（物理电子学专业论文）短脉冲激光水下打孔的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文对金属材料在短脉冲激光作用下，熔化、汽化、离化过程进行综合分析，从 等离子体维膨藏模墅出发，研究约柬介质( 水) 对激光等离子体产瘫、扩张与稳灭 过程的影穗。分褥了承余震瓣辣狰激巍脓宽、空阕形状的影嫡以及在约束模式下等离 子体鲍冲击波效应。逮过建立热分板摸型、确定边爨条l 孛，利用a n s y s 敬 牛瓣瓣态 热分板和相变分孝斥，重点模拟了不锈钢、黄铜、紫铜三 中材料在水介质中的湿度场。 模拟显示出：在约束介质水的作用下，l o n s 脉宽、单脉冲能量2 5 m j 与i m s 脉宽、单 脉冲能墩1 5 0 m j 的激光相比较，前者对三种材料的热作用效率赢。 采用二种型号y a g 激光器，对三种金属薄材进水下和空气中的打孑l 实验。实验 表明：籁脉冲激光( 赫宽t o n s 、荤脉冲能量1 5 2 5 m j 高予空气中，琵登凝工瓣微孔表甏震羹饶予空气中； i l 的效率 率密度、 黥宽、波长、楗糕参数褰穷矮约寒厚度鸯密切关系。 、k 利用一束测量光束( 采髑l d 光) 通过激波场时，由予激波的变化，露激波场中 介质的折射率将随之变化，探测光线则会出现微偏折这一基本思想，设计了“基于光 纤准直器的探测器”。它能够实时观察和动态记录激光簿离子体的参数变化，为进一 步探讨分析水下打孔过糨的机理，提供了一种新的有效的实验手段和正具。、丫7 ， 关键潺；短黥滓激必，枣秒薄片一，繇 必i 工 等裹予体 湿度场j 献、 l 麓屑莉 金入 对与f 率水撤在孔) 华中辩技大学硕士学位论文 ； 一= = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = 2 2 。2 2 2 2 2 a 憋s t r a c t i nt h i st h e s i sw e s y n t h e t i c a l l ya n a l y z e d t h em e l t i n g ，v a p o r i z i n g ，a n di o n i z a t i o np r o c e s s o fm e t a l l i cm a t e r i a l sp r o c e s s e db yt h es h o r tp u l s el a s e r w ei n v e s t i g a t e dh o w r e s t r i c t i o n m e d i u m ( w a t e r ) i n f l u e n c e t h e p r o c e s s o fl a s e r p l a s m ac r e a t i o n ，e x p a n s i o n a n d e x t i n g u i s h m e n t sw i t ho n e d i m e n s i o np l a s m ae x p a n s i o nm o d e l ，w ea n a l y z e dt h ei n f l u e n c e o fw a t e ro nl a s e rp u l s ew i d t h ，w a v ee n v e l o p e ，a n dt h es h o r tw a v ee f f e c to fp l a s m ai nt h e r e s t r i c t i o nm o d e w es t i m u l a t e dt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h et a r g e tm a t e r i a l s ( e s p e c i a l l y s t a i n l e s ss t e e l ，b r a s sa n dp u r ec o p p e r ) i nt h er e s t r i c