連續/脈沖復合激光光束輻照鋁靶材的熱特性研究

李超，高勛，安良友志，王畢藝

（1.長春理工大學 理學院，長春 130022；2.光電信息控制和安全技術重點實驗室，天津 300308）

隨著激光技術的發展，近十年來激光焊接、激光打孔、激光切割以及激光表面改性等激光材料加工技術快速發展。由于激光加工具有材料變形小、加工區域可選擇等優點，在國防、工業、航空等領域得到快速廣泛應用。在激光加工中，涉及到材料吸收激光能量溫度升高、熔化、氣化、濺射以及擊穿電離產生等離子體等復雜的物理過程。激光加工研究結果表明，材料對入射激光的吸收率是影響激光加工質量的一個重要物理參數。材料吸收率高，達到相同激光加工效果所需要的激光功率低，并且熱影響區域小。因此提高材料對激光的吸收率，提升激光能量利用效率成為激光加工行業快速發展需要解決的問題之一。

材料吸收率是與材料溫度相關的函數［1］，材料溫度高，則吸收率越大。采用雙激光光束輻照材料，一束激光作用材料引起溫度升高，溫度升高的材料對另一束激光的吸收率增大，從而提高了激光能量利用效率。這種采用組合雙激光光束輻照材料方法，在提高激光利用效率的同時，同時提高了激光加工效率［2］。在組合脈沖激光光束與物質相互作用過程中，需要考慮優化組合脈沖激光之間的時間延時等參數對激光加工效能影響。肖婧等［3，4］基于ANSYS仿真了長脈沖激光和連續激光共同輻照鋁合金的溫度場和應力場。曾交龍等［5］開展了1064nm的連續激光和脈沖激光對GaAs材料的聯合破壞效應，聯合破壞時脈沖激光損傷閾值變小。王昂等［6］開展了連續激光和脈沖激光對CMOS探測器的毀傷研究，結果表明連續激光毀傷主要是熱效應作用，而脈沖激光主要是激光熱效應和等離子體沖擊效應混合作用。潘峰等［7］開展了鋁合金/不銹鋼雙光束激光焊接實驗，發現雙光束焊接能夠提高焊接接頭組織及力學性能。李莉等［8］計算了雙波段組合激光輻照下的PC型HgCdTe光電探測器的溫度響應過程，得到了不同功率密度激光組合對探測器溫升的影響。王績勛［9］開展了延遲雙脈沖激光對鋁靶材作用，發現鋁靶材的燒蝕深度隨脈沖延時出現先增大后減小。Song Chao等［10］開展了共軸雙脈沖誘導等離子體膨脹動力學研究，結果表明脈沖延時對等離子體沖擊波前向膨脹速度具有顯著影響，并有效延長了等離子體沖擊作用時間。本文基于多物理場耦合Comsol multiphysics5.0軟件對連續/脈沖復合激光光束輻照鋁靶材的熱特性進行了仿真計算，分析連續/脈沖復合激光之間的時間延時對鋁靶材溫度演化影響，對達到相同溫度和熔化深度的連續激光作用進行對比分析。研究結果對連續/脈沖復合激光用于提高激光加工效率具有重要意義。

1 連續/脈沖復合激光光束作用鋁靶材理論以及仿真方法

1.1 連續/脈沖復合激光光束作用鋁靶材的熱傳導模型

連續激光輻照鋁靶材一段時間Δt后，脈沖激光再次輻照作用鋁靶材。具有一定時間延時的連續/脈沖復合激光光束輻照鋁靶材表面，在激光作用過程，鋁靶材吸收的激光能量通過熱傳導方式向靶材內傳播。當鋁靶表面溫度升高速度始終大于向靶材內部的熱傳導速度時，則鋁靶材表面溫度持續升高。因此連續/脈沖復合激光光束輻照鋁靶材的熱作用物理過程可用經典傅里葉熱傳導方程描述［11］。

其中，ρ為鋁靶材密度，Cp為比熱容，T為溫度，k為熱導率，QLaser為熱源項。激光在鋁靶材內光學傳輸長度傳輸，持續對靶材加熱，在理論仿真過程中當做體熱源處理，因此熱源項QLaser表示為：

