连续/脉冲复合激光光束辐照铝靶材的热特性研究

李超，高勋，安良友志，王毕艺

（1.长春理工大学 理学院，长春 130022；2.光电信息控制和安全技术重点实验室，天津 300308）

随着激光技术的发展，近十年来激光焊接、激光打孔、激光切割以及激光表面改性等激光材料加工技术快速发展。由于激光加工具有材料变形小、加工区域可选择等优点，在国防、工业、航空等领域得到快速广泛应用。在激光加工中，涉及到材料吸收激光能量温度升高、熔化、气化、溅射以及击穿电离产生等离子体等复杂的物理过程。激光加工研究结果表明，材料对入射激光的吸收率是影响激光加工质量的一个重要物理参数。材料吸收率高，达到相同激光加工效果所需要的激光功率低，并且热影响区域小。因此提高材料对激光的吸收率，提升激光能量利用效率成为激光加工行业快速发展需要解决的问题之一。

材料吸收率是与材料温度相关的函数［1］，材料温度高，则吸收率越大。采用双激光光束辐照材料，一束激光作用材料引起温度升高，温度升高的材料对另一束激光的吸收率增大，从而提高了激光能量利用效率。这种采用组合双激光光束辐照材料方法，在提高激光利用效率的同时，同时提高了激光加工效率［2］。在组合脉冲激光光束与物质相互作用过程中，需要考虑优化组合脉冲激光之间的时间延时等参数对激光加工效能影响。肖婧等［3，4］基于ANSYS仿真了长脉冲激光和连续激光共同辐照铝合金的温度场和应力场。曾交龙等［5］开展了1064nm的连续激光和脉冲激光对GaAs材料的联合破坏效应，联合破坏时脉冲激光损伤阈值变小。王昂等［6］开展了连续激光和脉冲激光对CMOS探测器的毁伤研究，结果表明连续激光毁伤主要是热效应作用，而脉冲激光主要是激光热效应和等离子体冲击效应混合作用。潘峰等［7］开展了铝合金/不锈钢双光束激光焊接实验，发现双光束焊接能够提高焊接接头组织及力学性能。李莉等［8］计算了双波段组合激光辐照下的PC型HgCdTe光电探测器的温度响应过程，得到了不同功率密度激光组合对探测器温升的影响。王绩勋［9］开展了延迟双脉冲激光对铝靶材作用，发现铝靶材的烧蚀深度随脉冲延时出现先增大后减小。Song Chao等［10］开展了共轴双脉冲诱导等离子体膨胀动力学研究，结果表明脉冲延时对等离子体冲击波前向膨胀速度具有显著影响，并有效延长了等离子体冲击作用时间。本文基于多物理场耦合Comsol multiphysics5.0软件对连续/脉冲复合激光光束辐照铝靶材的热特性进行了仿真计算，分析连续/脉冲复合激光之间的时间延时对铝靶材温度演化影响，对达到相同温度和熔化深度的连续激光作用进行对比分析。研究结果对连续/脉冲复合激光用于提高激光加工效率具有重要意义。

1 连续/脉冲复合激光光束作用铝靶材理论以及仿真方法

1.1 连续/脉冲复合激光光束作用铝靶材的热传导模型

连续激光辐照铝靶材一段时间Δt后，脉冲激光再次辐照作用铝靶材。具有一定时间延时的连续/脉冲复合激光光束辐照铝靶材表面，在激光作用过程，铝靶材吸收的激光能量通过热传导方式向靶材内传播。当铝靶表面温度升高速度始终大于向靶材内部的热传导速度时，则铝靶材表面温度持续升高。因此连续/脉冲复合激光光束辐照铝靶材的热作用物理过程可用经典傅里叶热传导方程描述［11］。

其中，ρ为铝靶材密度，Cp为比热容，T为温度，k为热导率，QLaser为热源项。激光在铝靶材内光学传输长度传输，持续对靶材加热，在理论仿真过程中当做体热源处理，因此热源项QLaser表示为：

式中，A(T)为铝靶材随温度变化的吸收率，α为铝靶材的吸收系数。吸收率A(T)随温度变化曲线如图1所示。

图1 铝靶材吸收率随温度变化曲线

在连续/脉冲复合激光光束作用铝靶过程中，对于连续激光和脉宽为τ的脉冲激光光束在靶材表面处的空间域分布均为高斯分布，靶材表面处的连续/脉冲复合激光强度空间分布为：

式中，ICW和IPulse分别为连续激光和脉冲光束的功率密度，g1(t)和g2(t)分别为连续激光和脉冲激光作用时间函数。计算中采用分段函数实现激光脉冲作用过程，具有时间延时Δt的连续/脉冲复合激光而言，激光作用函数g1(t)和g2(t)具有：

