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《重复频率激光辐照涂层金属材料的温升》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、第9卷 第3期强激光与粒子束Vol.9,No.31997年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,1997X重复频率激光辐照涂层金属材料的温升袁永华 刘常龄 王伟平 刘自强 任小彬(中国工程物理研究院流体物理研究所强辐射实验室,成都523信箱,610003) 摘 要 测量了重复频率YAG激光辐照涂层金属材料(30CrMnSiA钢和LF6M铝金壳体)的前后表面温度,分析了不同频率激光辐照涂层壳体材料的温升特性。实验结果表明:在相同平均功率的条件下,激光脉冲频率越高,对材
2、料的加热效率越明显,重复频率激光对材料的加热优于连续激光。 关键词 重复频率激光 涂层金属材料 热成像 温升ABSTRACTIRthermalimagingsystemisusedtomeasurethefrontandrearsurfacetemperaturedistributionofthecoatedmetal(30CrMnSiAsteelandLF6Malloy)irradiatedbyrepetitivefrequency(RF)laser.Thecharacteristicsoftemp
3、eratureincreasementwithlaserir2radiationtimeareanalyzedinthispaper.Theexperimentresultsshowthattherearsurfacetemperatureofmetalismainlydependentonlaseraveragepowerwhentargetthicknessismorethan1.6mm.Thehigherthelaserpulsefrequencyis,thehighertheefficiency
4、oflaserheatingmetalhas.RFlaserheatingmaterialisbetterthanCWlaserdoes.KEYWORDSrepetitivefrequencylaser,coatedmetal,themalimaging,temperaturerise. 激光辐照在材料上,表面薄层(趋肤深度)吸收激光能量,温度很快上升。其热耦合效应不仅与激光波长、脉宽、光束质量和材料表面特性有关,而且还与激光脉冲的结构有关。重复频率激光辐照金属材料,其机理与单脉冲或连续激光作用有所不
5、同,重复频率激光辐照材料[1]过程中,材料吸收入射激光能量呈现间歇式的积累加热效应。本文研究重复频率激光脉冲辐照带有涂层的金属材料(30CrMnSiA钢和LF6M铝合金壳体)产生的温升,以及不同频率激光辐照涂层金属材料的热耦合特性。1 重复频率激光对材料加热的一维模型 设激光沿z轴方向入射,z=0为激光辐照面,材料厚度为L,材料吸收的功率密度为F(t),材料对激光的吸收作面处理。不考虑相变发生后的影响,材料吸收入射激光能量产生[2]的温升可由一维热传导方程描述25T15T2-=0(1)5zJ5z及边界
6、条件5T5T-Kûz=0=F(t),-Kûz=L=0(2)5z5z式中J,K分别是材料的热扩散系数和热导率。有效吸收功率密度为F(t)=(1-R)PöS=PaöSX国家863激光技术领域资助课题。1997年4月10日收到原稿,1997年7月6日收到修改稿。袁永华,男,1955年1月出生,高级工程师©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.478强激光与粒子束第9卷=F0,其中P和Pa分别是入射激光功率和材料有效吸收的激光
7、功率,S为激光辐照材料的光斑面积;R为材料表面对入射激光的反射系数,与涂层材料的特性有关。涂层材料为一薄层,在激光辐照数秒的过程中,其对温升的影响可以忽略。 引进Green函数g,它给出了单位能量的“瞬时”热源产生的温度分布,对于一个给定有效吸收功率Pa的连续热源的瞬态温度分布可写为tT(z,t)=P∫agusdt′(3)0其中,gus为均匀表面源的Green函数。如果把激光脉冲辐照材料后冷却过程也考虑进去,将(3)式中的积分在脉冲周期以外展开。如考虑均匀表面源,其矩形脉宽为tp。激光脉冲作用过[3]
8、程中和脉冲过后的温度分布为1ö22F0J1ö2z1ö2zT(z,t)={tierfc[1ö2]-(t-tp)ierfc[1ö2]}(4)K2(Jt)2J(t-tp) 现在考虑重复频率激光为一系列矩形脉冲,脉宽为tp,脉冲间隔为$T,根据方程(4),可以写出重复频率激光脉冲辐照金属材料的温度分布满足1ö2∞2F0J1ö2zn1ö2zT(z,t)={tierfc[1ö2]+∑(-1)(t-tn)ierfc[1ö2]}K2(Jt)n=12J(t