t i o nm e d i u m ( w a t e r ) u s i n gt h es o f t w a r e n a m e da n s y s ，i nw h i c hw eu s e dt h et r a n s i e n ta n a l y s i sa n dp h a s et r a n s i t i o na n a l y s i s f u n c t i o n , t h r o u g hc r e a t i n g t h et h e r m a la n a l y s i sm o d e l ，a n dc o n f i n eq u a l i f i c a t i o n t h e s t i m u l a t i o ns h o w e dt h a tu n d e rt h ee f f e c to f w a t e r , c o m p a r ew i t ht h ep u l s el a s e rw i t hl m s w i d t h ，1 5 0 m js i n g l ep u l s ee n e r g y , t h ep u l s el a s e rw i t h1 0 n sw i d t h ，2 5 m js i n g l ep u l s e e n e r g yc a ni n d u c eg r e a t e rt h e r m a l e f f e c t se f f i c i e n c yo f t h e r et h r e et a r g e tm a t e r i a l s w ed r i l l e dt h r e et a r g e ts h e e t st h a tw e r em a d eo ft h r e ek i n d so f m a t e r i a l ，u s i n gt w o k i n d so fy a gl a s e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a t ：i nt h et a r g e td r i l l i n g ，s h o r tp u l s e l a s e r ( w i t hl o n sw i d t ha n d1 5 2 5 m js i n g l ep u l s ee n e r g y ) p e r f o r m e dm o r ee f f i c i e n tu n d e r t h ew a t e rt h a ni nt h ea i r , a n dt h eq u a l i t yo f t h es u r f a c eo f t h em i c r oh o l ei sm u c hb e t t e rt h a n i nt h ea i r ；t h ee f f i c i e n c yo f p r o c e s s i n gi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h el a s e rp o w e rd e n s i t ) ；p u l s e w i d t h ，w a v el e n g t h ，m a t e r i a lp a r a m e t e r sa n dt h i c k n e s so f t h er e s t r i c t i o nm e d i u m b a s e do nt h et h e o r yt h a tw h e nas u r v e yb e a mo fl i g h t g o e st h r o u g ht h ep l a s m a e x p l o d e df i e l d ，t h er e f r a c t i v ei n d e xi nt h ef i e l ds h o u l dc h a n g ef o l l o w i n gt h ec h a n g eo ft h e f i e l d ，w ed e s i g n e d ”d e t e c t i o nd e v i c eb a s e do nf i b e rc o l l i m a t ed e v i c e ”。