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1、 第9卷 第3期强激光与粒子束Vol . 9,No. 3 1997年8月H IGH POW ER LA SER AND PART ICL E BEAM SA ug. , 1997 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YA G激光辐照涂层金属材料(30CrM nSi A钢和L F6 M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,对材料的加热效率越明显,重复频率激光对材料的加热
2、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ABSTRACT IR thermal i maging system is used to measure the front and rear surfacetemperature distribution of the coatedmetal(30CrM nSi A steel and L F6 M alloy)irradiated byrepetitive frequency(RF)laser. The characteristicsof temperature increasementw ith laser ir2radi
3、ation ti me are analyzed in this paper.The experi ment results show that the rear surfacetemperature of metal is mainly dependent on laser average power when target thickness ismore than 1. 6mm.The higher the laser pulse frequency is, the higher the efficiency of laserheating metal has. RF laser hea
4、ting material is better than CW laser does .KEY WORDS repetitive frequency laser, coated metal, themal i maging, 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同,重复频率激光辐照材料 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1。 本文研究重复频率激光脉冲 辐照
5、带有涂层的金属材料(30CrM nSi A钢和L F6 M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 的温升可由一维热传导方程描述2 52T5z2-1 5T 5z= 0(1)及边界条件-K5T 5zz= 0=F(t), -K5T 5zz=L= 0(2)式 中,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)P?S=Pa?S国家863激光技
6、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 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.=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
7、的瞬态温度分布可写为T(z,t) =Pat0gusdt(3)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。 激光脉冲作用过程中和脉冲过后的温度分布为3T(z,t) =2F01?2Kt1?2ierfcz2(t)1?2 -(t-tp)1?2ierfcz 2(t-tp)1?2(4)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T(z,t) =2F01?2Kt1?2ierfcz2(t)1?2 +n=
8、1(-1)n(t-tn)1?2ierfcz 2(t-tn)1?2tn=n 2(tp+3) (n= 2, 4, 6,);tn=n+ 1 2tp+n-1 23 (n= 1, 3, 5,)(5)图1给出了典型的重复频率激光辐照硅型片时的加热响应4。 从图中看出:重复频率激光对材料加热的温升存在明显的间歇振荡,并且与激光脉冲的频率、 脉宽和微结构有关。Fig. 1 The themal response of Si plateirradiated by RF laser图1 硅型片对脉冲加热的响应Fig. 2 A three di mensional temperature of coated met
9、alirradiated by RF laser beam for diameter 14mm, power300 W , RF 80Hz, pulse w idth 0. 3m s .图2 激光辐照涂层壳体材料的三维温度场2 实验安排和结果分析激光束由重复频率或连续YA G激光器输出,脉冲宽度和间隔与重复频率有关(80Hz对 应0. 3m s, 10Hz对应2m s)。 用激光功率计监测到达涂层壳体材料上的辐照功率,靶材上的光 斑直径 14mm。 实验样品的涂层工艺为:首先对金属壳体材料表面进行处理,并涂H06- 2?HG2- 605- 84锌黄环氧脂底漆,然后分别再对30CrM nSi A
10、钢壳体(厚度2mm)表面喷浅兰色874强激光与粒子束第9卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.防锈漆, L F6 M铝合金壳体(厚度1. 6mm)表面喷深灰色海防漆。 用红外热像仪测量激光辐照 涂层壳体材料的前后表面温度。 由同步控制器实现重复频率(或连续)激光与红外热像仪的同步触发。 图2给出了在激光辐照涂层壳体材料过程中,用红外热像仪拍摄的前表面热斑三维温 度场图象。 实验使用激光束束径14mm ,功率300 W ,重复频率80Hz,脉宽0. 3m s。Fig. 3 The fron
11、t temperature rise of coated metal irradiatedby the different average power laser图3 不同平均功率激光辐照涂层壳体材料的前表面温升根据在重复频率80Hz条件下,拍摄的 不同平均功率激光辐照涂层壳体材料的红外热 像图,图3给出了相应 涂层壳体表面温度随激 光辐照时间的变化曲 线。 从图中可以看出:在高重复率激光辐照涂层 壳体材料过程中,单个 激光脉冲辐照材料后的 冷却散热影响很小。当 辐照激光功率较低时(如80 W),壳体前表面呈现间歇温升, L F6 M比30CrM nSi A的温升振荡 更明显。 当入射激光功率
12、足够(如300 W)时,前表面温度几乎呈线性增加。图4给出了在相同平均功率激光辐照涂层壳体材料过程中壳体前后表面的温升。 从图中的 曲线可以看出:即使重复频率激光辐照涂层壳体材料前表面出现明显的间歇振荡升温,但对 壳体后表面的温升来说,由于热传导使温升明显降低,前表面的间歇加热对后表面的温升影 响很小。Fig. 4 The front and rear surface temperature of coated metal irradiated by RF laser图4 不同重复频率激光作用下,两种壳体材料前后表面的温升图5给出了在平均功率80W条件下,不同频率激光辐照涂层壳体材料的表面温升
13、随激光辐照时间的变化。 从图中的曲线可以看出:在低重复频率下,激光脉冲辐照靶材产生的前表面 温度随微脉冲结构呈强烈的周期振荡升温。 激光脉冲一来,温度迅速上升,激光脉冲结束后, 由于热量向靶内传导及靶面与环境对流、 辐射换热造成热损失,使得靶面温度快速下降。 随着 激光脉冲重复频率的增加,这种温升振荡特性逐渐减弱,以致用连续激光辐照靶材时,温升 振荡特性就消失了。 脉冲频率越低,激光脉冲对涂层壳体材料的间歇加热效应越明显;连续974第3期袁永华等:重复频率激光辐照涂层金属材料的温升 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All r
14、ights reserved.激光比重复频率激光对材料的加热效率低。 这主要是由于重复频率激光在对壳体材料加热过 程中瞬时功率密度较高造成的。Fig. 5 The front temperatute of coated metal irradiatedby the different frequency laser under low power.average power 80 W , beam diameter 14mm图5 低功率下不同频率激光对涂层壳体材料前表面的加热综上所述,激光重复频率决定 了涂层壳体材料前表面产生的间歇 加热效应的温度分布。 对靶厚大于1. 6mm的样品来说,其后
15、表面的 温升不会出现类似于前表面的明显振荡升温。 壳体后表面的温度将主 要依赖于辐照壳体的平均激光功 率。激光对涂层壳体材料的加热效 率表明:在相同平均功率下,激光脉冲越多,材料加热效率越明显。 重复频率激光对材料的加热明显优 于连续激光,这主要是瞬时激光脉冲功率密度较高造成的。参考文献1 Legner H H et al . A I AA 24th Plasma Dynam ics Laser Conference, O rlando, 19932 Schricmpf J T. AD27850103 (德)M Von奥尔曼著.漆海滨等译.激光束与材料相互作用的物理原理及应用.北京:科学出版社
16、, 19944 M ezines S A and Fived H J.Thermal performance of material exposed to pulsed laser heating. A I AA - 81- 1149THE TEM PERATURE RISE OF COATED M ETAL IRRAD IATEDBY REPETITIVE FREQUENCY YAGLASERYuan Yongha, L iu Changling, W angW eiping, L iu Ziqiang, Ren XiaobinInstitute of F luid Physics,CA EP,P.O.B ox523,Chengdu610003A one- di mensionalmodel is assumed to evaluate the temperature rise of materials irradiated by repeti2tive frequency(RF)l