式中，A(T)為鋁靶材隨溫度變化的吸收率，α為鋁靶材的吸收系數。吸收率A(T)隨溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 鋁靶材吸收率隨溫度變化曲線

在連續/脈沖復合激光光束作用鋁靶過程中，對于連續激光和脈寬為τ的脈沖激光光束在靶材表面處的空間域分布均為高斯分布，靶材表面處的連續/脈沖復合激光強度空間分布為：

式中，ICW和IPulse分別為連續激光和脈沖光束的功率密度，g1(t)和g2(t)分別為連續激光和脈沖激光作用時間函數。計算中采用分段函數實現激光脈沖作用過程，具有時間延時Δt的連續/脈沖復合激光而言，激光作用函數g1(t)和g2(t)具有：

Al靶材在激光加熱情況下發生相變，由固相變為液相，以及由液相變為氣相，靶材在激光作用過程中產生氣化，出現質量遷移，表面出現燒蝕熔坑。在相變處的等效比熱容表示為：

其中，Tm和TV分別為熔化溫度和氣化溫度，ΔT為相變區溫度區間。實際上相變過程沒有溫度寬度區間，但相變溫度會隨著壓強和晶格結構發生改變，為了在仿真過程中迅速得到較好的收斂效果，設置存在一定的相變溫度區間。

仿真計算過程中，連續/脈沖復合激光光束激光參數如表1所示，型號為7A14的鋁靶材物理參數如表2所示。具有時間延時Δt的連續/脈沖復合激光的時序關系如圖2所示，時間延時表示為相對于連續激光輻照到鋁靶材表面的脈沖激光開始輻照時間。

表1 連續/脈沖復合激光光束激光參數

圖2 連續/脈沖復合激光的時序關系

連續/脈沖復合激光光束作用鋁靶材為幾何尺寸Φ100mm×10mm的圓柱形靶材，由于鋁靶材半徑遠大于入射激光光斑半徑，因此，仿真計算采用半無限大模型處理。

1.2 仿真方法

基于多物理場Comsol multiphysics5.0軟件對連續/脈沖復合激光光束輻照鋁靶材的熱作用特性進行仿真計算?？紤]入射激光光束直徑遠小于鋁靶材幾何尺寸，采用二維軸對稱方法開展仿真計算。為了提高仿真計算精度，對計算區域分別進行整體剖分、相變區域剖分和邊界層剖分，網格剖分如圖3所示。

表2 Al的物理參數

圖3 仿真網格剖分

網格剖分過程中，在整個計算空間區域內，采用離散網格剖分；在相變區域進行細致剖分，形成漸變的網格密度；在鋁靶材內部激光傳輸路徑上，激光作為熱傳導的體熱源來處理，在臨近激光作用表面處添加一個足夠厚的邊界層，以達到能夠解析鋁靶材吸收激光的網格密度。

2 仿真結果與分析

輸出功率為8500W的連續激光，與脈沖寬度為200ms、脈沖能量為20J組成的連續/脈沖復合激光，輻照鋁靶材表面持續時間1s，改變脈沖激光相對連續激光的時間延時Δt，得到激光作用區域中心點溫度的時間演化曲線如圖4所示。

圖4 連續/脈沖復合激光輻照鋁靶材中心點溫度的時間演化圖

從圖4可知，脈沖激光相對連續激光的時間延時Δt對連續/脈沖復合激光光束作用區域中心點溫度的時間演化有明顯影響。在連續/脈沖復合激光輻照鋁靶材過程中，脈沖激光作用使鋁靶材表面溫度快速超過熔點933K，并且在短時間內溫度高于氣化溫度2793K。當脈沖激光作用結束后，鋁靶材表面溫度快速下降，并且存在一熱弛豫過程。當延時時間增加，脈沖激光輻照鋁靶材表面的最高溫度增加，當延時大于0.5s后增加緩慢，但脈沖激光輻照結束后對應的熱弛豫時間增大。在時間延時Δt為0.1s、0.2s和0.3s時，脈沖激光結束后，鋁靶材表面溫度快速降至低于熔點，在此基礎上，連續激光輻照繼續對鋁靶材加熱，在時間為0.7s時靶材表面溫度超過熔點，之后溫度快速上升。在延時時間Δt大于0.4s條件下，脈沖激光結束后，靶材表面溫度經一熱弛豫時間后下降到1250K左右，連續激光繼續作用使靶材表面溫度升高，但溫度升高速度變緩。當連續激光輻照結束后，由于熱傳導作用以及與周圍空氣的冷卻作用，鋁靶材表面溫度快速下降，并在熔點933K存在液—固冷卻凝固相變過程，之后降至室溫狀態。