t h ed e v i c ec a l lg e t t h er e a l t i m ep a r a m e t e r so f t h el a s e rp l a s m aa n dr e c o r dt h e m d y n a m i c a l l y , a n di tp r o v i d e sa n e wa n de f f i c i e n t e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ta n dat o o lf o rt h ea d v a n c ed i s c u s sa n d r e s e a r c ha b o u tt h em e c h a n i s mo f d r i l l i n gu n d e r w a t e r k e y w o r d s ：s h o r t p u l s el a s e r u n d e rw a t e rm e t a ls h e e tm i c r oh o l e p r o c e s s i n gp l a s m at e m p e r a t u r ef i e l d s i m u l a t i o n l l 华中斜技大学硕士学位论文i ，i -v ， ：= = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = _ = = = = i 绪论 1 1 问题的提出 自从1 9 6 0 年第台激光器出现以来，激光因为其有能灏高度集中，以光速传播 等独姆的垅最，弓 趣了秘学赛移工业爨麴商发关注。1 9 6 2 每l i n d o r 首次报邀了强激 光与物质相腻作用的实验工作，1 9 6 3 年r e a d y 首次报道了这方面的理论工作“1 。之后， 国内辨开曩丁大量懿理论帮实践工传，在受辍照表露产生等燕子体现象豹理论与计算 研究方面。1 ，以及强激光辎照下的靶材响应等方面都有长足的缴展。1 。1 9 6 1 年 j 。e 。m i c h a e s ( 美藿) 发褒辣冷激走终蠲在材料表瑟笈产生衰强度豹抟囊波或威力波“。 发端于二十世纪七十年代美国( b a t t e l e ，c o l u m b u sl a b o r a t o r i e s ) 的激光冲击处联 ( l s p ) 技术8 1 磅究囊憩窭瑗。已经表疆：鑫激光功率密痊帮泳净霹阉宽褒决宠懿净爨 波峰值幅度的持续时间主要地影响着对材料的破坏效果。* q r - 十世纪末，标量衍射 理论潮、熬传导理论o 及诗冀掇模菰辩激光赣照下餐：| 孝璃应魏各耱典疆结秘滋发场斡 理论和数值分析得到了大量应用”。 人髓在礴究激兔等凌覆稳互俸穗过程牵发现：在靶蘸热土约寒穷矮能提高激蠢熬 工效率，提离加工质景。国内外研究者一般采用各种探测方法。1 ，探测激光簿离子体 的产生和发震遘程，戬试图解释这一现象，井取褥了大量豹蜜验结采帮数攥。闻露， 很多学者从等离子体的纵横向膨胀等多方面影响的理论上试图找到效率提高的根本 原霞。其较为英垄斡瑾论是r f a b b r o j f o u r n i e r 在0 k e e f e y a n g 以及a n d e r h o l m 的研究基础上创立的模型理论“，即自由扩散和约束模式。所谓“自由模式”是指鼹 于囊空或空气环境中的固体鞭材直谈受到激光束的辍照，簸繇激发冲击波的结构；丽 在工业应用中极有价值的是“约束模式”。农这种结构中，靶体表面紧贴适当厚度的 称为“约束朦”的透明物质，等离予体的喷射将受耐约束层的限制。