D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.020 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct2000 高能脉冲激光作用下材料表面温度场 崔晓鸣 刘登瀛淮秀兰 中国科学院工程热物理研究所，北京100080 摘要以激光材料处理为背景，通过在高能脉冲激光照射下材料表面温度变化的实验研究， 测量了在这种高能量、短脉冲、温度变化率极大的情况下材料表面的温升速率和温度变化规 律，并且结合实验条件对2种不同的导热模型进行了数值模拟.实验结果显示当激光脉冲宽度 较大时，实验结果和傅立叶导热模型的计算结果很吻合，随着激光脉冲宽度的减小，实验结果 逐渐偏离傅立叶导热模型，而与双曲导热模型比较接近，同时出现了“二次升温”等非常规现象. 关键词激光：表面处理脉冲加热：导热模型：数值模拟 分类号TK311 文献标识码：A 由于激光加热是一种高度非平衡过程，因 Nd-YAG激光加热器 此不能用常规傅立叶导热模型计算其加热过程 中的温度场变化，特别是对于加热热松弛时间 示波器 比较大的材料.在这种情况下，采用双曲导热模 型比傅立叶导热模型更接近于实际过程.目前， 连接电缆 国内外对这种非常规加热的研究主要集中在理 实验件 信号处理器 论研究和数值计算-，而相应的实验研究比较 激光器主 少.本文通过系统的实验研究，得到了高能脉冲 控计算机 激光加热下材料表面温度的变化曲线，并结合 图1实验系统图 实验条件对2种导热模型分别进行了数值模拟， Fig.1 Schematical diagram of experimental apparatus 从而得到了一些比较有价值的结果.这些结果 对于激光表面处理、材料表面温度的测量有较 铂薄膜电阻 为重要的意义， 实验件 连接导线 1实验原理与实验系统 绝热材料 外接电缆 本实验利用波长为1.O6m的Nd-YAG固 体激光器发出的高能激光脉冲为加热源，利用 铂薄膜电阻作为测温元件来测量材料表面温度 图2实验件结构图 场的瞬态变化，利用信号处理器将铂薄膜电阻 Fig.2 Schematical diagram of experimental sensor 由于温度变化引起的电阻变化信号转变为电压 变化信号，然后利用日本DL2700高速示波器记 为了验证此实验系统的可靠性，通过数值 录电压信号的变化.如图1所示.在实验中，激 计算，得到了在激光脉冲热流作用下材料表面 光脉冲直接冲击在由陶瓷制成的实验件表面， 温度变化（傅立叶模型）的计算与实验结果（如 但是避免冲击在铂薄膜电阻之上，通过镀在材 图3所示).实验结果和理论计算结果符合得很 料表面上的铂薄膜电阻测量表面温度在激光脉 好.此外，还利用红外辐射加热方式（加热时间 冲照射下的瞬态变化过程.实验件的结构如图 为25$)获得在秒量级时间尺度内材料表面温 2所示. 度的变化曲线（傅立叶导热），如图4所示.可以 2000-04-07收稿崔晓鸣男，24岁，硕士研究生、 看出，在不同的加热方式和加热时间下，材料表 *国家自然科学基金资助课题(No.59736130) 面温度的变化趋势都符合数值计算结果，这说第 22 卷 第 5期 2 0 0 年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a lOf U n vi e sr iyt o f歇 i e. e e a o d l’ e c h o o】o yg Be ij ni g V bL 2 2 O C L N 0 . 5 20 0 高能脉冲激光作用下材料表面温度场 崔晓鸣 刘登流 淮秀兰 中国科学院工程热物理研究所 , 北京 10 0 0 80 摘 要 以激光 材料 处 理为 背景 , 通过 在 高能脉 冲激 光照射 下 材料 表 面温度 变 化 的实验 研究 , 测量 了在 这种 高能 量 、 短 脉 冲 、 温 度变 化率 极大 的情 况下 材料 表面 的温升速 率和 温 度变 化规 律 , 并 且结合 实验 条件 对 2 种不 同 的导热模 型进 行 了数 值模 拟 . 