激光輻照下45#鋼板響應特性*

汪慶桃，錢秋冬，李 霄，王崇旭

(1. 國防科技大學 軍事基礎教育學院， 湖南 長沙 410072； 2. 國防科技大學 空天科學學院， 湖南 長沙 410073； 3. 國防科技大學 前沿交叉學科學院， 湖南 長沙 410073)

激光輻照下金屬板的動態響應對于激光加工、未爆彈藥銷毀等具有重要的意義，Chun等[1]指出，這一過程中同時包含著多種復雜的物理過程。在激光輻照下，大量的激光能量被材料表面吸收并轉化為熱能，熱量向內部傳遞使得材料迅速升溫，形成相應的溫度場。若材料溫度達到其熔點或沸點，則會發生熔融甚至氣化現象，由此產生的粒子繼續被加熱形成蒸汽等離子體，使得材料發生一系列變化，產生損傷效應[2]。相關實驗結果也表明，激光與材料之間相互作用最顯而易見的效果是材料熔融等燒蝕破壞現象[3]。

Sami[4]、Anisimov[5]、Valette[6]等采用數值計算方法研究了激光輻照下金屬材料的溫度變化，并用物理方法估算了材料表面徑向熱擴散區的范圍。Le Harzic等[7]利用透射電子顯微鏡觀察了金屬鋁在激光輻照作用下的熱影響區，發現表面燒蝕損傷明顯。王偉平[8-9]、Chimier[10]等建立了激光輻照下的熱傳導數值模型，由此得到了金屬靶的溫度場分布。在此基礎上，梁業廣[11-12]、趙鳳艷[13]等考慮金屬材料熔融相變的影響，分析了模型中材料參數和激光參數對計算結果的影響。通過研究，王譯那等[14]進一步發現激光輻照的整個破壞過程主要包括升溫、穿孔和孔徑增大三個階段。趙方東[15]、何雅靜[16]等對激光輻照金屬靶過程進行了數值模擬，得到了金屬靶熔化深度、速率以及不同深度處溫度等隨激光作用時間的變化規律。

本文以45#鋼為研究對象，采取實驗和數值模擬相結合的方法，對激光輻照下靶板的熱響應特性展開研究，為激光加工金屬材料或者破壞金屬結構提供理論參考。

1 激光輻照下45#鋼靶的熱響應實驗

1.1 實驗條件

實驗采用連續光纖激光器系統，該系統由電源、激光器以及冷卻裝置三個部分組成，波長為1 080 nm。測溫裝置采用接觸式與非接觸式兩種方式測溫。接觸式測溫采用24通道MT-X溫度記錄儀、SH-K型鎳鉻-銅鎳熱電偶實現數據采集，測溫范圍為-100～1 768 ℃，精度為±0.5 ℃，分辨率可達0.1 ℃。非接觸式測溫采用FLUKE手持式Tis75紅外熱像儀，其測溫范圍為-20～1 500 ℃。鋼靶為直徑100 mm圓柱形，厚度分別為3 mm、4 mm、5 mm、8 mm四種情況，實驗裝置示意如圖1所示。實驗中激光發射功率分別為546 W、699 W兩種功率，光路長度為4.8 m，光斑直徑為10 mm。

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental device

實驗前借助激光觀測儀調節激光器光路與金屬靶板相對位置，使激光入射方向垂直于靶板正面且激光輻照光斑中心點位于金屬靶板圓心處，選取靶板受輻照面圓心為正面中心點。在靶板輻照的背面以圓心為起點沿徑向設置4個SH-K型熱電偶，接觸應牢固可靠，熱電偶的另一端與MT-X多路溫度記錄儀相連接，完成數據的記錄與儲存，每兩個熱電偶之間的間隔為10 mm，如圖2所示。

圖2 靶板背面熱電偶測溫點Fig.2 Thermocouple temperature measurement point on the back of the target