Al靶材在激光加热情况下发生相变，由固相变为液相，以及由液相变为气相，靶材在激光作用过程中产生气化，出现质量迁移，表面出现烧蚀熔坑。在相变处的等效比热容表示为：

其中，Tm和TV分别为熔化温度和气化温度，ΔT为相变区温度区间。实际上相变过程没有温度宽度区间，但相变温度会随着压强和晶格结构发生改变，为了在仿真过程中迅速得到较好的收敛效果，设置存在一定的相变温度区间。

仿真计算过程中，连续/脉冲复合激光光束激光参数如表1所示，型号为7A14的铝靶材物理参数如表2所示。具有时间延时Δt的连续/脉冲复合激光的时序关系如图2所示，时间延时表示为相对于连续激光辐照到铝靶材表面的脉冲激光开始辐照时间。

表1 连续/脉冲复合激光光束激光参数

图2 连续/脉冲复合激光的时序关系

连续/脉冲复合激光光束作用铝靶材为几何尺寸Φ100mm×10mm的圆柱形靶材，由于铝靶材半径远大于入射激光光斑半径，因此，仿真计算采用半无限大模型处理。

1.2 仿真方法

基于多物理场Comsol multiphysics5.0软件对连续/脉冲复合激光光束辐照铝靶材的热作用特性进行仿真计算。考虑入射激光光束直径远小于铝靶材几何尺寸，采用二维轴对称方法开展仿真计算。为了提高仿真计算精度，对计算区域分别进行整体剖分、相变区域剖分和边界层剖分，网格剖分如图3所示。

表2 Al的物理参数

图3 仿真网格剖分

网格剖分过程中，在整个计算空间区域内，采用离散网格剖分；在相变区域进行细致剖分，形成渐变的网格密度；在铝靶材内部激光传输路径上，激光作为热传导的体热源来处理，在临近激光作用表面处添加一个足够厚的边界层，以达到能够解析铝靶材吸收激光的网格密度。

2 仿真结果与分析

输出功率为8500W的连续激光，与脉冲宽度为200ms、脉冲能量为20J组成的连续/脉冲复合激光，辐照铝靶材表面持续时间1s，改变脉冲激光相对连续激光的时间延时Δt，得到激光作用区域中心点温度的时间演化曲线如图4所示。

图4 连续/脉冲复合激光辐照铝靶材中心点温度的时间演化图

从图4可知，脉冲激光相对连续激光的时间延时Δt对连续/脉冲复合激光光束作用区域中心点温度的时间演化有明显影响。在连续/脉冲复合激光辐照铝靶材过程中，脉冲激光作用使铝靶材表面温度快速超过熔点933K，并且在短时间内温度高于气化温度2793K。当脉冲激光作用结束后，铝靶材表面温度快速下降，并且存在一热弛豫过程。当延时时间增加，脉冲激光辐照铝靶材表面的最高温度增加，当延时大于0.5s后增加缓慢，但脉冲激光辐照结束后对应的热弛豫时间增大。在时间延时Δt为0.1s、0.2s和0.3s时，脉冲激光结束后，铝靶材表面温度快速降至低于熔点，在此基础上，连续激光辐照继续对铝靶材加热，在时间为0.7s时靶材表面温度超过熔点，之后温度快速上升。在延时时间Δt大于0.4s条件下，脉冲激光结束后，靶材表面温度经一热弛豫时间后下降到1250K左右，连续激光继续作用使靶材表面温度升高，但温度升高速度变缓。当连续激光辐照结束后，由于热传导作用以及与周围空气的冷却作用，铝靶材表面温度快速下降，并在熔点933K存在液—固冷却凝固相变过程，之后降至室温状态。

图5 铝靶材激光辐照区域中心点表面温度随连续/脉冲间延时变化曲线

图5为连续/脉冲复合激光辐照铝靶材1s后，铝靶材激光辐照区域中心点表面温度随延时时间Δt的变化曲线。随着脉冲激光延时时间Δt增加，铝靶材激光辐照区域中心点温度出现先增加后下降变化。在延时时间Δt为0.4s时，中心点温度出现最大值为1932K，之后随延时时间增大，铝靶材表面温度呈下降变化。延时小于0.3s的连续/脉冲复合激光与连续激光作用相比，温度升高幅度不明显，表明脉冲激光作用靶材对连续激光的热作用影响较弱。延时为0.4s时，脉冲激光作用对连续/脉冲复合激光作用后温度影响较为显著，表明脉冲激光作用后，连续激光沉积到靶材内部的激光能量增多，造成表面温度升高。随着延时增加，脉冲激光辐照铝靶材结束后，辐照到铝靶材表面的连续激光功率减少，从而出现沉积到靶材内部的连续激光能量减弱，导致铝靶材表面温度出现下降。