对于这一种约柬 模式，可将冲击波峰值提高i 琏一个量级，持续时间展宽2 3 倍3 。其约束介璇可以是 固态、液态戚者是胶态。 特别是避几年来，人们发现在适当条件下，短脉冲激光在水下加_ 王效率与质量比 在空气中要好。这对于激光加工方式是一个新的领域。 我们已经知道，当强激必辐照材料时，材料表瑟将吸收秘反射激光能量。复射积 华中科技大学硕士学位论文 吸收的情况主要取决于材料表面的光学性质。随着激光强度的增加，材料表面吸收大 量激光能量而温度升高，继而熔融汽化、喷发、电离形成高温等离子体“，其外表现 为强烈光辐射、高温、高热，并伴有强烈声响。它是强激光与材料作用时产生的特征 信号之一。即使在约束介质水中也有相似的现象( 主要是光致声波辐射“”) 。因此， 以对它进行探测研究，模拟分析约束介质状态下靶材的温度场，了解短脉冲激光与材 料相互作用的机理，继而，将这些应用研究与激光加工的实际相结合，在理论和实验 上确定：水中激光加工时，靶材( 材料、特性、厚度等) 、激光参数( 脉宽、强度， 调制频率等) 、水介质状态三者对加工效率与加工质量的影响关系，以及激光加工时 的能量转化效率与约束介质之间的关系。研究清楚这些问题，为我们找到激光加工的 最佳条件以及提高激光加工的效率、为发展不同介质中激光中加工( 特别是水下加工) 提供理论基础，有利于实际工程中工艺参数的控制。 1 2 主要研究内容、目的、意义与基本方法 ( 1 ) 研究的目的、意义 随着电子工业中多层印制电路板和陶瓷基片层数的增加，每块印版上需要钻出成 千上万个直径0 1 0 3 m m 的微孔，一般采用脉冲激光进行成型孑l 加工，但一次性成孔 质量( 特别是表面质量) 尚不令人满意，往往需要利用研磨等到方法进行二次再加工 才能在到要求“。而且，打孔效率也是必须关注的问题。为解决这一难点，必须对影 响激光打孔质量的诸多参数进行优化选择，以提高激光打孔的质量。 ( 2 ) 短脉冲激光水下打孔的研究现状及难点 本文实验中发现：当采用短脉冲激光对薄板材进行水下打孔时，其打孔效率有着 显著的提高，并且其加- r s l 的质量比在空气中优秀。这对于微孔激光加工将是一个 新的工艺( 方式) 。但其机理与工艺研究， 典型的理论是r f a b b r o & j f o u r n i e r 在0 迄今为止仍未有较全面的理论。早期较为 k e e f e y a n g 以及a n d e r h o l m 的研究基础上 创立的模型理论，即自由扩散与约束模式。在- 十世纪九十年代中期，陆健教授对约 束介质加工技术与理论有了更进一步的发展“”，阐述了约束介质下的力学效应理论， 并且用高速摄影的方法拍摄到了水中l s a w 和水中铝靶材表面的l s a w 实验照片，同时 给出了空气中的照片，但未进一步从理论上对实验数据进行分析说明，其研究范围亦 没有涉及到短脉冲激光水下加工方面。 一一 堡土塾垫奎篁堡圭童垒篁塞 激光加工实际上魑一个复杂的“光、电、热、声、力、场”的复化过程。对于短 脉冲激光水下打孔：“约束介质、激光参数、靶材参数”这三个方面对打孔效率的 影嫡程度；激光在拳余震中产生静激波场对热工懿彩穗梳隶l 。是本文磷究翡覆点褥 难点。脉冲激光水下打孔过程，包括熔化滤体鲍运动，余震的约寒侔照，露这些 作用机理相幽复杂，取决于激光功率密度分布、作用时间、处理条件、材料热物性参 数等等，这就需要在研究中有选择性的给定一些边界条件，对于这些边界条件的确定， 也必须考虑它的可行髋。 ( 3 ) 磷究内容与方法 1 ) 基本硬究成客 金属薄材在用短脉i 巾激光打孔时的熔化、汽化、离化过程； 脉冲激光与金属材料相互作用，材料温度场的模拟分析； 短脉冲激光在水下与空气中对金属薄材进行徽孔加工的实验研究； 激光等离子体探测方法的研究，设计适合于探漏水下激光等离子体的探溯器； 对予上述闽题，在矮瑟章苓中，褥较详缨遮介绍鼹采鼹熬手段葙分橱遗程。 