚀超硬磨料的过程中，对烧蚀 结果产生影响的是材料对光能量吸收的多少。为了描述材料对激光能量的吸收能 力，材料对激光的吸收系数可被定义为2 4 】： 彳：孕 ( 2 1 ) 色埘 式中，e 鲥是入射激光束的能量，毛。，是材料吸收的激光能量。如果将能量转 换为功率的话，上式可进一步表示为： 彳= 埘 ( 2 2 ) 即为：材料吸收的热功率与激光器输出功率乞甜之比。 7 超硬磨料对y a g 激光吸收系数的测定及数值模拟计算 若从测量反射激光能量出发的话，可以先测定材料对激光的反射系数： fp 尺= 二，l 或r = 二l ( 2 3 ) 点乙埘 e 为激光的反射能量，为激光的反射功率 则吸收系数为： 么= 1 一尺( 2 4 ) 吸收的激光在材料内部穿透，按朗伯定律，随着穿透材料内的穿透路程的增 加，光强按指数规律衰减，深入表面以下x 处的光强为 ，( x ) = 厶p 咄 ( 2 5 ) 式中 厶表面 = 0 ) 处的透射光强 彳材料的吸收系数 如把光在材料内的穿透深度定义为光强降至厶p 时的深度，则穿透深度为 1 彳。 光在材料表面的反射、透射和吸收本质上是光波的电磁场与材料相互作用的 结果。光波入射材料时，材料中的带电粒子依着光波电向量的步调振动起来。由 于电子比较轻，通常被光波激发的是自由电子或束缚电子的振动。红外光的振动 频率比较低，它也有可能激起非金属中比较重的带电粒子( 离子) 的振动。由于 带电粒子的振动，原子将成为振荡电偶极子而辐射出次电磁波一次波。次波之间 以及次波与入射波之间是相干的，从而形成一系列的反射波和透射波。由于金属 中存在密度很大的自由电子。自由电子受到光波电磁场的强迫振动而产生次波。 这些次波造成了强烈的反射波和比较弱的透射波。而透射波又在很薄的金属表层 吸收。因而金属表面对激光常有较高的反射率。特别是振动频率较低的红外光， 其光子能量较低，主要对金属中的自由电子起作用，反射强烈。但在激光加工的 实际应用中，由于氧化和表面污染，实际表面对红外激光的吸收系数要大些【25 1 。 2 1 2 集总参数法 2 1 2 1 集总参数法简介 当热量传入有一定体积的固体时，固体内各个点的温度一般互不相同，固体 内的温度场通常应按照三维的传热模型进行计算。但当固体内部的导热热阻很小 且远小于固体表面与周围环境的换热热阻时，固体内部的温度趋于一致，以致可 以认为整个固体在同一瞬间均处于同一温度，从而忽略固体内部的温度梯度将三 维的传热问题简化为质点传热问题，这种分析法通常称为集总参数分析法 ( l u m p e dp a r a m e t e ra n a l y s i s ) 【2 6 ，27 1 。集总参数法的应用需要满足一定的前提条件， 一般将这个条件称为集总参数条件。当固体的导热系数相当大、几何尺寸很小且 8 硕士学位论文 固体的表而换热系数极低，则传热计算可以采用集总参数法进行处理。 当热量传入有一定体积的固体时，物体内部的导热热阻将远小于其边界上的 对流热阻，以致可以忽略不计内部热阻所引起的各点之间的温度差异，认为在同 一时刻物体内各点的温度相同，且温度仅是时间，的一元函数，而与坐标位置无 关，即，丁= 俐。 三维传热问题的集总参数法分析是将固体内部的温度集总于一点上，这就好 像是把物体原来连续分布的质量和热容量汇总到一点上，因而只有一个温度值那 样。这种方法具有重要的实用意义。尽管在实际工程中并不存在无内热阻的物体， 但是，近似可以略去物体内部热阻的非稳态导热过程却是大量存在的。例如，测 量变化着的温度的热电偶接点导热过程，轴承钢珠的淬火过程，以及金属薄板的 加热或冷却过程等。实际上，当物体的加热或冷却比较缓慢( 对流传热系数小) 时，如果物体的导热系数相当大，或者物体的几何尺寸比较小，其导热问题都可 以简化为内部热阻可被忽略的非稳态导热，采用集总参数法求解。 2 1 2 2 集总参数法的适用条件 目前关于集总参数法的适用条件有以下几种判据： ( 1 ) 当物体的导热系数相当大，或者几何尺寸很小时，则其导热问题都可 采用集总参数法进行分析【28 1 。 ( 2 ) 非稳态导热过程中，当导热体的导热热阻三力( 导热体的内部热阻) 远小于导热体与流体间的对流热阻1 办( 即外部热阻) 时，在同一瞬间导热体内各 点的温度相差不大。因此，可把全部物质看作一个处于平均温度下的集总体，亦 即集总参数系统来分析。即： 风：竿 o 2 8 时，流体的上升和下降运动不互相干扰，可当作大空间自然对流换 热处理；当万h o 2 8 时，流体上升和下降运动互相干扰，必须按有限空间自然 对流换热计算。因此本试验的对流换热按大空间对流换热进行处理。 2 3 1 对流换热的换热系数的求解 2 3 1 1 用求解公式进行求解 大空间自然对流换热的实验准则关系式具有下列通用形式【4 2 1 。 眠= c ( 函p r ) 二 ( 2 3 2 ) 1 6 硕士学位论文 式中： 帆= 竽为努塞尔特( n u s s e l t ) 准则； g 厂：型掣为格拉晓夫( g r a s h o f ) 准则； v 。 p r ：兰为普郎特( p r a n d t l )