連續激光對鋼殼體熱力損傷效應分析

劉 揚,湯 偉,邵俊峰,劉立生

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 激光與物質相互作用國家重點實驗室,吉林 長春 130033)

1 引 言

隨著高能量、高功率激光技術的發展,激光誘導的熱力學問逐漸成為激光與物質相互作用領域的研究重點。激光輻照效應是激光加工與制造為背景的工藝力學,以武器工程為背景的激光破壞效應及激光加固防護領域的共性基礎科學問題。強激光的毀傷作用主要表現為對固體材料的熱學效應和氣化燒蝕引起的力學效應,在強激光輻照下易誘導效應物材料性狀發生變化,使之產生溫升、膨脹、熔融、汽化、飛散、擊穿和層裂等損傷現象。不同功率密度的激光輻照效應物會引起不同的熱致效應,以及熱應力與熱沖擊等靜、動力學效應。一般來說,較低功率密度的激光會造成效應物局部溫升、熱應力乃至熔融等熱-力耦合效應；在中等功率密度的激光輻照下,靶材以熔融、燒蝕、氣化等相變及其誘導的力學效應為主；高功率激光則會誘導效應物生成等離子體并引起高幅值沖擊波,此時輻照主要表現為沖擊效應,對于各向異性的非金屬效應物則易發生層間開裂、淺表剝離、錐狀穿孔形式的動力學破壞[1-5]。

國內外研究者對強激光燒蝕金屬、合金等材料的輻照效應進行了大量模擬及實驗,較為系統地開展了板式結構的輻照機理研究:Xiang-Yu Z等研究了YSZ全陶瓷涂層加固鈦合金薄板在976 nm連續波激光輻照下的熱力響應,發現其能提高基材的抗激光損傷能力[6]。黃晨光等[7-8]基于相似分析法,采用了方程分析法建立了激光輻照下沖壓管相似模型,并通過仿真驗證了該相似準則。Boley[9]等通過激光輻照薄鋁板實驗發現,氣流會增強激光與靶材相互作用效果,氣流在前、后表面之間引起的壓差導致靶材鼓脹損傷。Horak[10]等使用非接觸式測量方法對1.07μm激光輻照鋼板的熱力學過程進行了實驗研究,擬合得到燒蝕穿孔時間與光斑半徑曲線關系。王秋實[11]對脈沖復合體制激光進行了研究,發現長短脈沖復合激光在效應物表面上光斑的平均功率密度約為兩者的算術疊加,效應物熔融情況強于僅長脈沖激光。肖婧[12]采用有限元分析對連續-脈沖復合體制激光輻照鋁板的熱特性及應力場分布進行了仿真研究,根據仿真結果復合激光能顯著增大熔池的尺寸,并提高作用處中心點的溫度；使用連續激光進行“預熱”時間越長,材料的屈服時間越短,塑性變形以及屈服范圍越大。還有一些研究者[13-14]對流場環境及復合材料板材強激光損傷開展了實驗研究,并取得了大量原始實驗數據。通過對上述文獻的分析可知當前激光輻照金屬效應物實驗多使用低功率光源,高功率光源研究多采用仿真的方法；效應物多為板材,對全尺寸模型和非“板式”材料的損傷研究較少。因此本文著重關注鋼制殼體材料在強激光下熱力損傷過程,結合實驗及多場耦合仿真對損傷歷程展開研究。

2 熱力等效模型建立

2.1 力學模型

在研究效應物在激光輻照下的破壞模式和損傷規律時,由于原型結構實驗耗時長,花費大,只能用少量實驗做定性實驗,定量研究需要依靠等效縮比實驗完成。通過建立等效模型能快速明確模擬實驗參數,在保證準確性的前提下降低實驗成本和風險。根據相似理論等效縮比應滿足以下條件[15-17]:

(1)原型與等效模型的材料相同。

(2)原型與等效模型內外應力條件相等,相同壓力下有:

(1)

其中,D為直徑;δ為壁厚;角標0表示原型;1表示等效模型。

(3)熱在材料厚度δ內傳播的相對距離相等:

(2)

其中,κ為熱擴散率；t為輻照時間。

(3)

(4)輻照周期t內,材料單位厚度材料吸收的激光能量密度應相等:

(4)

其中,a為吸收率；qinc為入射激光功率密度。

(5)

(5)樣品長度L應使得兩端邊界條件對光斑區的影響可以忽略:

(6)