鋼靶受到激光輻照作用后吸收熱能，溫度上升。在靶板正面，入射激光光斑中心處溫度最高，研究中記作靶板峰值溫度，峰值溫度超出金屬熔點范圍后金屬靶發生相變，呈現為液態。由于激光能量在光斑中心最高并沿半徑衰減，輻照靶材后會在表面形成近似圓形的液相區域，將該圓的直徑記作熔池半徑，而液相區域縱向發展在中心處最大，該值記作熔池深度。沿徑向溫度逐漸降低，從而導致金屬表面發生氧化反應的程度不同，形成了明暗層次分明的光暈痕跡，光暈近似呈圓形，且尺寸大于熔池。本文以該光暈痕跡直徑來表示溫度傳導的范圍，實驗結束后，利用直尺對每一塊靶板表面的溫度傳導范圍進行測量記錄，如圖3所示。

圖3 溫度傳導范圍的測定Fig.3 Determination of the temperature conduction range

1.2 實驗結果

表1為激光輻照作用下的實驗結果。其中，T3次實驗在輻照過程中未觀察到燒蝕孔貫穿靶板，輻照結束后對熔池深度進行測量時發現整個熔池區域金屬已全部熔融，液態金屬雖然尚未完全滴落，但探針插入熔池后可以完全貫穿，故可認為靶板已經實現燒蝕穿孔。

由表1可知：熔池尺寸與激光功率直接相關，當激光功率為699 W時，對于厚度小于4 mm的靶板均可以成功穿透；同時，當靶板厚度一定時，隨著激光功率的增大，熔池的直徑和深度均增大；當激光功率相同時，隨著靶板厚度的增加，熔池的直徑與深度均相應減小。
圖4給出了幾個典型工況的溫度場響應曲線。

表1 激光輻照實驗結果

(a) T5

(b) T6圖4 溫度場隨時間變化曲線Fig.4 Variation curves of temperature with time

由圖4可知，在激光輻照作用下，金屬靶板正背面溫度均有所升高但二者溫升速度和幅值存在較大差異，究其原因，靶板正面能量來源為入射激光能量，其轉化為熱量并直接被吸收，而背面能量來源為正面所吸收能量的熱傳導；同時可以發現，溫度傳導范圍與溫度峰值存在一定的正向關系，當溫度峰值升高時溫度傳導范圍也隨之增大，溫度場峰值溫度和溫度傳導范圍隨著靶板厚度的增大而減小。

2 激光輻照下45#鋼板熱響應數值模擬

2.1 數值模型及驗證

基于有限元軟件ANSYS建立三維數值模型，靶板離散成八節點實體單元Solid70，采用映射法劃分網格。為了統籌計算規模和計算效率之間的關系，采用變網格技術，即在激光輻照及影響區域采用較為精細的網格。考慮到模型的對稱性，僅建立四分之一模型，這樣在總體網格數量保持不變的情況下可以盡可能地使網格尺寸更加精細。靶板為圓柱形結構，直徑為100 mm，材料參數參考文獻[17]。當材料的溫度超過熔點范圍最高溫度時，判定該材料被侵蝕，程序自動刪除該網格單元的質量，用以模擬燒蝕穿孔現象。

圖5為激光功率密度為2 000 W/cm2、光斑直徑為10 mm的連續激光輻照10 mm厚度金屬板時熱響應云圖。

從圖5(a)可以看出，在激光輻照初期，靶板迅速升溫，溫度傳導到一定的范圍。靠近光斑中心區域溫度較高，沿著徑向方向往外溫度值逐漸降低。此時，金屬靶板吸收能量僅用于溫度增長，尚未形成熔池。當t=4.55 s時，溫度升高至超出材料熔點范圍上限，單元被刪除，形成孔洞，如圖5(b)所示。隨著激光輻照過程的持續，溫度傳導的范圍不斷擴大，溫度持續上升，孔洞不斷向縱深發展，如圖5(c)～(d)所示。當t=10.55 s時，靶板背面中心區域單元溫度超出熔點上限，此時實現靶板的貫穿，如圖5(e)所示。在此之后，隨著溫度的進一步升高，穿孔沿徑向發展，孔形由倒圓錐狀逐漸向倒圓臺狀過渡，并呈現出向圓柱狀轉變的趨勢，如圖5(f)所示。

