·472· 北京科技大学学报 2000年第5期 变化与激光参数及其他外界条件之间的关系. 均能量密度为6.8kJm2,光斑直径为2mm,脉宽 21激光脉冲能量对表面温度的影响 分别为1,2,3,4,5,10,15m 采用激光脉冲宽度为5μs,当激光脉冲功率 12 10 无漏光 密度为3887MWm,激光光斑直径为1mm时， 一有漏光 得到图5中温度曲线1.通过计算，曲线1温升 14 大激光功率 小激光功率 10 8 6 0 40 80120160200 t/us 漏光部分 图6数值计算的结果 -2 0 40 80120160200 Fig.6 Numerical simulation results t/us 从图7可以发现：当t=20s时，由于激光 器的漏光造成了材料表面温度的局部上升：当 图5材料表面温度变化 Fig.5 Temperature profiles of materials surface t=40μs时，激光器开始正式出光，当激光加热 脉冲结束后，材料表面的温度就立即开始下降， 为13.7K.然后激光脉冲功率密度减小到1258 激光脉冲宽度(pd)的大小对材料表面温度变化 MWm时，其他条件不变，得到材料表面的温 有着非常大的影响.当pd=1m时，在激光脉冲 升为3.8K,如图5中的曲线2.详细实验结果如 表1所示.图中画圈部分是由于激光器漏光造 4.0 3.2 表1实验结果 Table 1 Experimental results 功率密 脉冲宽光斑直 温升 温升速 1.6 度/MW·m2度/s 径/mm TK 率Ks 0.8 1 激光脉宽为1 3887 5 1 13.7 2.76×10° 煮光脉宽为2s 3 激光脉宽为3S 1258 3.8 7.6×10 0.0 4激光脉宽为45 0 40 80 120 160 成的温升，计算温升时可以不予考虑.由图中可 t/us 以看出，在激光器加热结束后，材料表面的温度 图7短脉宽情况下表面温度的变化曲线 开始波动，随时间逐渐减小直至消失.此外，根 Fig.7 Temperature profiles of materials surface in short 据傅立叶热扩散模型，分别作了激光器无漏光 pulse duration 和有漏光2种情况下材料表面温升的数值模拟， 加热结束后，材料表面的温度会立即下降：在下 其结果如图6所示. 降过程中，当=48s时，材料表面的温度突然 可以看出，当激光功率密度不同时，将影响 开始波动上升：在t=84s时达到最高点，然后 材料表面温度的上升幅度和温升速率，对其激 温度又开始下降，其中最高点的温度几乎等于 光加热后温度的变化趋势并无很大的影响.同 第一次加热结束时的温度.这与基于傅立叶导 时从图6可以看出，如果基于傅立叶导热模型， 热模型所作的理论计算和数值模拟的结果完全 激光器漏光对材料表面温度的影响只是增加了 不同.当激光加热的脉宽pd为2,3,4μs时，随 材料表面温度上升幅度，对激光器正式出光后 着脉宽的增大，这种升温幅度也逐渐减小.如图 的温度变化并没有影响. 7所示.从图中可以发现明显的规律性：在激光 2.2脉冲宽度对温度曲线的影响 加热结束后材料表面的降温过程中，总有一区 在本实验中，将激光束直接冲击材料表面， 利用薄膜电阻测量材料表面温度的变化，激光 域t=48~84μs材料的表面温度不是常规的降温 器的基本参数平均功率密度为100MWm,平 过程：当脉宽较小时(pdk5s),这个区域的温度 不降反升；随着脉宽的增大，这个区域逐渐消北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 年 第 5 期 变化 与激光参 数及 其他 外界 条件之 间 的关 系 . 2. 1 激光脉冲能量对表面温度 的影响 采用激 光脉冲 宽度为 5 娜 , 当激光脉冲功率 密度 为 3 8 8 7 M W /m Z , 激光光斑直径 为 1 ~ 时 , 得 到 图 5 中温 度 曲线 1 . 通 过计算 , 曲线 1 温升 均能量密度为 .6 s k J /m Z , 光斑直径 为 Z r n r 。 , 脉 宽 分别 为 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 10 , 15 阿 . 