(6)光斑直徑對應的樣品中心角應相等:

(7)

以保證縮放后的模型力學特性相同。

2.2 傳熱學模型

采用熱力解耦的熱彈性模型表征激光輻照下材料傳熱問題,在求解溫度場時,使用準靜態假設。認為激光能量主要被靶材表面吸收,考慮靶材內部的熱傳導方程,將靶材表面對激光的吸收作為表面熱源?；谝陨霞僭O,激光輻照下靶材熱響應控制方程和定解條件如下:

邊界條件:

(8)

(9)

設原型變量y為y1,縮比模型變量y為y2,相似倍數為cy,則:

cyy1=y2

(10)

式熱傳導方程進行相似變換得:

(11)

式中,ρ為靶材的密度;Cp為比熱容;k為熱傳導系數;h為表面傳熱系數;T為溫度場;n為激光入射平面法向坐標;I為入射激光功率密度;Σ1為激光輻照面;Σ2為非激光輻照面。

有相似指標式:

(12)

對式(8)進行相似變換:

(13)

有相似指標式:

(14)

對高斯分布熱源功率密度模型進行相似變換:

(15)

式中,P為激光功率;R0為激光光斑半徑。

結合式(14)得:

cP=cTcL

(16)

由于重點考慮殼體的熱響應,故設溫度場相似系數為1。激光輻照殼體熱響應的尺度率如表1所示,可知通過改變激光功率、光斑尺寸、效應物尺寸厚度和響應時間等參數來獲得超出現有實驗條件的原型殼體實驗數據。

表1 激光輻照下靶材熱響應的尺度率

3 鋼殼體損傷效應分析

3.1 仿真模型建立

選擇1080 nm Nd-YAG光纖激光器作為光源。Nd-YAG激光器具有良好的光束質量,且高功率激光器的成本較低。此外,金屬材料對該波段具有較高的吸收率。由于激光燒蝕機理的復雜性,對激光燒蝕模型的研究仍然不足,盡管一些FEA軟件采用了變形網格方法或生死單元法,但是它們的方法只能模擬表面現象,與實際材料去除速率無關。因此,本文中的仿真模型不考慮材料去除,使用COMSOL Multiphysics對模型進行瞬態仿真,激光加載時間為300 s。根據表1建立圓柱體模型,使用對稱邊界建立1/4圓柱體模型,激光直接照射在圓柱體的前表面,功率密度分布如圖1所示(以2.4 kW為例,其他功率密度的分布相似),邊界條件如表2所示。

表2 邊界條件

圖1 入射激光功率密度分布示意圖

3.2 輻照面積對溫度場的影響

15 mm厚圓柱形殼體在不同功率密度激光作用下的熱響應如圖2所示,在到靶功率1.5 kW、2.0 kW、2.4 kW和2.8 kW,對光斑直徑10 mm的邊界條件下連續激光輻照下300 s內的溫度場變化進行分析,激光入射前表面中心溫度和對應內壁中心溫度隨時間的變化曲線,如圖3所示。

圖2 2.4 kW,10 mm激光入射15 mm殼體溫度云圖

對光斑直徑20 mm連續激光輻照300 s模型進行分析,激光入射前表面中心溫度和對應內壁中心溫度隨時間的變化曲線如圖4所示。

可見在到靶功率不大于2.8 kW,光斑直徑20 mm激光作用下,殼體前表面溫度在300 s內未超過3250 K,無法實現氣相燒蝕,在1.5 kW到2.8 kW功率作用下,前表面溫度可超過1720 K,可在殼體表面形成一定深度的熔融燒蝕；殼體后表面溫度未超過1720 K,無法燒穿殼體。對比溫度場可知,在激光功率大于2.8 kW,光斑直徑小于10 mm情況下,可熔穿15 mm厚鐵質殼體,熔穿時間為272.2 s,熔穿機制為殼體熔穿,并在汽化反沖壓的作用下形成通孔。

3.3 殼體厚度對溫度場的影響

在到靶功率2.8 kW工況下對7、9、13 mm厚的殼體進行計算,光斑直徑10 mm,連續激光輻照300 s,監測激光入射前表面中心溫度和對應內壁中心溫度隨時間的變化曲線如圖5所示。