图6 连续/脉冲复合激光作用铝靶材吸收率时间演化曲线（延时为0.4s）

图6为延时Δt为0.4s条件下连续/脉冲复合激光作用铝靶材吸收率的演化曲线。由于铝靶材对1064nm激光的吸收率是温度的函数，脉冲激光辐照作用使铝靶材温度快速升高，连续激光辐照靶材继续加热，导致靶材对连续激光的吸收率由0.1增加到0.2，使沉积到靶材内部的连续激光能量增大。这是由于连续/脉冲复合激光中的脉冲激光将靶材加热至熔化后，Al靶材液体对激光的吸收效率有一个大幅度升高。当脉冲激光作用后的一段时间内，连续激光持续加热作用使Al靶材保持较长时间熔融状态，从而使沉积到靶材内部的连续激光能量增多，造成延时为0.4s的连续/脉冲复合激光辐照铝靶材表面温度最大。

延时 Δt分别为 0.1s、0.2s、0.3s、0.4s、0.5s、0.6s和0.7s的连续/脉冲复合激光作用铝靶材1s时间，对应的熔池深度和熔池半径随连续/脉冲激光光束间的延时变化曲线如图7所示。

图7 连续/脉冲复合激光作用铝靶材的熔池深度和熔池半径随延时变化曲线

从图7可知，连续/脉冲复合激光作用铝靶材的熔池深度和熔池半径均随延时的增加出现先增大后减小变化，当延时为0.4s时，即为出现最大值，熔池深度和熔池半径分别为828mm和1.66mm。在延时为0.1s、0.2s和0.3s条件下，连续/脉冲复合激光作用铝靶材的熔池深度和熔池半径与8500W连续激光作用变化不明显。当延时大于0.4s，连续/脉冲复合激光作用铝靶材的熔池深度和熔池半径均随延时增加逐渐减小，这是由于当脉冲激光结束后，沉积到靶材内部的连续激光能量较小，靶材吸收激光能量转化热能变小，导致熔池深度和熔池半径逐渐减小变化。

图8为激光辐照1s后，连续激光和连续/脉冲复合激光光束作用铝靶材表面温度演化曲线。在相同激光聚焦条件下，延时为0.4s的连续/脉冲（8500W+20J）复合激光与输出功率为8622W的连续激光均使铝靶材表面中心点温度最高为1925K。相比较而言，激光辐照1s时间，连续/脉冲复合激光作用比单连续激光减少了102J的能量损耗。若达到延时0.4s连续/脉冲（8500W+20J）复合激光作用铝靶材熔池深度828mm，需要连续激光的输出功率为8623W，表明复合激光作用在1s时间内减少了103J的能量损耗。这是由于脉冲激光作用导致靶材对连续激光的吸收率增加，从而出现沉积到靶材内部的连续激光能量增加，实现了高输出功率连续激光的作用效果。

图8 最高温度相同的连续激光和连续/脉冲复合激光作用温升曲线

3 结语

本文基于Comsol multiphysics软件对连续/脉冲复合激光光束辐照铝靶材的热作用特性进行了仿真计算，仿真计算结果表明，脉冲激光相对于连续激光的时间延时对连续/脉冲复合激光作用铝靶材的温度时间演化有重要影响。功率为8500W的连续激光和脉冲能量20J、脉宽200ms的脉冲激光组成连续/脉冲复合激光辐照铝靶材表面1s后，铝靶材表面温度、熔化深度和熔池半径均随延时增加出现先增大后减小变化，在延时0.4s出现最大值，铝靶材表面温度最高达到1932K，熔化深度和熔池半径最大分别为828mm和1.66mm。在相同激光聚焦条件下，与延时为0.4s的连续/脉冲复合激光作用铝靶材具有相同表面温度和熔化深度相比，需要的连续激光输出功率分别为8622W和8623W，表明达到相同的激光加工效果，连续/脉冲复合激光作用需要的激光功率要低。产生这种现象的物理原因，由于脉冲激光作用使铝靶材温度快速升高，使靶材对激光吸收率增加，导致沉积到靶材内的连续激光功率增加，从而使连续激光对靶材的热作用效应增强。本文研究结果对连续/脉冲复合激光用于提高激光加工效率具有重要意义。

参考文献

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