目次

1引言1

1.1研究背景与意义··1

1.2国内外相关研究进展2

2激光与物质相互作用的温度场分析5

2.1概述··5

2.2材料的热物理性质··6

2.3激光与物质相互作用的基本理论··7

2.3.1激光与材料作用的一般规律·8

2.3.2物质对激光的吸收和反射机理·8

2.3.3激光能量向固体金属的传输10

2.3.4激光与材料相互作用引起的物态变化··11

2.3.5能量变化过程12

3不同能量毫秒激光与铝相互作用的温度计算·13

3.1激光与金属相互作用中的能量平衡·13

3.2前期的物理模型假设·14

3.3新物理模型的建立·15

3.4激光致金属熔融过程中激光强度与温度的解析算法·16

3.5解析计算结果与分析·21

4.总结与展望··26

4.1总结·26

4.2展望·27

致谢··28

参考文献··29

1  引言 1.1  研究背景与意义 激光是 20  世纪最伟大的、最实用的发明之一，是与热核技术、半导体、电子计算机和航天技术相媲美的一个举世瞩目的重大科技成就[1]。从1960  年5月人类获得第一束激光到现在，50 多年过去了，激光技术已逐渐渗透到科研、国防、工农业生产以及人们生活的各个方面。激光加工技术在材料加工领域，以其独特的优越性，成为未来制造业的重要加工手段。 2010 年激光器发明 50 周年之际，《自然》杂志曾评论： “激光的发明是相当惊人的突破，它已经成为人类生活中不可或缺的一部分。 ”激光是一种高亮度的定向能电磁波，具有单色性好、方向性好及相干性好等特点。目前激光器广泛应用于信息获取和传播、医学诊断和治疗、工业和军事技术等多个领域，可见掌握激光技术便是把握住了科技进步和经济发展的关键命脉。激光应用的一个重要基础是激光与材料的相互作用过程，该过程将引起材料温度升高并可能会出现熔融、气化甚至形成等离子体等现象，正是这些物理现象以及激光自身的特点使得激光可应用于医疗、军事和工业加工等方面。 在军事上，激光武器是一种日趋成熟的定向能武器，具有反应迅速、不受外界电磁干扰、转移火力快和作战效费比高等特点。在工业加工方面，与传统加工方式相比，激光具有高能、易操作、高柔性、高效率和节能环保等优点，目前已经形成激光焊接、打孔、切割、熔覆、快速原型制造、金属零件直接成形、刻槽、打标和掺杂等多种应用工艺[2]。 由此可见，毫秒激光正逐渐成为军事和工业加工上的中坚力量，对其破坏机理或寻求最佳加工参数的研究，可以归结为毫秒激光和金属材料相互作用过程研究[3]。早期最受关注的是高功率的连续激光和高功率密度的调 Q 纳秒或更短脉宽的激光，其中纳秒激光和秒之间相差 9 个数量级。近年来，俄罗斯科学院、美国 Lawrence Livermore 实验室、英国曼彻斯特大学、法国 LALP 实验室、我国的国防科技大学、南京理工大学、四川大学、大连理工大学和长春理工大学等多家单位针对毫秒激光和金属材料相互作用过程开展了一些理论和实验研究，但理论研究仍然滞后于应用，因此有必要对相关过程进行解析、数值和实验研究。
1.2  国内外相关研究进展 随着激光技术的不断发展，激光与材料的相互作用过程及机理研究一直是激光应用研究工作者所关注的基础理论问题。随着试验条件、计算机技术的发展，激光与材料相互作用理论取得的一定研究进展，技术研究工作基本紧跟国外技术前沿的步伐，其中激光与气态、固态物质相互作用机理研究领域起步较早，至今已有较大的进展。由于激光束与物质的相互作用研究的进一步发展，以及激光器的输出功率的提高并变成了商品，使激光器走出了实验室变成了工业中加工材料的设备。通过数值模拟进行温度场分析，不仅可以用于激光热处理规律的进一步研究，还可以用于激光热处理的实验预测，获得最佳的热处理结果，达到节约实验费用的目的。源]自{优尔·~论\文}网·www.youerw.com/ 此外，模拟的结果为激光加工及激光超声产生的研究提供了理论基础[4]。 激光与材料相互作用的复杂性和影响因素多样性，使温度场模型在热传导定律下保持一致，但由于各自不同的“历史”条件和“环境”条件，使模拟结果有很大差异。研究者们对于激光与材料相互作用的温度场各影响因素处理方式不尽相同，各种研究结果都有其合理的一面，每一种特定条件下的温度场都应具体问题具体分析。