2 ) 技术线路 1 黼a n 粉s y s h 激挈描l l 柝与l i述l 旧瑟嚣h 等囊甜参li 器理论设计广1 数探测 l 鬻l i l 磷究方法、流程示意图 例圈圈 三 ，i；i r，；l 嚣囤 罾 华中科技大学硕士学位论文 ； ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = ；2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 一 本文研究方法与技术线路见图卜1 1 。 全文共分六部分，第一章绪言，提出本课题研究的内容、方法与技术思路。第 二章激光与物质相互作用的物理基础，阐述脉冲激光打孔的基本过程、机理和基本 理论。第三章有限元热分析方法与金属材料温度场的模拟，介绍有限元分析的基本思 想与a n s y s 的应用方法，确立热分析模型、边界、参数选择，模拟求解金属材料温度 场，分析比较短脉冲激光在水下与空气中打孔时的温度梯度等。第四章短脉冲激光 对金属薄材的打孔实验详细介绍了实验方法与内容，给出实验结果，验证了适当条 件下，短脉冲激光在水下对金属薄材打孔效率以及质量高于空气中。第五章激光等 离子体的一种探测方法，介绍基于光纤准直器探测器的基本原理，设计过程，线路原 理及主要技术设计性能指标。第六章全文总结与展望。 华中科技大学硕士学位论文 w -l - 2 激光与物质相互作用的物理基础 2 1激光破坏机理概述 从二十世纪七十年代至今，在强激光与物质相互作用的基础理论研究等方面有不 少专著“。已经逐渐形成一个学科分支。强激光对靶材的破坏机理研究就是要研究激 光对金属( 如铝合金、钛合金、铜，钢等) 、非金属( 如玻璃钢及其它复合材料) 和 光电子器件( 以红外探测元件为主) 等材料及其结构的破坏效应。激光的破坏效应与 激光光源、外界环境以及靶材的热、力学参数密切相关“”。在激光的功率密度f 及其 作用时间t 组成的f f 平面上( 图2 一卜1 ) ，可以表示出激光辐照下靶材的不同破 坏效应“。如图2 - 1 - i 所示整个f f 平面可分为三个区域，强冲击区、烧蚀区和 非穿孔区。在强冲击区内，激光的功率密度f 大于1 0 8 一l o c m 2 ，脉宽小于l o “s ，激光 引起靶材的迅速熔化和汽化，从而在靶材表面产生激光维持的燃烧波，或者是激光维 1 0 一ol o 一 1 0 一1 0 一 1 0 2 图2 - i 1 强激光对靶林破坏效应示意图 华中科技大学硕士学位论文 i i -r 持的爆轰波。而靶材内部产生的冲击波，它是材料内产生损伤、层裂破坏或者冲塞剪 切破坏效应的原因。在烧蚀区内，当激光功率密度足够大( 一般大于1 0 5 w c m 2 ) 时， 激光束将使靶材熔化或者汽化，导致材料的熔融和穿孔；另一方面，靶材的冷却过程 又会在孔边引起高应力集中。至于非穿孑l 破坏，是指结构在机械载荷、热应力和材料 热软化等多种因素耦合作用下发生的一种失效形式。发生这种失效的特征主要包括： 激光功率密度和能量密度相对较低；结构承受较高的机械载荷：激光往往辐照在结构 的薄弱和危险处，以提高效率。 2 2 激光对靶材的破坏效应 2 2 1 脉冲激光与靶材的相互作用过程 固体材料对高强度脉冲激光能量的吸收主要有逆韧致吸收、光致电离、多光子吸 收、杂质吸收、空穴吸收等五种形式“。金属材料主要以逆韧致吸收方式吸收能量。 材料吸收能量后，经过一驰豫时间1 ，将能量传递到各个自由度，导致材料宏观温度 升高。当材料中能量沉积足够快，局部温度高于熔点时，产生等离子体。如果激光能 量使环境介质完全电离，等离子体阵面将以超音速传播，形成激光支持的爆轰波即 l s d w 波( l a s e rs u p p o r t e dd e t o n a t i o nw a v e s ) 如果激光能量不足以使周围介质完 全电离，等离子体阵面将以亚音速传播，形成激光支持的燃烧波，即l s c w 波( l a s e r s u p p o r t e dc o m b u s t i o nw a v e s ) 激光与物质相互作用过程的效应，用冲击耦合系数 ( i m p u l s ec o u p l i n gc o e f f i c i e n t ) c 来表征。