激光清洗Q345鋼表面氧化層的數(shù)值模擬

趙子康,楊文光,宋春霄,申俊偉,彭珍珍,汪殿龍

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050018)

1 引 言

鋼材在人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中是一種必不可少的材料,且在日常的使用和保存中會(huì)產(chǎn)生銹蝕,造成大量的浪費(fèi)。因此,鋼材表面氧化層的清洗是整個(gè)清洗行業(yè)的一大課題。相對(duì)于傳統(tǒng)的清洗方式,激光清洗的出現(xiàn)是對(duì)清洗技術(shù)的一次革命[1]。激光清洗有著精度高、可控性好、適用范圍廣和綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[2]。激光清洗過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,掃描速度、光斑搭接率、功率等參數(shù)都會(huì)對(duì)氧化層去除的結(jié)果產(chǎn)生影響。為了研究激光參數(shù)對(duì)清洗質(zhì)量的影響規(guī)律,觀測(cè)清洗過(guò)程中氧化層和基體在激光清洗過(guò)程中的溫度場(chǎng)和燒蝕深度成為了關(guān)鍵,但在現(xiàn)實(shí)中,溫度場(chǎng)的分布不易通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接獲得[3]。因此,使用軟件進(jìn)行模擬成為了一種有效的方法。

近年來(lái),已經(jīng)有不少學(xué)者使用有限元模擬的方法對(duì)激光清洗過(guò)程展開(kāi)了研究。劉彩飛等人[4]采用有限元方法建立模型,模擬了噴有漆膜的不銹鋼樣品表面在移動(dòng)脈沖激光作用下的溫度場(chǎng)分布,證明了溫度場(chǎng)的累積會(huì)提高清洗效率,為實(shí)際激光清洗過(guò)程選取參數(shù)提供了參考。胡少武等人[5]建立2219鋁合金板表面環(huán)氧聚酰胺底漆有限元模型,研究了能量密度和橫向搭接率的變化對(duì)漆層溫度場(chǎng)、不同漆層厚度清洗效果及燒蝕深度的影響,為激光清洗高強(qiáng)度鋁合金漆層提供了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。萬(wàn)磊等人[6]建立脈沖激光清洗鋁合金表面漆層的有限元模型,探究激光功率和搭接率對(duì)鋁合金表面漆層的溫度場(chǎng)分布以及清洗深度的影響,得到完全去除漆層材料且不損傷基體的清洗參數(shù)。

以往的激光燒蝕有限元模擬主要研究工藝參數(shù)對(duì)單脈沖燒蝕的影響,而忽略了激光脈沖之間的相互作用。此外,大多數(shù)已建立的模型都是二維的,因此更難直接顯示工藝參數(shù)和表面形貌之間的關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)激光清洗過(guò)程的精確控制,需要進(jìn)一步分析溫度場(chǎng)和表面形貌。通過(guò)數(shù)值模擬的方法,可以為優(yōu)化工藝參數(shù)和光束路徑規(guī)劃制定指導(dǎo)方針。

本文采用COMSOL Multiphysics仿真軟件建立移動(dòng)納秒脈沖激光清洗的三維模型,研究激光光斑搭接率、平均功率等參數(shù)對(duì)Q345鋼表面氧化層清洗過(guò)程中溫度場(chǎng)的分布和對(duì)表面清洗效果的影響,并且用相關(guān)的激光除銹實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)比,驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,從而得出最佳的參數(shù)組合及清洗規(guī)律,為現(xiàn)實(shí)清洗過(guò)程提供理論依據(jù)。