(a) t=3.0 s (b) t=4.55 s (c) t=7.05 s

(d) t=9.05 s (e) t=10.55 s (f) t=30.0 s圖5 金屬靶板燒蝕穿孔過程Fig.5 Process of ablation and perforation of metal target

圖6為工況T6(激光功率699 W、光斑直徑10 mm、金屬板厚度8 mm)的數值模擬結果與實驗結果的溫度場分布比較。圖6(a)～(b)中靶板表面中心區域溫度值最高，向四周傳播的同時溫度值下降，由于徑向溫度梯度的存在，表面呈現規則分布的年輪狀溫度場，層次分明，與實驗結果中靶板表面產生的光暈現象吻合較好。圖6(c)～(d)中各特征點的數值模擬溫升曲線與實驗結果中所測得的曲線趨勢基本一致。

(a) 數值模擬溫度場分布(a) Temperature field distribution of numerical simulation

(b) 實驗溫度場分布(b) Temperature field distribution of experimental results

(c) 正面中心點溫升曲線(c) Temperature rise curve of front center point

(d) 背面特征點溫升曲線(d) Temperature rise curve of characteristic point on the back圖6 數值模擬與實驗結果對比Fig.6 Comparison of numerical simulation and experimental results

表2將幾個典型工況下靶板燒蝕穿孔特性的數值模擬與實驗結果進行對比，可以發現，對于熔池直徑與深度尺寸的數值模擬結果與實驗結果吻合也較好，由此證明了數值模擬結果的準確性。

2.2 影響因素分析

采用數值模擬方法，研究靶板厚度、激光功率以及光斑半徑等參數對激光輻照下鋼靶板熱響應特性的影響規律，數值模擬工況及模擬結果如表3所示。

2.2.1 靶板厚度的影響

靶板厚度對熱響應特性影響很大，在輻照功率相同的情況下，若靶板過厚，則熱耗散增大，傳導到靶板背面使其升溫變緩，同時燒蝕穿孔也相對較為困難。數值計算結果表明，當靶板厚度較小(1 mm和2 mm)時，激光輻照下靶板溫度迅速升高，靶板被灼穿。圖7給出了在激光功率為1 000 W、光斑直徑為10 mm時靶板峰值溫度、溫度傳導范圍、熔池尺寸等參量隨靶板厚度的變化曲線。

表2 數值模擬與實驗結果對比

表3 數值模擬結果

由圖7可知，靶板厚度對金屬靶板熱響應特性影響顯著，靶板峰值溫度、溫度傳導范圍以及熔池尺寸等均隨靶板厚度的增大而減小，且近似呈指數變化關系。

(a) 金屬靶板峰值溫度(a) Peak temperature of metal target plate

(b) 溫度傳導范圍(b) Temperature conduction range

(c) 熔池直徑(c) Melting pool diameter

(d) 熔池深度(d) Melting pool depth圖7 金屬靶板熱響應特性與靶板厚度關系Fig.7 Relationship between the thermal response characteristics of the metal target and the target thickness

2.2.2 激光功率的影響

激光功率是金屬靶板激光輻照過程中的關鍵參數，直接決定了整個輻照過程的能量輸入大小。圖8給出了當光斑直徑為10 mm時，不同激光功率情況下10 mm厚靶板的峰值溫度、溫度傳導范圍和熔池尺寸等參量的變化曲線。

由圖8可知，靶板峰值溫度、溫度傳導范圍以及熔池尺寸均與激光功率近似呈指數變化關系，各參數均隨激光功率的增大而增大。其中，當激光功率為500 W和750 W時，金屬靶板表面溫升有限，未形成熔池。分析原因：當靶板由8 mm進一步增加到10 mm時，由于熱傳導所導致的能量耗散進一步增大。