“： c 。= ，b ( 2 - 2 一i ) p h i p p s 等综合大量实验结果和文献数据，总结出“： c 。= b o ( 肌f ) ( 2 - 2 2 ) 其中，g 、，、五、f 的单位分别为d y n e w 、w c m 2 、册、j 。”。= 0 3 0 0 3 ， b 。= 5 6 6 5 ，是与材料有关的无量纲系数，( 一般热导率高的材料取值高) 。 2 2 _ 2 激光对材料的破坏形式 ( 1 ) 激光引起的层裂破坏 华中科技大学硕士学位论文 强脉冲激光柬辐照到固体靶材上时，靶材内光斑附近的温升区就受到突加载荷的 稚塌。键由予耪袋的溪往，突蕊虢蘅对于物体各都分质点酌扰动不可能葡时发生，婺 整是部扰动嚣逐步传播劐拳撬基，鄄奁靶专辛审形浅应力没，该瘟力波农靶材中谨播对， 往往会如现炭会匏弥教秘糕激效应“”，对予一个薄片澎靶缝梅，当瘦力波从居巍由发 射时，会形成反向传播的拉伸波，同入射的压缩波相豆作用，造成材料局部的损伤， 甚至引起层裂效威。这一过程类似于轻气泡等机械载搿加载时形成的层裂破坏。但是， 激光束与一平板撞击载荷不同，还会磁造成靶材层裂的同时引起烧蚀破坏。短脉冲激 光由于能量的限制，比较适含于薄板材加工。 ( 2 ) 熟烧蚀 与疲力波翦冲击玻坏效应不瀚，躲；串激先隶弓l 起耗材静酸筇主要是熔融、汽仡等 热烧镪破坏效应。人嬲疑关，熬是熔融、汽纯速度与溺俸鞭誊| 剩余霉度及葵湿菠场分 布。 ( 3 ) 非烧蚀条件下的热应力破坏效应 在脉冲激光辐照时，靶材亦会因内部温升的非均匀性或变形约束，在材料内产生 一定的热应力。由热应力造成靶材破坏所需的激光能量密度阈值比纯粹由穿邋效应 ( 即因熔化和汽化造成材料的穿孔) 造成材料破坏的阚值要低得多。因此，针对具体 材料和结构研究约束模式下缓坏热力学过程，正确揭示破环模式，准确计算所需要的 笺爨窝破坏溺篷羚趣叛实验验涯，是激炎与物质褶互作用穰l 理磷究静重要谍题。 善毙，基于激光懿戆量竣入，结擒孛将产生 # 稳态、葵均匀魏涅凄场，并产生热 应力。岁 部赂多予入的s g 量势不仅仅用于产生漫辩，其中一部分量还变形裴消耗。 其次，结构内温度的升离将母致材料的本构及重要热物性参数发生改变，如杨氏模量 e 、吸收率，热传导等，这些星的改变也将童接影响材料的加工效率o ”。 2 3 激光打子l 的基本过程 2 3 1 穰述 激光打孔主要是利用激光对加工材料的热效应而实现的。其作用机理可用激光束 与麓工李手辩籀互季管用的三个阶段来描述细圈2 - 3 - 1 7 华中科技大学硕士学位论文 一= 2 = = = = = = = = = = = = = = = # = = = = = = = = = = = = = 首先是光的吸收阶段( 如图2 - 3 - i a ) 材料吸收激光，这一过程与激光强度相关， 其吸收体积为。，这可由激光的入射深度与激光束径来计算。在这吸收体积中，光 束与材料的耦合能量，可通过不同材料的热传导率来推算，该耦合的能量加热工件。 因为从吸收体积匕。中，单位时间内散失的热量小于输入的热量，这样根据不同的材 料，经过特定的热时间后，发生熔融或汽化。当激光束强度i 小于临界值i 。( 等离子 体击穿阀值) 时，工件材料进入第二个阶段。即熔化鼓部分汽化阶段( 图b ) 。为了掇 高孔的质量，力求材料尽可能的汽化。因为材料汽化部分扩张，可将孔道中熔化部分 迅速排磁。当迸一步提高光荣强 度，超遗i 。辩，j 孝瓣进一步汽往， 势在孔遂蠢蹇子化形成等褒子 体，进入第三阶段( 圈c ) 。此 时由于等离子体的形成，将会对 光束产生吸收，或者甚至形成 一个吸收光柬的屏蔽层，影响激 光打孔的进程。因此，激光打孔 静激光束功率要控制邋当，使等 离子钵处于鬏佳状态，秀刘大量 豹等离子体除了吸l | 殳光泰乡 ，还 会导致激光数射，把能攫辐射到 孔壁，也会引起液相流入孔道底 部或者覆盖堵孔。 激光打孔中，不同材料的汽 化过程与材料的汽化强度阀值 有关，该强发溺餐可按照船工材 料鹣源点导热方程来计葵”3 。 设t ( x , y ) 戈滗照射跨褥t 嫩收 l 芟& 日 h 蝶融 代化 ( i i ) o 蹿离 臻 c ：x 。) 