圖5 鋁靶材激光輻照區域中心點表面溫度隨連續/脈沖間延時變化曲線

圖5為連續/脈沖復合激光輻照鋁靶材1s后，鋁靶材激光輻照區域中心點表面溫度隨延時時間Δt的變化曲線。隨著脈沖激光延時時間Δt增加，鋁靶材激光輻照區域中心點溫度出現先增加后下降變化。在延時時間Δt為0.4s時，中心點溫度出現最大值為1932K，之后隨延時時間增大，鋁靶材表面溫度呈下降變化。延時小于0.3s的連續/脈沖復合激光與連續激光作用相比，溫度升高幅度不明顯，表明脈沖激光作用靶材對連續激光的熱作用影響較弱。延時為0.4s時，脈沖激光作用對連續/脈沖復合激光作用后溫度影響較為顯著，表明脈沖激光作用后，連續激光沉積到靶材內部的激光能量增多，造成表面溫度升高。隨著延時增加，脈沖激光輻照鋁靶材結束后，輻照到鋁靶材表面的連續激光功率減少，從而出現沉積到靶材內部的連續激光能量減弱，導致鋁靶材表面溫度出現下降。

圖6 連續/脈沖復合激光作用鋁靶材吸收率時間演化曲線（延時為0.4s）

圖6為延時Δt為0.4s條件下連續/脈沖復合激光作用鋁靶材吸收率的演化曲線。由于鋁靶材對1064nm激光的吸收率是溫度的函數，脈沖激光輻照作用使鋁靶材溫度快速升高，連續激光輻照靶材繼續加熱，導致靶材對連續激光的吸收率由0.1增加到0.2，使沉積到靶材內部的連續激光能量增大。這是由于連續/脈沖復合激光中的脈沖激光將靶材加熱至熔化后，Al靶材液體對激光的吸收效率有一個大幅度升高。當脈沖激光作用后的一段時間內，連續激光持續加熱作用使Al靶材保持較長時間熔融狀態，從而使沉積到靶材內部的連續激光能量增多，造成延時為0.4s的連續/脈沖復合激光輻照鋁靶材表面溫度最大。

延時 Δt分別為 0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s和0.7s的連續/脈沖復合激光作用鋁靶材1s時間，對應的熔池深度和熔池半徑隨連續/脈沖激光光束間的延時變化曲線如圖7所示。

圖7 連續/脈沖復合激光作用鋁靶材的熔池深度和熔池半徑隨延時變化曲線

從圖7可知，連續/脈沖復合激光作用鋁靶材的熔池深度和熔池半徑均隨延時的增加出現先增大后減小變化，當延時為0.4s時，即為出現最大值，熔池深度和熔池半徑分別為828mm和1.66mm。在延時為0.1s、0.2s和0.3s條件下，連續/脈沖復合激光作用鋁靶材的熔池深度和熔池半徑與8500W連續激光作用變化不明顯。當延時大于0.4s，連續/脈沖復合激光作用鋁靶材的熔池深度和熔池半徑均隨延時增加逐漸減小，這是由于當脈沖激光結束后，沉積到靶材內部的連續激光能量較小，靶材吸收激光能量轉化熱能變小，導致熔池深度和熔池半徑逐漸減小變化。