可見在到靶功率2.8 kW,光斑直徑10 mm激光作用下,殼體前表面溫度迅速升溫到3250 K以上,7 mm、9 mm和13 mm厚殼體分別在1.6 s、1.8 s和2.2 s發生汽化燒蝕,后表面中心溫度在11.8 s、28.2 s和131.2 s超過1720 K,可熔穿殼體,熔穿機制為殼體熔化,并在汽化反沖壓的作用下形成通孔,其中7 mm殼體在37.7 s溫度超過3250 K,可能存在汽化燒穿。

光斑直徑20 mm時監測激光入射前表面中心溫度和對應內壁中心溫度隨時間的變化曲線如圖6所示?？梢娫诘桨泄β?.8 kW,光斑直徑20 mm激光作用下,7 mm、9 mm和13 mm厚殼體前表面溫度在300 s內未超過3250 K,未發生汽化燒蝕,分別在4.2 s、4.5 s和4.7 s超過1720 K并發生熔化燒蝕,后表面中心溫度在23.5、50.2和195.8 s超過1720 K,這意味著殼體燒穿,燒穿機制為熱熔化導致殼體形成通孔。通過對不同厚度殼體在到靶功率2.8 kW連續激光作用下的溫度場仿真分析可知,光斑直徑10 mm時,厚度13 mm以下殼體前表面在2.2 s以內迅速發生汽化相變,并能在131.2 s以內燒穿殼體,燒穿機制為汽化燒穿；光斑直徑20 mm時,厚度13 mm以下殼體不能發生汽化燒蝕,在195.8 s以內后表面發生熔化,燒穿機制為熱熔化導致殼體形成通孔。

3.4 實驗分析

建立實驗平臺以驗證模擬結果,實驗使用的激光為1080 nm Nd-YGA光纖激光器,最大輸出功率為3.5 kW,光束質量M2≤1.8。分別使用2 kW和2.4 kW功率進行實驗,激光光斑直徑分別為15 mm和20 mm。由熱像儀記錄的殼體內表面的溫度變化如圖7所示,可見實驗和數值模擬曲線吻合較好。對激光功率2.8 kW,光斑直徑10 mm的殼體進行實驗,并通過帶有衰減片的高速攝像機記錄了測試過程。殼體吸收激光能量后引起內部熱傳導,導致內部出現溫度梯度,當溫度到達熔點時,能量繼續累積達到熔化潛熱后發生熔化,這就導致了溫升曲線中出現短暫的“平緩”段,溫度繼續升高直到達到熱平衡時趨于穩定。在強激光輻照下,殼體中形成了由于激光熔化、汽化引起的質量遷移,和由激光維持的燃燒波與爆轟波,其致使殼體內部產生極高的燒蝕壓力和溫度,熔融狀態的金屬燒蝕物產生劇烈的噴濺現象；燒蝕開始時前表面直接作用區由于持續溫升形成小熔池,隨著實驗時間增加熔池中心開始出現針孔狀“穿孔”,在殼體被貫穿前,前表面熔池穿孔迅速增大,此時后表面出現塌陷(圖8),隨著激光繼續加載殼體被貫穿。

圖7 9 mm和13 mm殼體仿真及實驗溫升曲線對比

圖8 前表面及后表面損傷現象

前表面在30 s內開始熔化,熔化區域不斷擴大,在125 s處在背面形成熔池。整個圓柱體在大約250 s內貫穿,可見殼體的損傷歷程與前文的仿真分析基本一致。實驗數據與模擬數據之間的偏差主要來自兩方面,首先是當量比例模型本身對邊界條件的選擇性省略,其次是實驗過程中的不確定性。根據實驗結果可知,與仿真燒穿過程相似,在加載過程中熔穿和氣化同時存在,光斑中心點的氣化引起了針狀穿孔和后表面的塌陷。

4 結 論

本文對圓柱形鋼殼體進行了強激光燒蝕實驗研究,根據實驗結果可知千瓦級高功率連續激光對鋼殼體的融穿主要表現為融化氣化共同作用。根據試件的實驗結果得出如下結論:(1)在小光斑尺寸(10 mm)高功率密度的輻照條件下,鋼殼體破壞機制以殼體熔穿為主,且融穿過程伴隨著汽化反沖壓作用形成的通孔。在大光斑尺寸(20 mm)的輻照條件下,鋼殼體的燒穿機制為熱熔化導致殼體形成通孔。(2)高功率連續激光對鋼殼體燒蝕作用主要表現為熔化、汽化；燒蝕過程中產生了激光維持的燃燒波與爆轟波,且伴隨著燒蝕出現了明顯的熔融金屬噴濺現象。