2 激光清洗原理及理論模型

激光清除金屬表面氧化物或涂層的去除機(jī)理主要為燒蝕、熱應(yīng)力膨脹及振動(dòng)效應(yīng)等。一般當(dāng)激光能量密度比較低時(shí),主要清洗機(jī)理為熱應(yīng)力膨脹效應(yīng)。脈沖激光束產(chǎn)生的熱輸入傳遞給氧化層,氧化層受熱膨脹并持續(xù)積累,從而產(chǎn)生足夠大的膨脹力,此時(shí)熱膨脹力大于范德瓦爾斯力,因而能夠有效脫落表面氧化層[7]。當(dāng)激光能量密度比較高時(shí),主要清洗機(jī)理為燒蝕效應(yīng),高能量的脈沖激光束在光斑焦點(diǎn)處產(chǎn)生幾百上千攝氏度的高溫,瞬間將附著物燃燒、氣化、蒸發(fā)或分解[8]。朱明等人[9]研究結(jié)果表明,激光清洗采用“小激光功率+低速掃描”方式(激光功率30 W,掃描速度3000 mm/s)時(shí)Q345C碳鋼表面的銹蝕層的去除機(jī)理為燒蝕機(jī)制。脈沖激光作用在機(jī)體表面的氧化層上時(shí)還可能產(chǎn)生振動(dòng)效應(yīng)。激光與銹蝕發(fā)生作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲波,該超聲波使銹蝕產(chǎn)生力學(xué)共振,進(jìn)而被擊碎而脫離機(jī)體表面[10]。本研究主要針對(duì)激光功率為10～50 W和掃描速度為2000～4000 mm/s的脈沖激光對(duì)Q345鋼氧化層的清洗,因此僅考慮燒蝕效應(yīng)對(duì)表面氧化層的去除,而忽略熱應(yīng)力膨脹及振動(dòng)效應(yīng)對(duì)氧化層的去除。

光纖脈沖激光清洗Q345鋼表面氧化層的示意圖如圖1所示。激光經(jīng)過(guò)光路后輻照于試樣表面,除少量激光能量因熱對(duì)流和熱輻射而產(chǎn)生損失外,大部分激光能量瞬間被氧化層吸收,在極短的時(shí)間內(nèi)氧化層溫度快速升高至氣化溫度,氧化層從基體去除。實(shí)際的激光清洗氧化層的物理過(guò)程十分復(fù)雜,影響因素眾多。因此在模擬過(guò)程中做出如下假設(shè):(1)Q345鋼和其表面氧化層連續(xù)接觸沒(méi)有空隙并且各向同性;(2)實(shí)驗(yàn)材料對(duì)激光能量的吸收不隨溫度、時(shí)間等變化;(3)實(shí)驗(yàn)材料的物理化學(xué)參數(shù)不會(huì)發(fā)生改變;(4)忽略激光清洗過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體對(duì)入射脈沖激光能量的屏蔽和周圍環(huán)境對(duì)激光能量的吸收;(5)熱傳導(dǎo)是氧化層與Q345材料之間唯一的傳熱形式,忽略熱量傳遞的弛豫時(shí)間。激光清洗過(guò)程中的熱傳導(dǎo)過(guò)程遵循基于傅里葉定律和能量守恒的熱傳導(dǎo)方程[11]。

圖1 激光清洗實(shí)驗(yàn)示意圖

2.1 建立移動(dòng)脈沖激光清洗熱源

利用掃描振鏡的運(yùn)動(dòng),將脈沖激光搭接連成掃描線,從而在需要清洗的金屬表面形成清洗的激光線,以點(diǎn)(x0,y0)為圓心的單個(gè)激光脈沖在空間和時(shí)間上的功率密度分布函數(shù)用公式(1)[12]表示為:

(1)

式中,P表示激光的平均功率;f表示脈沖激光的頻率;ts表示激光的脈沖寬度;r表示聚焦后的激光光斑半徑;一個(gè)脈沖的周期時(shí)間為T(mén)=1/f。激光載荷簡(jiǎn)化為空間分布中的點(diǎn)熱源和時(shí)間分布中的脈沖載荷。

在激光清洗過(guò)程中,高速移動(dòng)的脈沖激光沿x軸正向單道單次掃描實(shí)驗(yàn),那么建立移動(dòng)的脈沖激光熱源的坐標(biāo)公式為:

(2)

式中,v為激光沿x方向的掃描速度;t為時(shí)間。

由于金屬的趨膚深度非常小,因此將激光作為高斯面熱源,激光光斑直徑50 μm,形狀為圓形,脈沖能量高斯分布,即中心能量最高,邊緣處能量最低。在激光清洗過(guò)程中,激光在金屬表面的光斑搭接率是一個(gè)重要的工藝參數(shù),光斑搭接率的大小直接影響到材料表面的清洗質(zhì)量,因此需要合理控制光斑之間的搭接率。相鄰兩個(gè)激光光斑之間的光斑搭接率計(jì)算公式如下:

(3)

式中,聚焦后的光斑直徑用D表示;f表示脈沖激光的重復(fù)頻率;v表示掃描速度;η表示光斑的搭接率。

2.2 建立邊界條件

仿真模擬過(guò)程中,初始溫度Tf=20 ℃,即環(huán)境溫度,此時(shí)t=0。設(shè)置模型與外界空氣之間的邊界條件,對(duì)流換熱表示如下[13-14]:

(4)

熱輻射表示如下:

(5)

在公式(4)和(5)中,κ為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù);T為激光清洗模型的邊界溫度;n為模型邊界的法線方向;h為模型與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù);σ為玻爾茲曼常數(shù),ε為表面輻射系數(shù),取值0.8。

針對(duì)Q345鋼氧化層激光清洗過(guò)程中發(fā)生的物質(zhì)氣化現(xiàn)象,采用一組邊界條件用于氧化層因氣化引起的熱損耗,熱通量形式是一種特殊的對(duì)流熱通量,即燒蝕熱通量表示如下:

(6)

式中,qv表示材料燒蝕氣化吸收的熱通量;Tv為金屬材料表面氧化層的燒蝕氣化溫度;hv為與燒蝕溫度有關(guān)的傳熱系數(shù)。為了保證材料溫度不會(huì)明顯超過(guò)蒸發(fā)溫度,設(shè)定T≤Tv時(shí),hv=0;T>Tv時(shí),hv取極大數(shù)。

將激光熱源外加的熱通量、對(duì)流換熱、表面熱輻射和燒蝕熱通量都考慮進(jìn)去后,模型表面的凈吸收的熱通量表示為:

(7)

式中,α表示材料對(duì)激光能量的吸收率,模擬過(guò)程中取0.5。

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

激光清洗試樣的有限元模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示,模型包括尺寸為0.2 mm×0.2 mm×0.05 mm的Q345鋼基材和厚度為20 μm的氧化層。氧化層材料在激光清洗過(guò)程中直接吸收激光能量,熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)到達(dá)Q345鋼基體表面。采用COMSOL Multiphysics軟件中的固體傳熱模塊和數(shù)學(xué)中的變形幾何模塊,選用三維模型,添加瞬態(tài)研究,進(jìn)行仿真模擬。由于納秒脈沖激光器的能量密度較高,導(dǎo)致氧化層內(nèi)的溫度梯度較大,鋼板基材溫度梯度較小。并且由于模型的網(wǎng)格的劃分質(zhì)量是影響數(shù)值計(jì)算精度的關(guān)鍵因素,因此使用掃略方法將氧化層細(xì)化成多層網(wǎng)格,最大的網(wǎng)格單元大小為0.01 mm。使用自由四面體劃分方法對(duì)Q345鋼板基材區(qū)域適當(dāng)劃分,最大的網(wǎng)格單元大小為0.03 mm。此種網(wǎng)格的劃分在保證準(zhǔn)確性的同時(shí),可以最大程度上地節(jié)約計(jì)算資源,提高計(jì)算機(jī)的處理效率。

圖2 激光清洗試樣的有限元模型和網(wǎng)格劃分

在有限元模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)鋼材和表面氧化物的材料屬性是重要的參數(shù),其物理參數(shù)數(shù)值和化學(xué)性質(zhì)的不同將直接影響實(shí)驗(yàn)最后的結(jié)果。在現(xiàn)實(shí)生活中,Q345鋼在環(huán)境的作用下大部分發(fā)生的為電化學(xué)腐蝕,其表面氧化物可以近似認(rèn)為Fe2O3為主要成分。本文采用的Q345鋼和表面Fe2O3的熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Q345基材與Fe2O3氧化層的熱物性參數(shù)