圖8為激光輻照1s后，連續激光和連續/脈沖復合激光光束作用鋁靶材表面溫度演化曲線。在相同激光聚焦條件下，延時為0.4s的連續/脈沖（8500W+20J）復合激光與輸出功率為8622W的連續激光均使鋁靶材表面中心點溫度最高為1925K。相比較而言，激光輻照1s時間，連續/脈沖復合激光作用比單連續激光減少了102J的能量損耗。若達到延時0.4s連續/脈沖（8500W+20J）復合激光作用鋁靶材熔池深度828mm，需要連續激光的輸出功率為8623W，表明復合激光作用在1s時間內減少了103J的能量損耗。這是由于脈沖激光作用導致靶材對連續激光的吸收率增加，從而出現沉積到靶材內部的連續激光能量增加，實現了高輸出功率連續激光的作用效果。

圖8 最高溫度相同的連續激光和連續/脈沖復合激光作用溫升曲線

3 結語

本文基于Comsol multiphysics軟件對連續/脈沖復合激光光束輻照鋁靶材的熱作用特性進行了仿真計算，仿真計算結果表明，脈沖激光相對于連續激光的時間延時對連續/脈沖復合激光作用鋁靶材的溫度時間演化有重要影響。功率為8500W的連續激光和脈沖能量20J、脈寬200ms的脈沖激光組成連續/脈沖復合激光輻照鋁靶材表面1s后，鋁靶材表面溫度、熔化深度和熔池半徑均隨延時增加出現先增大后減小變化，在延時0.4s出現最大值，鋁靶材表面溫度最高達到1932K，熔化深度和熔池半徑最大分別為828mm和1.66mm。在相同激光聚焦條件下，與延時為0.4s的連續/脈沖復合激光作用鋁靶材具有相同表面溫度和熔化深度相比，需要的連續激光輸出功率分別為8622W和8623W，表明達到相同的激光加工效果，連續/脈沖復合激光作用需要的激光功率要低。產生這種現象的物理原因，由于脈沖激光作用使鋁靶材溫度快速升高，使靶材對激光吸收率增加，導致沉積到靶材內的連續激光功率增加，從而使連續激光對靶材的熱作用效應增強。本文研究結果對連續/脈沖復合激光用于提高激光加工效率具有重要意義。

參考文獻

［1］ Xie Jie，Kar Aravinda，Rothenflue James A，et al.Comparative studies of metal cutting with high-power lasers［C］.XI International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers and High-Power Laser Conference，1997（3092）：764-768.

［2］ 李俐群，陳彥賓，陶汪.鋁合金雙光束焊接特性研究［J］.中國激光，2008，35（11）：1783-1788.

［3］ 肖婧，何衡湘，夏惠軍，等.長脈沖與連續激光聯合輻照鋁合金的溫度場仿真［J］.中國激光，2012，39（11）：38-43.

［4］ 肖婧，何衡湘，夏惠軍.長脈沖與連續激光聯合作用下鋁合金的應力場仿真［J］.中國激光，2013，40（8）：94-99.

［5］ 曾交龍，陸啟生，舒柏宏，等.1.06mm連續與脈沖激光對GaAs材料的聯合破壞效應［J］.強激光與粒子束，1998，10（2）：217-220.

［6］ 王昂，郭鋒，朱志武，等.連續激光與單脈沖納秒激光對CMOS 的損傷效應［J］.強激光與粒子束，2014，26（09）：43-47.

［7］ 潘峰，崔麗，錢偉，等.鋁合金/不銹鋼雙光束激光深熔焊接接頭組織及力學性能［J］.金屬學報，2016，52（11）：1388-1394.

［8］ 李莉，陸啟生.PC型HgCdTe光電探測器在雙波段組合激光輻照下的溫升計算［J］.強激光與粒子束，2008，20（6）：912-916.

［9］ 王績勛.共線雙脈沖激光誘導等離子體膨脹動力學研究［D］.長春：長春理工大學，2014.

［10］ Song Chao，Gao Xun，Wang Jixun.Study on the collinear delay double pulse laser induced air plasma expansion by optical interference［J］.Optik，2016，127（15）：6081-6086.

［11］ Chen Chen，Wang Bin，Li Beibei，et al.Energy transport of laser-driven moving optical discharge in air［J］.Journal of Physics D：Applied Physics，2013，46（19）：195-202.