实验结 果显 示 当激光 脉冲 宽度 较 大 时 , 实验 结果和 傅立 叶导热 模型 的计算 结果很 吻合 , 随 着激光脉 冲 宽度 的减 小 , 实验 结果 逐 渐偏 离傅立 叶导热模 型 , 而与 双 曲导热 模型 比 较接近 , 同时 出现 了 “ 二次升 温 ” 等非 常规现象 . 关键词 激 光 ; 表面 处理 脉 冲加 热 ; 导 热模 型 ; 数 值模拟 分类号 T K 31 1 文献 标 识码 : A 由于 激光 加热是 一 种高度 非平衡过程 , 因 此不 能用 常规傅立叶导热模型计算 其加热过程 中的温度场 变化 , 特 别是对 于加热 热 松弛 时间 比较 大的材料 . 在这种情 况下 , 采用 双 曲导 热模 型 比傅立叶导热模型更接近于实 际过程 . 目前 , 国 内外对这种非常规加热 的研究主 要集中在理 论研 究和 数值计算 【网 , 而 相 应 的实验研 究 比较 少 . 本文通过 系统 的 实验研 究 , 得 到 了 高能 脉冲 激 光加热 下 材料表面温 度 的 变化 曲线 , 并 结合 实验 条件对 2 种导热模型分别进行 了 数值模拟 , 从而得 到了 一些 比较 有价值 的结果 . 这些 结果 对 于激光表 面 处 理 、 材料表 面温度 的测 量有较 为重要 的意义 . N d石Y A G 激光加热器 连接 电缆 信号处理器 激光器主 控计算机 示波器 图 1 实验系统 图 R g . 1 S e b e m a t i c a l d抽 gr a m o f e x ep ir ln e n at l a P P a ar 加s 1 实验原理 与实验系统 本实验利 用 波长 为 1 . 06 林m 的 N d - YA G 固 体 激光器发 出 的高 能 激光脉冲 为加 热 源 , 利用 铂 薄膜 电 阻作 为 测温 元件来测 量材料表面温度 场 的瞬态变化 , 利用 信号 处理器将铂 薄膜 电 阻 由于温度 变化 引起的 电阻 变化信号转变 为电压 变化信 号 , 然 后利用 日本 D L 2 7 0 高速示波器记 录 电压信号 的变化 . 如 图 1 所示 . 在实验 中 , 激 光脉 冲直 接冲击 在 由 陶瓷制 成 的实验 件表面 , 但 是避免冲击 在铂 薄膜 电阻之 上 , 通 过镀在材 料表 面上的铂 薄膜 电阻 测量表面温度在激光脉 冲照 射下 的瞬态变化 过程 . 实验件 的结 构 如 图 2 所 示 . 2 0 0 0 一 04 一 0 7 收稿 崔晓鸣 男 , 24 岁 , 硕 士研 究生 、 * 国家 自然科 学基 金资助 课题 ( N o . 5 9 73 6 13 0) 铂薄膜电阻 实验件 连接 导线 绝热材料 外接 电缆 图 2 实验件结构 图 F 啥 · 2 S e h e m a it c a l d is g ar m o f e x P e ir m e n at l s e n s o r 为了 验证此 实验系 统的可靠性 , 通 过数值 计算 , 得 到 了在激 光脉冲热 流作用下 材 料表面 温度 变化 ( 傅 立叶模 型 ) 的计 算与实验 结果 ( 如 图 3 所示 ) . 实验结果和 理论计算 结果 符合得很 好 . 此外 , 还 利用 红外 辐射加热 方式 ( 加 热时 间 为 2 5 5) 获得 在秒量级 时 间 尺度 内材料 表面温 度 的变化 曲线 ( 傅立叶导热 ) , 如图 4 所示 . 可 以 看 出 , 在不 同 的加热方式和 加热时 间下 , 材料表 面温度 的变化趋 势都符合 数值计算 结果 , 这说 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 05. 020