3.2 求解和后處理

在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了劃分和掃描速率確定后,要按照模型的大小來(lái)設(shè)置相應(yīng)的負(fù)載步長(zhǎng),若步長(zhǎng)太大,則數(shù)據(jù)不收斂,溫度場(chǎng)分布不均,結(jié)果不準(zhǔn)確。若步長(zhǎng)太短,將會(huì)占用大量的內(nèi)存來(lái)計(jì)算,加大計(jì)算量,造成不必要的資源消耗。在瞬態(tài)研究中,將時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為100 ns,總時(shí)長(zhǎng)為5個(gè)周期,并通過(guò)物理場(chǎng)來(lái)控制容差。后處理中如果需要顯示清洗過(guò)程中的模型表面的溫度變化情況,可以在定義中添加探針,選擇域探針,記錄清洗過(guò)程各層材料的最大溫度值。為了更直觀地記錄激光清洗中光斑的移動(dòng)和材料燒蝕深度的變化,可以在后處理模塊溫度中添加播放器繪制動(dòng)畫(huà),顯示脈沖激光清洗基體表面氧化物的動(dòng)態(tài)過(guò)程,

3.3 Q345鋼有限元模擬結(jié)果分析

3.3.1 光斑搭接率對(duì)模擬結(jié)果的影響

激光光斑的搭接率由激光f、掃描速度v共同確定,光斑的搭接率過(guò)高,激光清洗速度會(huì)降低,光斑之間也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的熱積累效應(yīng),將導(dǎo)致金屬鋼板材料的表層被過(guò)度氧化。激光光斑的搭接率過(guò)低,材料表面的氧化層不能夠被光斑完全覆蓋,則需要更多次數(shù)的激光清洗,從而導(dǎo)致清洗效率降低。因此,設(shè)置合適的光斑搭接率,將有效地提高激光清洗的效率和質(zhì)量。根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件,在激光平均功率為40 W,脈沖寬度為100 ns,重復(fù)頻率為100 kHz的條件下,通過(guò)改變掃描速度,模擬了20 %、30 %、40 %、50 %和60 %五組不同光斑搭接率下的激光清洗材料的溫度變化和燒蝕深度。

圖3為20 %光斑搭接率時(shí)的五個(gè)脈沖周期時(shí)間內(nèi)的氧化層最高溫度隨時(shí)間變化的曲線。從圖中可以看出在每個(gè)脈沖周期內(nèi),溫度曲線均是先急劇上升后再急劇下降,然后再緩慢下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在激光脈沖作用時(shí)間內(nèi)(100 ns脈寬時(shí)間內(nèi)),氧化層持續(xù)吸收熱量,溫度曲線迅速升高到最高溫度(6000 K左右,該溫度遠(yuǎn)超于氧化層燒蝕溫度2700 K)。而在激光脈沖結(jié)束后的剩余脈沖周期內(nèi),氧化層由于沒(méi)有激光熱輸入和繼續(xù)發(fā)生氣化燒蝕,其溫度迅速下降。當(dāng)氧化層溫度下降到氧化層氣化溫度以下后,表面氧化層通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射散熱等形式損失能量,使溫度下降變得緩慢直至最低溫度。在第一個(gè)脈沖周期結(jié)束后,氧化層表面溫度下降至1432 K,后四個(gè)脈沖周期結(jié)束后,溫度都穩(wěn)定下降到了2000 K,這是因?yàn)榈谝粋€(gè)脈沖周期結(jié)束后溫度沒(méi)有下降到室溫,而第二個(gè)脈沖開(kāi)始作用,存在熱積累現(xiàn)象。