(a) 金屬靶板峰值溫度(a) Peak temperature of metal target plate

(b) 溫度傳導范圍(b) Temperature conduction range

(c) 熔池直徑(c) Melting pool diameter

(d) 熔池深度(d) Melting pool depth圖8 金屬靶板熱響應特性與激光功率關系Fig.8 Relationship between the thermal response characteristics of the metal target and the laser power

對表3中數值模擬結果與實驗結果的對比可以發現，燒蝕穿孔熔池直徑的數值模擬值普遍偏小，原因主要有：①數值模擬中以單元溫度為失效準則，設置單元溫度超出熔點范圍后對其進行“殺死”操作，但ANSYS中單元溫度為八節點溫度取平均值，與單元位置處真實溫度存在差異。由于單元較遠處節點溫度值較低，當單元尺寸較大時數值模擬結果與實際溫度相比偏低，增大了誤差。②靶板表面有雜質，并且氧化后吸熱較強，數值模擬中未考慮由此帶來的吸收率增長，導致表面溫升較低，熔池生成受限。

2.2.3 光斑直徑的影響

光斑直徑是激光輻照過程中十分重要的參數，決定了入射激光的能量分布范圍。圖9給出了當激光功率為2 000 W時，不同光斑直徑情況下10 mm厚鋼靶的峰值溫度、溫度傳導范圍和熔池尺寸。由圖9可知，峰值溫度、溫度傳導范圍以及熔池深度與光斑直徑近似呈指數變化關系，熔池直徑與光斑直徑近似呈二次多項式變化關系，鋼靶峰值溫度以及熔池尺寸隨光斑直徑的增大而減小，溫度傳導范圍隨光斑直徑的增大而增大。其中，當光斑直徑較小時(10 mm和15 mm)，靶板表面溫升較高，但能量相對集中限制了熔池向外擴展，導致熔池直徑較小。

(a) 金屬靶板峰值溫度(a) Peak temperature of metal target plate

(b) 溫度傳導范圍(b) Temperature conduction range

(c) 熔池直徑(c) Melting pool diameter

(d) 熔池深度(d) Melting pool depth圖9 金屬靶板熱響應特性與光斑直徑關系Fig.9 Relationship between the thermal response characteristics of the metal target and the spot diameter

2.3 特征參數隨初始條件的關系

由數值模擬結果可以得出靶板峰值溫度、溫度傳導范圍和熔池尺寸等特征參數隨靶板厚度、激光功率及光斑直徑等初始條件的變化關系，假定特征參數F隨初始條件的變化形式為：

F=k0·Ik1·Lk2·dk3

(1)

式中，ki(i=0，1，2，3)為待定參數。

根據表3中數值模擬結果，借助函數繪圖軟件Origin對靶板峰值溫度、溫度傳導范圍、熔池直徑、熔池深度隨靶板厚度、激光功率及光斑直徑的變化關系進行數據擬合，可以得到式(1)中相關參數，如表4所示。

表4 參數擬合結果

3 結論

采用實驗和數值模擬相結合的方法，對激光輻照下45#鋼板的響應特性進行了研究，主要結論如下：

1)在入射激光功率和光斑直徑相同的條件下，靶板峰值溫度、溫度傳導范圍以及熔池尺寸均隨靶板厚度的增大而減小，在已有結果范圍內呈指數關系；

2)在靶板厚度和光斑直徑相同的條件下，靶板峰值溫度、溫度傳導范圍以及熔池尺寸均隨著激光功率的增大而增大，在已有結果范圍內呈指數關系；

3)在入射激光功率和靶板厚度相同的條件下，隨著光斑直徑的增大，靶板峰值溫度以及熔池尺寸呈現減小的趨勢，而溫度傳導范圍呈現增大的趨勢。