激光模式對典型金屬材料燒蝕影響的數值模擬研究

孫震宇，冉憲文，湯文輝，徐志宏

（國防科學技術大學 理學院 工程物理研究所，長沙 410073）

0 引言

激光照射引起的材料熔化、氣化、焦化、噴射或燃燒使得材料表面發生質量遷移的現象稱為激光燒蝕。激光燒蝕是激光加工、激光毀傷破壞的基本物理過程，因而也是此領域的研究熱點[1-4]。國外的研究較早，Mezines 等[5]考慮了重復頻率激光對薄板的加熱問題；Warren 等[6]主要考慮了一維燒蝕問題，包括材料的激光吸收系數與溫度相關性以及發生氣化或熔化的情形。El-Niclany 等[7]對均勻、連續激光輻照下半無限體材料的加熱、熔化和氣化問題進行了解析研究。國內也開展了大量研究，趙伊君[8]研究了激光與金屬相互作用時，燒蝕蒸氣的運動可用輻射流體力學方程描述；湯文輝等[9]采用了光滑粒子流體動力學（SPH）方法對典型靶的激 光燒蝕進行了數值模擬，研究了單層鋁靶和環氧樹脂/鋁雙層靶在激光輻照下的燒蝕形貌與溫度場；常浩等[10]建立了一個復雜的一維熱傳導和流體動力學模型，并計算研究了激光功率密度對納秒激光燒蝕沖量耦合影響。

從相關研究結果來看，影響激光對材料燒蝕效果的主要因素是激光功率密度和材料的光吸收系數，而光吸收系數又與材料表面溫度相關——溫度越高光吸收系數越大（對本問題研究的材料而言）。提高激光功率密度則可以增強對材料的燒蝕效果，然而對于平均功率一定的重頻激光器，占空比減小可以增加激光峰值功率，使得材料有更多的時間將自身的熱量通過熱對流耗散到周圍空氣中，從而降低材料表面溫度，使得光吸收系數減小。

本文利用自編的激光燒蝕模擬程序LAMP，開展重頻激光對典型金屬材料的燒蝕過程數值模擬研究，并考察占空比、平均功率密度、重頻頻率等對燒蝕時間的影響。

1 理論模型

1.1 熱傳導方程

激光燒蝕的熱傳導方程[11]為

式中：ρ為材料密度；為比內焓；→為熱流密度。

固體的熱傳導遵循傅里葉導熱定律，即：

式中k為導熱系數，也叫熱導率。綜合上述兩式可以給出各向同性材料的熱傳導方程為

1.2 邊界條件

在燒蝕條件下，計算模型將涉及兩類邊界條件，即固定邊界條件和移動邊界條件[12]。固定邊界條件可分為Dirichlet 邊界、Neumann 邊界和Robin邊界3 類；移動邊界條件可分為燒蝕邊界條件和相邊界條件。本文主要考慮等溫邊界及熱流邊界。

1.3 金屬材料的反射系數的計算

根據電動力學所描述的電磁波與分層介質的運動方程以及Drude 公式，金屬材料的反射系數可以表示為

式中：c為真空中的光速；λ為入射激光波長；0σ為材料的直流電導率。對于金屬來說，其電導率隨溫度變化的關系為

其中β為溫度系數，取決于材料的性質。圖1給出了鋁、鎂和鈦3 種金屬材料對1.064 μm 波長入射光的反射率隨溫度變化的關系。

圖1 鋁、鎂和鈦反射率隨溫度的變化關系Fig.1 Variation of aluminum, magnesium and titanium’s reflectance with temperature

1.4 SPH 方法

本文采用光滑粒子流體動力學法[13]（Soothed Particle Hydrodynamics，SPH）來編制，其優勢是使得處理材料燒蝕相對簡單，只需刪除相關SPH粒子即可。SPH 法的基本思想是，根據某時刻各粒子的參量，通過核函數插值計算得到下一時刻各粒子的參量，其關鍵是插值計算。

在柱坐標下，相應的熱傳導方程為

2 計算結果和分析

金屬吸收激光的能量，導致輻照面的溫度升高；當激光能量密度足夠大時，則會引起金屬的熔化、氣化，發生燒蝕現象。圖2給出了計算所用金屬材料的尺寸，激光波長取為1.064 μm，圓形光斑半徑為0.564 cm，激光在金屬表面的反射系數采用Drude公式進行計算。計算中主要考慮了連續、重頻和占空比的影響，總計算時間為1 min。

圖2 激光輻照金屬板計算模型Fig.2 Calculation model of metal plate irradiated by laser

2.1 激光對鋁的燒蝕效應

對于重復頻率激光，我們分別考慮平均功率5000 、6000 W，占空比0.045、0.2 和0.4 條件下Nd∶YAG 激光對鋁靶板的燒蝕影響。

對于占空比為0.045、平均功率為5000 W 的Nd∶YAG 激光，共計算25、50、75、100、200、300、400、500 Hz 八種重復頻率的工況，總計算時間為1 min。圖3給出了25、500 Hz 兩種重復頻率情況下發生燒蝕并貫穿鋁靶板時的溫度場，若沒有貫穿則其溫度場為輻照1 min 后的情況。