热激 图2 - 3 一l 激光打孔中光束与工件相甄作用 霉 华中科技大学硕士学位论文 时距表面深度为x 的工件温度，则有 脚) = 警( k t ) 1 1 2 9 r f c 赤( 2 - 3 - i ) 其中k 为材料的导热系数，k 为热扩散系数，f 为光功率密度，e r f c 是互补误差函 数。当x = 0 ，贝0 删) = 警( ( 2 - 3 _ 2 ) 由上式便可计算不同材料的汽化强度阈值。 ， 2 3 2 材料参数、激光参数与加工子l 的一般关系 当入射到材料表面的激光功率密度能使激光作用点处的温度达到材料的沸点以 上时，材料的去除速率就变得很重要了，采用脉冲激光打孔，当上述条件满足时，则 在材料中形成一个蒸发波前，且蒸发波前的速度为“” v = e f ( & + l ) ( 2 - 3 3 ) 式中 为蒸发热单位为j c m ；s 为材料的发射率( 亦称材料对激光的吸收 率) ；p 为材料密度( g c m 3 ) ；c 为比热( j g “o c 。) ；t 为蒸发温度。这里有 几点假定：o f 在沿一个半无穷大板材的自由表面上是均匀的，且所有的蒸发去除材 料都来自固态；将激光脉冲宽度小于最短的时间常数r = 4 k t l a ，2 作为方程的边界条 件：达到蒸发平衡的时间小于材料所吸收的激光光强起伏时间。当f 随时间改变时 式( 2 - 3 3 ) 可写成 v ( t ) = c f ( t ) ( 3 ，1 + 肛t )( 2 3 4 ) 蒸发波前在时间t 内的穿透深度为 d ( f ) = f v ( t ) d t = 陋( + 肛l ) f f ( f ) 斫 ( 2 3 5 ) 这个深度实际上与穿孔深度是相等的，且t ，也是f ( t ) 的函数，并随f ( t ) 的增加而增 加。 当忽略对流和辐射损耗时，入射激光能量对材料的作用分为对材料的整体加热和 华中科技大学硕士学位论文 ； ；：= ：= = = = = = = = = = = = = = = = = 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 。一 使材料蒸发两种情况。当激光用于打孔且入射激光功率密度相当低时，则需要较长的 辐照时间，这时很显然入射能量的一部分要用来加热整体材料。当采用短脉冲激光打 孔时，则需要高的功率密度，这时大部分能量用于打孔过程。可以通过比较打孔时间 和f 来估计打孔时加热整体材料的能量损耗，或者通过比较热穿透特征距离( 打) “2 与 打孔深度来估计其损耗( 见郑启光、辜建辉编激光与物质相互作用p 4 6 4 8 ) 。 当入射激光功率密度足够使材料达到沸点温度时，如果脉冲宽度小于r ，则其传 导损耗可以忽略。若用于加热整体材料和用于蒸发材料的能量相等，则当一半热流产 生的打孔深度与另一半进入固体的热量的热穿透的特征距离相等时，有 ( 船) “2 = v t 。= 6 f 2 ) t ，( + 卢c 瓦) 即可得出激光功率密度 f = 兰( 七，) “2 ( + p 。l ) ( 2 3 6 ) 这时入射激光功率密度范围可按两种情况来估算。若取，。= 1 0 “j ，对金属取 g = 0 1 ，那么，金属的f 值约为1 0 7 1 0 9 w c m ，而对绝缘体取s = 1 0 ，则f 为 1 0 6 c m ；若取f 。= 1 0 。2 s ，则金属的f 约为1 0 4 1 0 5 矿c m 一。可见加长脉宽，打 孔所需的激光功率密度就降低了，用激光在绝缘体材料上打孔时可得到高的打孔效 率，如果采用连续激光打孔，则金属的热传导损耗总是很大，所以，打孔时常采用脉 冲激光以减少热传导损耗，同时激光功率密度至少应使材料表面温度达到蒸发温度 l ，否则就不能进行打孔。 ( 1 ) 材料热物性参数和脉冲宽度对表面温度的影响 在用高功率密度、窄脉冲激光打孔时，材料的热传导损耗可以忽略，此时，材料 表面温度可简化表示成： r ：2 p 五6 ( 下k t ) 1 2 ( 2 - 3 - 7 ) k 了面 或者，从激光作用开始到产生蒸发的时间 1 0 华中科技大学硕士学位论文 仁茄( 瓦一t o ) 2 ( 2 - 3 - 8 ) 式中r 。