圖3 20 %光斑搭接率時(shí)的五個(gè)脈沖周期時(shí)間內(nèi)的

圖4為不同搭接率下的氧化層表面溫度曲線。圖4(a)中展示了光斑搭接率為20 %、30 %、40 %、50 %和60 %時(shí)氧化層表面的峰值溫度在五個(gè)脈沖周期內(nèi)隨時(shí)間的變化曲線。由圖4(a)可知,在五種搭接率下,氧化層表面溫度呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。在第一個(gè)脈沖結(jié)束后,后續(xù)升降溫呈周期性變化。圖4(b)和4(c)分別為圖4(a)中“B”和“C”所示方框所示區(qū)域的放大,分別對(duì)應(yīng)不同搭接率時(shí)氧化層表面的最高溫度和熱積累溫度。對(duì)圖4(b)和4(c)和圖4(a)中其他溫度最高和最低處進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)隨光斑搭接率的升高,表面最高溫度和表面熱積累溫度并沒(méi)有逐漸升高,而是沒(méi)有明顯規(guī)律的變化。這說(shuō)明氧化層溫度場(chǎng)最高溫度和熱積累溫度受搭接率的影響不大。而且,隨著搭接率改變,溫度的波動(dòng)范圍也不大。搭接率從20 %到50 %,氧化層表面最高溫度在5900～5998 K之間波動(dòng),表面熱積累溫度在1663～1724 K之間波動(dòng)。

圖4 不同搭接率下的氧化層表面溫度曲線

圖5為20 %、30 %、40 %、50 %和60 %五種光斑搭接率下五個(gè)脈沖周期內(nèi)氧化層表面的溫度場(chǎng)分布。20 %光斑搭接率下,氧化層表面的二維溫度場(chǎng)兩個(gè)光斑之間的搭接現(xiàn)象清晰可見(jiàn)。隨著光斑搭接率增大,氧化層熱積累現(xiàn)象明顯增強(qiáng),光斑掃掠的路徑逐漸呈現(xiàn)“彗星拖尾”的形狀,這種現(xiàn)象是上個(gè)脈沖周期的激光遺留的溫度疊加形成的。

圖5 不同光斑搭接率下五個(gè)脈沖周期內(nèi)氧化層表面的溫度場(chǎng)分布

圖6為不同搭接率氧化層燒蝕三維形貌和燒蝕深度。從圖中可以看出氧化層燒蝕深度隨光斑搭接率的增加有不同幅度的提高。其中20 %與30 %的光斑搭接率產(chǎn)生的燒蝕深度差別不大,40 %的光斑搭接率燒蝕深度為4.75 μm,50 %的光斑搭接率產(chǎn)生的燒蝕深度增加到了5.5 μm,60 %的光斑搭接率的燒蝕深度最大,為7 μm。光斑搭接率越低,光斑之間的距離明顯增加,熱積累因此減弱,導(dǎo)致光斑之間氧化層材料溫度降低,燒蝕深度下降。

圖6 不同搭接率氧化層燒蝕三維形貌和燒蝕深度

3.3.2 激光平均功率對(duì)溫度和燒蝕深度的影響

在激光清洗技術(shù)中,激光平均功率是一個(gè)很重要的指標(biāo),其決定了激光作用在金屬材料表面氧化層的能量密度,進(jìn)而影響熱通量及燒蝕深度和表面形貌。當(dāng)激光的脈沖寬度為100 ns、重復(fù)頻率為100 kHz、光斑直徑和光斑搭接率分別為50 μm和20 %時(shí),模擬結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 不同激光平均功率下的氧化層表面溫度曲線

圖7為不同激光平均功率下的氧化層表面溫度曲線。圖7(a)中展示了不同激光平均功率氧化層表面的峰值溫度在五個(gè)脈沖周期內(nèi)隨時(shí)間的變化曲線。由圖7(a)可知,在五種平均功率下,氧化層表面溫度呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。圖7(b)和7(c)分別為圖7(a)中“B”和“C”所示方框所示區(qū)域的放大,分別對(duì)應(yīng)不同功率下氧化層表面的最高溫度和熱積累溫度。在激光脈沖作用時(shí)間內(nèi),溫度曲線迅速升高到最高溫度;激光脈沖作用時(shí)間結(jié)束后,通過(guò)燒蝕熱通量、熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、熱輻射等損失熱量,溫度先迅速下降到氧化層氣化溫度;隨后,通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、熱輻射等損失熱量,溫度緩慢下降到最低溫度。隨著激光平均功率的增加,溫度曲線最高溫度和熱積累溫度都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)激光功率從10 W增加到50 W,氧化層表面最高溫度從6020～6280 K,熱積累溫度從1604～1999 K。

