304不锈钢材料激光吸收率的研究

张争艳 张慧慧 乔国朝 张建华

摘要 材料对激光的吸收率对激光的加工效果有着决定性的影响，然而目前关于激光吸收率理论建模的研究还比较缺乏。基于菲涅尔公式，推导304不锈钢对激光吸收率的理论模型。利用原位法测量304不锈钢对激光的吸收率，通过回归分析确定了模型中待定的吸收率系数，从而确定了304不锈钢对激光吸收率的理论模型，进而分析了表面涂石墨、表面粗糙度对吸收率的影响，结果显示涂石墨和粗糙表面都能够提高304不锈钢的吸收率，但在高温时粗糙度对吸收率的影响更显著。

关 键 词 激光加工;不锈钢;吸收率;原位法;理论模型

中图分类号 TG485     文献标志码 A

Abstract The absorption rate of materials to laser has a decisive influence on the processing effect of laser. However， the current research on the theoretical modeling of laser absorption rate is still lacking. Based on the Fresnel formula， this paper derives the theoretical model of the laser absorption rate of 304 stainless steel. The in-situ method is used to measure the absorption rate of 304 stainless steel， and the absorption coefficient to be determined in the model is determined by regression analysis. The theoretical model of the laser absorption rate of 304 stainless steel is determined， and the surface coated graphite and surface roughness are analyzed. The effect of the absorption rate shows that the graphite coating and the rough surface can improve the absorption rate of 304 stainless steel， but the effect of roughness on the absorption rate is more significant at higher temperature.

Key words laser machining; steel; absorption rate; in-situ method; theory model

0 引言

激光由于具有光谱分辨率高、空间和时间相干性好、高频脉冲或连续可调、能量密度高等优点，已广泛应用在航空航天、机械、冶金、造船、医疗等领域。激光加工为非接触热加工，能够无视材料的力学性能实现高效、精密的切割、打孔、焊接、表面熔覆等多种加工目的。它是解决高强度、高硬度、高脆性等难加工材料和实现微小型元件精密加工[1]的有效途径。

在激光加工过程中，当激光照射到金属材料表面时，一部分能量被反射，一部分能量被材料吸收。被吸收的光能与材料表面相互作用转化为热能，在局部区域产生上万度的高温，使材料瞬时熔化和气化产生材料去除。从激光的加工原理可以看出，材料对光能的吸收能力是决定激光加工效果的决定性因素，而吸收率是表征材料对激光吸收能力大小的重要参数[2]，吸收率的值越高，材料对激光能量的利用率就越高。

目前，关于材料对激光吸收率的研究多采用数值模拟和实验测量的方法研究，理论研究很少[3-4]。如陈君等[5]通过数值模拟改进了金属材料激光吸收率的计算模型，从自由电子、束缚电子、模型修正3部分分析了材料对激光的吸收。Duley[6]采用模型和半经验法相结合的方法研究材料的吸收率，但操作过程较为复杂、可行性差。蔺秀川等[7]利用集总参数法测量材料对激光的吸收率，但该方法只有当固体内部的导热热阻与固体表面的换热热阻之比小于0.1时才适用，使用范围有限。邹德宁等[8]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，该方法需要逐个试验一系列参数以确定材料对激光的吸收率，计算过程麻烦，结果具有很大的随机性。黄延禄等[9]用原位法测量金属材料对激光的吸收率。304不锈钢作为奥氏体不锈钢的一种，具有耐蚀性强、无磁性、较高的韧性和塑性等特点，广泛应用于多个领域。董方等[10]测试了700～1 400 ℃时304不锈钢的高温强度及塑性随温度的变化规律。马壮等[11] 选用不同涂层对304不锈钢板材激光冲击处理，在激光冲击过程中，黑漆涂层、铝箔涂层和硅酸乙脂黑漆涂层都能有效提高激光冲击试样。

众所周知，材料对激光的吸收率与激光的波长、光源能量分布、材料温度、表面粗糙程度、表面涂层等诸多因素有关[12]。本文对304不锈钢材料激光吸收率的理论模型进行了推导，通过实验确定了模型中的待定系数，并进一步分析了表面涂层、表面粗糙度对材料吸收率的影响规律。

1 理论模型

当激光照射在材料表面时，会发生反射、散射、透射、吸收等物理现象，其中被材料吸收的光能转化成热能，使入射部位局部温度急剧升高，从而产生熔化、气化造成材料去除。激光入射过程中其能量轉化遵循能量守恒法则，即

2 实验

本次试验选用304不锈钢，其成分含量和性能参数分别见表1、表2。试件尺寸为50 mm×50 mm×1.7 mm，激光照射点为50 mm×50 mm平面的中心，入射角为0°。试验选用的激光器为CO2气体激光器，激光波长为10.6 μm，功率为240 W，辅助气体为氧气，气体压力为0.23 MPa，喷嘴直径为1 mm，喷嘴距离工件上表面1.5 mm，保证激光焦点落在工件表面。采用线径为0.1 mm的标准K型热电偶作为测温元件，用AUMANYU八通道温度数据采集卡采集数据，采样速率为200 ms。实验所用机床如图1所示。

本次试验的试验方案如表3所示。

试验流程如下：按表3的表面状态处理试件，在试件背后贴好标签，以免混淆。用胶带将2个K型热电偶分别贴在图2所示的1、2位置。激光照射在3处，用温度采集卡记录降到室温前的温度变化。每组实验重复3次，取其平均值做为该点的最终结果。未处理的不锈钢材料经激光定点照射后的表面状态如图3所示。

整理通过K型热电偶采集的温度，如表4所示，温度1表示未处理表面测得的温度变化;温度2表示涂碳素墨汁表面测得的温度变化;温度3表示用400#砂纸打磨5 min后的表面测得的温度变化。

3 分析与讨论

从图5可以看出，涂碳表面的吸收率高于未经处理表面的吸收率，主要原因是材料对激光的吸收率跟材料的物理特性有关，在304不锈钢表面涂碳相当于改变了材料的物理特性，进而改变吸收率。从实验结果可以看出，碳素石墨对激光的吸收率高于不锈钢对激光的吸收率。因此，在材料表面涂碳素石墨可以提高材料对激光的吸收率，但是，随着加工时间的增加，激光会直接作用在不锈钢材料上，表层涂的石墨对吸收率的影响也越来越小。比较打磨前后两次的实验结果，发现打磨后的表面吸收率始终高于原始表面的吸收率，随着温度的升高，其影响越明显，这主要是因为，砂纸打磨后表面变得粗糙，降低了材料表面对激光的反射，虽然因为非均匀的颗粒结构会对光电磁场产生影响，造成光路偏移，散射掉一部分能量，但另一方面，温度升高后，金属氧化起到涂层的作用，材料的物理特性也发生变化，提高吸收率。

4 结论

基于菲涅耳公式建立了材料对激光的吸收率模型，通过实验测量了不同表面状态下材料的温度变化和吸收率，对实验结果进行线性回归分析，确定了304不锈钢对激光的吸收率数学模型。进一步分析了表面涂碳、打磨等不同表面状态对激光吸收率的影响。通过以上研究所得结论如下。

1）吸收率与激光波长、温度之间存在近似线性关系，对304不锈钢来说三者之间的量化函数关系满足式（8）。

2）表面涂石墨后会提高304不锈钢对激光的吸收率，但是，随着温度的升高，其对吸收率的影响越小。

3）表面粗糙度对304不锈钢的吸收率影响很大，且温度越高其对材料吸收率的影响越显著。

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