304不銹鋼材料激光吸收率的研究

張爭艷 張慧慧 喬國朝 張建華

摘要 材料對激光的吸收率對激光的加工效果有著決定性的影響，然而目前關于激光吸收率理論建模的研究還比較缺乏。基于菲涅爾公式，推導304不銹鋼對激光吸收率的理論模型。利用原位法測量304不銹鋼對激光的吸收率，通過回歸分析確定了模型中待定的吸收率系數，從而確定了304不銹鋼對激光吸收率的理論模型，進而分析了表面涂石墨、表面粗糙度對吸收率的影響，結果顯示涂石墨和粗糙表面都能夠提高304不銹鋼的吸收率，但在高溫時粗糙度對吸收率的影響更顯著。

關 鍵 詞 激光加工;不銹鋼;吸收率;原位法;理論模型

中圖分類號 TG485? ? ?文獻標志碼 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

激光由于具有光譜分辨率高、空間和時間相干性好、高頻脈沖或連續可調、能量密度高等優點，已廣泛應用在航空航天、機械、冶金、造船、醫療等領域。激光加工為非接觸熱加工，能夠無視材料的力學性能實現高效、精密的切割、打孔、焊接、表面熔覆等多種加工目的。它是解決高強度、高硬度、高脆性等難加工材料和實現微小型元件精密加工[1]的有效途徑。

在激光加工過程中，當激光照射到金屬材料表面時，一部分能量被反射，一部分能量被材料吸收。被吸收的光能與材料表面相互作用轉化為熱能，在局部區域產生上萬度的高溫，使材料瞬時熔化和氣化產生材料去除。從激光的加工原理可以看出，材料對光能的吸收能力是決定激光加工效果的決定性因素，而吸收率是表征材料對激光吸收能力大小的重要參數[2]，吸收率的值越高，材料對激光能量的利用率就越高。

目前，關于材料對激光吸收率的研究多采用數值模擬和實驗測量的方法研究，理論研究很少[3-4]。如陳君等[5]通過數值模擬改進了金屬材料激光吸收率的計算模型，從自由電子、束縛電子、模型修正3部分分析了材料對激光的吸收。Duley[6]采用模型和半經驗法相結合的方法研究材料的吸收率，但操作過程較為復雜、可行性差。藺秀川等[7]利用集總參數法測量材料對激光的吸收率，但該方法只有當固體內部的導熱熱阻與固體表面的換熱熱阻之比小于0.1時才適用，使用范圍有限。鄒德寧等[8]用數值計算技術和試錯法確定金屬材料表面對激光的吸收率，該方法需要逐個試驗一系列參數以確定材料對激光的吸收率，計算過程麻煩，結果具有很大的隨機性。黃延祿等[9]用原位法測量金屬材料對激光的吸收率。304不銹鋼作為奧氏體不銹鋼的一種，具有耐蝕性強、無磁性、較高的韌性和塑性等特點，廣泛應用于多個領域。董方等[10]測試了700～1 400 ℃時304不銹鋼的高溫強度及塑性隨溫度的變化規律。馬壯等[11] 選用不同涂層對304不銹鋼板材激光沖擊處理，在激光沖擊過程中，黑漆涂層、鋁箔涂層和硅酸乙脂黑漆涂層都能有效提高激光沖擊試樣。

眾所周知，材料對激光的吸收率與激光的波長、光源能量分布、材料溫度、表面粗糙程度、表面涂層等諸多因素有關[12]。本文對304不銹鋼材料激光吸收率的理論模型進行了推導，通過實驗確定了模型中的待定系數，并進一步分析了表面涂層、表面粗糙度對材料吸收率的影響規律。

1 理論模型

當激光照射在材料表面時，會發生反射、散射、透射、吸收等物理現象，其中被材料吸收的光能轉化成熱能，使入射部位局部溫度急劇升高，從而產生熔化、氣化造成材料去除。激光入射過程中其能量轉化遵循能量守恒法則，即

2 實驗

本次試驗選用304不銹鋼，其成分含量和性能參數分別見表1、表2。試件尺寸為50 mm×50 mm×1.7 mm，激光照射點為50 mm×50 mm平面的中心，入射角為0°。試驗選用的激光器為CO2氣體激光器，激光波長為10.6 μm，功率為240 W，輔助氣體為氧氣，氣體壓力為0.23 MPa，噴嘴直徑為1 mm，噴嘴距離工件上表面1.5 mm，保證激光焦點落在工件表面。采用線徑為0.1 mm的標準K型熱電偶作為測溫元件，用AUMANYU八通道溫度數據采集卡采集數據，采樣速率為200 ms。實驗所用機床如圖1所示。

本次試驗的試驗方案如表3所示。

試驗流程如下：按表3的表面狀態處理試件，在試件背后貼好標簽，以免混淆。用膠帶將2個K型熱電偶分別貼在圖2所示的1、2位置。激光照射在3處，用溫度采集卡記錄降到室溫前的溫度變化。每組實驗重復3次，取其平均值做為該點的最終結果。未處理的不銹鋼材料經激光定點照射后的表面狀態如圖3所示。

整理通過K型熱電偶采集的溫度，如表4所示，溫度1表示未處理表面測得的溫度變化;溫度2表示涂碳素墨汁表面測得的溫度變化;溫度3表示用400#砂紙打磨5 min后的表面測得的溫度變化。

3 分析與討論

從圖5可以看出，涂碳表面的吸收率高于未經處理表面的吸收率，主要原因是材料對激光的吸收率跟材料的物理特性有關，在304不銹鋼表面涂碳相當于改變了材料的物理特性，進而改變吸收率。從實驗結果可以看出，碳素石墨對激光的吸收率高于不銹鋼對激光的吸收率。因此，在材料表面涂碳素石墨可以提高材料對激光的吸收率，但是，隨著加工時間的增加，激光會直接作用在不銹鋼材料上，表層涂的石墨對吸收率的影響也越來越小。比較打磨前后兩次的實驗結果，發現打磨后的表面吸收率始終高于原始表面的吸收率，隨著溫度的升高，其影響越明顯，這主要是因為，砂紙打磨后表面變得粗糙，降低了材料表面對激光的反射，雖然因為非均勻的顆粒結構會對光電磁場產生影響，造成光路偏移，散射掉一部分能量，但另一方面，溫度升高后，金屬氧化起到涂層的作用，材料的物理特性也發生變化，提高吸收率。

4 結論

基于菲涅耳公式建立了材料對激光的吸收率模型，通過實驗測量了不同表面狀態下材料的溫度變化和吸收率，對實驗結果進行線性回歸分析，確定了304不銹鋼對激光的吸收率數學模型。進一步分析了表面涂碳、打磨等不同表面狀態對激光吸收率的影響。通過以上研究所得結論如下。

1）吸收率與激光波長、溫度之間存在近似線性關系，對304不銹鋼來說三者之間的量化函數關系滿足式（8）。

2）表面涂石墨后會提高304不銹鋼對激光的吸收率，但是，隨著溫度的升高，其對吸收率的影響越小。

3）表面粗糙度對304不銹鋼的吸收率影響很大，且溫度越高其對材料吸收率的影響越顯著。

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