圖8(a)為不同功率氧化層的燒蝕深度隨時(shí)間的變化。可知,在同一個(gè)激光功率下,燒蝕深度的變化為先逐漸增加最終趨于穩(wěn)定,10 W功率下燒蝕深度更容易達(dá)到穩(wěn)態(tài),但燒蝕深度僅有0.69 μm,清洗厚氧化層能力相對(duì)較弱。隨著激光平均功率由10 W增加到50 W,最終燒蝕深度逐漸由0.69 μm增加到5.67 μm。這是由于激光功率的增加進(jìn)一步加大了激光能量對(duì)氧化層的溫度分布,促使氧化層材料強(qiáng)烈燒蝕,提高了表面氧化層的去除率。圖8b為不同功率下的氧化層的燒蝕深度曲線,氧化層燒蝕深度隨激光平均功率的增加幾乎呈線性增加,所以,適當(dāng)提高激光的平均功率有助于金屬材料表面清洗。

圖8 不同功率氧化層的燒蝕深度隨時(shí)間

3.3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,使用IPG的YLP-1-120-50-50-HC-RG脈沖光纖激光器進(jìn)行激光清洗實(shí)驗(yàn)。激光特性如下:波長(zhǎng)1064 nm、脈沖寬度100 ns、脈沖頻率20 kHz～200 kHz、最大掃描速度10000 mm/s。使用f-θ透鏡聚焦激光束,產(chǎn)生直徑約50 μm的高斯光束。功率可達(dá)50W,對(duì)應(yīng)的最大單脈沖能量為1 mJ。實(shí)驗(yàn)中使用的基材是Q345鋼,表面氧化層厚度為20 μm,使用線切割機(jī)切割成10 mm×10 mm×4 mm的樣品。激光清洗前,用無(wú)水乙醇清洗試件表面塵土和油污并用吹風(fēng)機(jī)吹干。Q345鋼表面燒蝕坑的深度通過(guò)COOLPIX-4500型光學(xué)顯微鏡觀察制備的截面樣品得到。

圖9為平均功率為40 W、重復(fù)頻率為100 kHz和光斑搭接率為20 %的激光參數(shù)下清洗的模擬結(jié)果和同樣參數(shù)下的清洗的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。模擬實(shí)驗(yàn)中氧化層的厚度為20 μm,激光清洗后試樣表面產(chǎn)生燒蝕坑,并且燒蝕坑的深度約為5 μm,如圖9(a)所示。而實(shí)際激光清洗試驗(yàn)的表面也產(chǎn)生規(guī)律的燒蝕坑,并且燒蝕坑的深度也為5 μm左右,如圖9(b)所示。這說(shuō)明模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,驗(yàn)證了有限元模型的合理性。

圖9 激光模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

4 結(jié) 論

本文通過(guò)COMSOL Multiphysics仿真軟件,模擬了激光清洗Q345鋼表面氧化層的過(guò)程,探究了五個(gè)脈沖周期內(nèi)不同光斑搭接率和激光功率對(duì)表面氧化層溫度場(chǎng)和燒蝕深度的影響規(guī)律。研究成果如下:

(1)在每個(gè)激光脈沖周期內(nèi),溫度曲線均是先急劇上升后再急劇下降,然后再緩慢下降。溫度變化的快慢與激光是否作用以及氧化層是否發(fā)生熱燒蝕有關(guān)。

(2)光斑搭接率與掃描速度成反比,隨著光斑搭接率從20 %增大到60 %,氧化層峰值溫度和熱積累溫度沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。氧化層峰值溫度在5900～5998 K之間波動(dòng),表面熱積累溫度在1663～1724 K之間波動(dòng),溫度的波動(dòng)范圍不大,說(shuō)明搭接率對(duì)溫度場(chǎng)的影響并不大。隨光斑搭接率的增加,氧化層燒蝕深度從4.75 μm增大7.00 μm。

(3)激光的平均功率決定激光作用在金屬材料表面氧化層的能量密度,影響著金屬材料表面的熱通量。當(dāng)激光平均功率從10 W增加到50 W時(shí),氧化層溫度場(chǎng)峰值溫度從6020 K增加到6280 K,熱積累溫度從1604 K增加到1999 K。氧化層燒蝕坑深度隨著激光平均功率的增加幾乎呈線性增加,從0.69 μm增加到5.67 μm。