为材料的反射率：r o 为材料的初始温度；，= & i ( t 。积。2 ) ，e 。为脉冲能量。 从上式中我们可以看出，对于短脉冲激光，其，。是很小的。并且它与材料物理参 数有着密切关系。值得注意的是，该式仅适用于材料形成激光熔池以前的过程，而且 只是一个估算式，如果要求解准确值，采用温度场有限元分析较为准确。 ( 2 ) 脉冲波形对材料表面温度的影响 事实上，激光脉冲波形对 j 7 - 效率与质量有着重要影响，如果设激光脉冲空间形 状为 f f t 0 f p r e d o c e s s o r e 1 e m e n t t y p e a d d e d i t d e l e t e o p t i o n s s p e c i f i e h e a tm a t r i x d i a g o n a l i z e d 在设定瞬态积分参数时，将t h e t a 值设置为i ( 默认为0 5 ) ： c o m m a n d ：t i n t p g u i ：m a i nm e n u s o l u t i o n 一l o a da n ds t e po p t s 一 t i m e f r e q u e n c e t i m e i n t e r g r a t i o n t h e t a 线性搜索将有助于加速相变问题的求解。 c o m m a n d ：l n s r c h g u i ：m a i n l e n u s o l u t i o n 一l o a da n ds t e po p t s 一 n o n li n e a r l i n es e a r c h 3 4 激光打孔时材料温度场的模拟 本文主要是研究水下激光打孔过程，将其与之在空气中打孔相比较。选用y a g 脉 冲激光器，波长为1 0 6um 和5 3 2 n m ( 加倍频) 单脉冲能量为2 5 m j ，脉宽为1 0 n s ，聚 焦透镜焦距为8 0 m m 。研究中，为了得到光强空间分布对激光打孔效应的影响，我们在 计算中，人为引入理想的空间分布：高斯分布。 3 4 1 加工光源参数分析与计算 ( 1 ) 光斑直径( 2 a ，) 进行激光热加工时，激光束一般需要经过光学系统聚焦。从理论上可证明激光束 经过聚焦后焦平面上的光强度分布为 坳m 崩 等 锷皆 p ( 3 - 4 - i ) 式中妒= r f ；r 为聚焦光斑半径；厂为透镜焦距；七= 2 万，五，五为激光波长；口为 聚焦透镜口径的半径；p 为激光功率；j 。为第一类2 阶贝塞尔函数。 激光束在焦平面上的光强呈园环形，光斑中心的光强最大，其值为 ，一= 2 6 p ( 肛l a ) 2 激光束辐射和被加工表面的相互作用与其焦点的位置及其附近的光斑的光强度 华中科技大学硕士学位论文 ： ； ： ：! = = = = = = = = = = = = 2 2 2 2 2 。2 2 2 2 2 2 2 2 2 5 一 分布有密切关系。对于高斯光束有： 以吖+ ( d i - 门百万锄 q 。2 去= 嘉( 吲2 + 文孕 2 7(3-4-3) 式中。及j 。分别为光束聚焦前束腰的半径及其距透镜的距离；。与d ：分别为 光束聚焦后束腰的半径及其距透镜的距离。 从上式可看出，激光焦点处的光斑半径随彬。及d 的增加而减少，随，和a 的减小 图3 - 4 1y a g 激光器光路及聚焦光斑计算 而缩小。并且，当我们已经确定激光器及光路参数后，就可以计算聚焦后，激光光束 打在材料表面的光斑直径。下面我们来计算光斑直径。 由于本文所采用的激光器是y a g 激光器，y a g 棒直径为5 m m ，由此我们近似认为嵋。 等于5 m m ，对于激光热加工满2 ：d ， 厂这一条件，由式( 3 4 2 ) 和式( 3 4 3 ) 可近 似求得光束经透镜后的束腰为： 。“矽棚j ， 其中 。 1 + ( 剖2 r 当聚焦透