12 } _ { — 无漏 光 一 有漏光 · · … 大激光功率 — 小激光功率 漏光 部分 4 0 80 120 1 60 2 X() 一… 1 1代阮一 42 o 一 U 0 ù 46 山八,U 一11 Z 出卜卜 t/娜 图 5 材料表面 温度变化 F i.g 5 eT m P e r a tU er P or 川. o f m a et iar is s u市 e e 为 13 . 7 K . 然 后 激 光脉冲功 率密度减 小到 1 2 5 8 M W /m Z 时 , 其 他条件 不变 , 得到 材料 表面 的温 升为 .3 8 K , 如 图 5 中的 曲线 2 . 详细 实验结果 如 表 1 所示 . 图中画 圈部分 是 由于激 光器漏光造 表 1 实验 结果 aT b l e 1 E x ep ir ln e n 加 1 esr u lst 功率密 脉冲宽 光斑直 温升 温升速 度 /WM · m 一 , 度 /娜 径 m/ T爪 率服 · s 一 , 3 8 8 7 5 1 1 3 . 7 2 . 7 6 x l 少 1 2 5 8 5 1 3 . 8 7 . 6 x l护 成 的温升 , 计算温升 时可 以不予考虑 . 由 图中可 以看 出 , 在激光器加热结束后 , 材料表面的 温度 开始波动 , 随时 间逐渐减 小直 至消失 . 此 外 , 根 据 傅立 叶热 扩散模型 , 分别 作 了激光器无 漏 光 和 有漏光 2 种情况下 材料 表面温升 的数值模拟 , 其结 果 如图 6 所示 . 可 以看 出 , 当 激光功率密度不 同 时 , 将影响 材料表 面温度 的上 升幅度和 温 升速率 , 对其激 光加 热 后 温度 的变 化趋势 并无 很大 的影响 . 同 时从 图 6 可 以看出 , 如果基于傅立 叶导热模 型 , 激光器漏光对材料表面温度 的影响只是增 加了 材料表 面温度上 升幅度 , 对激光器 正 式 出光后 的温度 变化并没有 影 响 . 2 .2 脉冲宽度对温度 曲线 的影响 在本 实验 中 , 将激 光束直接冲击材料表面 , 利用 薄膜 电阻测量 材料表 面温度 的变化 . 激光 器 的基本参数平 均功率 密度为 10 0 M W /m Z , 平 0 卜一 J : … } 0 4 0 80 1 20 160 2 0 0 t/ 哪 图 6 数值计算的结果 F啥 . 6 N u m e ir ca l s恤 u la iot n esr u lst 从 图 7 可 以发现 : 当 =t 20 娜 时 , 由 于激 光 器 的漏 光造 成了 材料表 面温度 的局 部上升 ; 当 =t 40 娜 时 , 激光 器开始正 式出 光 , 当激光 加热 脉冲结束后 , 材料表面 的温度就立 即开始下 降 . 激光 脉冲 宽度你心)的大小对材料 表面温度 变化 有着非 常大 的影响 . 当 dP = l p n l 时 , 在激光脉冲 一 、 碱》 、 . 、 之 !乏逻之 1 激光脉宽为 1 娜 2 激光脉 宽为 2 娜 3 激光脉 宽为 3 娜 4 激光脉宽为 4 娜 0 4 0 8 0 120 1 6 0 lt 畔 图 7 短脉宽情况下表面温度的变化 曲线 F啥.7 eT m eP ar tU 代 p or ifl es of m at e iar h su r fa ce in sb o rt P u 映 d u ar iot n 加 热结束后 , 材料表面 的温度会立即 下 降 ; 在下 降过 程 中 , 当 =t 48 娜 时 , 材料表 面的温度 突然 开始 波动上升 ; 在 =t 84 娜 时达到最 高点 , 然后 温度 又开始 下 降 , 其 中最高 点的温度几 乎等于 第 一次加热 结束时 的温 度 . 这 与基于 傅立叶导 热模 型所作 的理 论计算和数值模拟的结果完全 不 同 . 当激 光加热 的脉 宽 p d 为 2 , 3 , 4 娜 时 , 随 着 脉宽的增 大 , 这种 升温 幅度也逐渐减 小 . 如 图 7 所 示 . 从 图中可 以发现 明显 的规 律性 : 在激光 加 热结 束 后 材料表面 的 降温 过程 中 , 总 有一 区 域 =t 48 一 84 娜材 料的表面温度不是 常规 的 降温 过程 ; 当脉 宽较 小时 ( p d< 5 娜) , 这个 区域 的温度 不 降反升 ; 随着 脉宽 的增 大 , 这个 区 域逐渐消