圖3 平均功率5000 W、占空比0.045 的重頻激光燒蝕 貫穿鋁靶板時的溫度場Fig.3 Temperature field of ablation through the aluminum plate by repeated frequency laser of 5000 W in average with duty ratio of 0.045

2.2 激光對鎂的燒蝕效應

分別考慮平均功率2500、3000 W，占空比0.045、0.2 和0.4 條件下的Nd∶YAG 激光對鎂靶板的燒蝕影響。對于占空比為0.045，平均功率為 2500 W 的Nd∶YAG 激光，同樣進行燒蝕計算模擬。圖4給出了25、500 Hz 兩種重復頻率情況下發生燒蝕并貫穿靶板時的溫度場，若沒有貫穿則其溫度場為輻照1 min 后的情況。

圖4 平均功率2500 W、占空比0.045 的重頻激光燒蝕 貫穿鎂靶板時的溫度場Fig.4 Temperature field of ablation through the magnesium plate by repeated frequency laser of 2500 W in average with duty ratio of 0.045

2.3 激光對鈦的燒蝕效應

分別考慮平均功率1500、2000 W，占空比0.045、0.2 和0.4 條件下的Nd∶YAG 激光對鈦靶板的燒蝕影響。對于占空比為0.045、平均功率為1500 W的Nd∶YAG 激光，進行燒蝕計算模擬。圖5給出了25、500 Hz 兩種情況下發生燒蝕并貫穿靶板時的溫度場，若沒有貫穿則其溫度場為輻照1 min后的情況。

圖5 平均功率1500 W、占空比0.045 的重頻激光燒蝕 鈦靶板時的溫度場Fig.5 Temperature field of ablation on the titanium plate by repeated frequency laser of 1500 W in average with duty ratio of 0.045

3 計算結果分析

3.1 不同頻率對燒蝕時間的影響

分析模擬計算的結果，在平均功率5000 W、占空比為0.045 的激光輻照下，25、50、75、100、200、300、400、500 Hz 激光均燒蝕貫穿了2 cm 厚的鋁靶板，燒蝕貫穿的時間分別為44.60、47.14、48.31、48.85、49.85、50.26、50.36、50.34 s，這說明25 Hz 激光貫穿所需的能量最少。

圖6給出了對占空比為0.045 的激光輻照下，平均功率和頻率不同的激光對鈦的燒蝕時間。

圖6 占空比0.045，不同平均功率輻照下重頻激光對 鈦靶板的燒蝕時間Fig.6 Ablation time of titanium irradiated by repeated frequency laser of various average powers with duty ratio of 0.045

從圖6可以看出，在平均功率一定的條件下，重復頻率較小的激光燒蝕貫穿2 cm 厚的鈦所需時間較少；但當頻率大于200 Hz 時，頻率對激光燒蝕的影響差別不大。

3.2 不同占空比和功率對燒蝕時間的影響

對于鋁，不同占空比對燒蝕貫穿時間的影響如圖7所示：占空比越小，燒蝕貫穿的時間越短，并且頻率越低，相互間的時間差異越大。總的來看，占空比0.045、頻率25 Hz 的重頻激光燒蝕時間最短。由圖7可以得到，在光斑大小不變的條件下，激光功率越大，則激光燒蝕所需的時間越短。

圖7 不同占空比對激光燒蝕貫穿鋁的時間對比Fig.7 Comparison of aluminum ablation time by the repeated frequency laser with various duty ratios

對于鎂，不同占空比對燒蝕貫穿時間的影響如圖8所示。曲線變化態勢和分析結論同鋁的情況。

圖8 不同占空比對激光燒蝕貫穿鎂的時間對比Fig.8 Comparison of magnesium ablation time by the repeated frequency laser with various duty ratios

對于鈦，在平均功率1500 W 的激光輻照下，只有25 Hz 的燒蝕貫穿了2 cm 厚的鈦，其他條件下均未能燒蝕貫穿。當平均功率達到2000 W 時，在不到1 min 的時間里就可以燒蝕貫穿2 cm 厚的鈦，如圖9所示。隨著激光功率的增加，燒蝕所需的時間縮短。

圖9 在平均功率2000 W 下不同占空比對激光燒蝕鈦 的時間對比Fig.9 Comparison of ablation time of titanium by the repeated frequency laser with various duty ratios and of 2000 W in average

4 結論

本文采用SPH 方法編制了用于計算激光燒蝕材料效應的二維計算程序，模擬計算并分析了在不同激光頻率、占空比及平均功率作用下金屬靶的溫度場，得到結論如下：

1）對于同樣材料的金屬靶，當激光光斑和平均功率相同時，重復頻率較低的燒蝕貫穿金屬靶所需時間較少，且占空比越小則燒蝕貫穿時間越短。

2）對于同樣的金屬靶，在光斑大小不變的條件下，隨著激光平均功率的增加，燒蝕貫穿時間縮短。

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