用数值计算技术和试错法确定金属材料表面对激光的吸收率
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万方数据
激光功率条件１ｉ ＤＬ３ｌ合金试样在激光定点照射过程中 温度随时间的变化曲线（图１），反映出在同一激光功率条 件下，所ｉ哪试样温度曲线良好的再现性
Ｍｅａｓｕｒｅｄ㈣ｓ 圈１ ｆ同激光功率时删佴ｌＷ组试样的定点温度曲线
Ｆｉｇ．１
ｏｆ ｔｃｍｐｅｒａｔｕｒｅ＂ｓ ｔｉｍｅ ｉｎ ｔｗｏ
源自文库
ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｄ１，ｄ２，ｄ３（５００ Ｗ】ａｎｄ ｇｌ，９２，
用数控线切割机臼Ｊ割和砂纸打磨试样．以找出试样上 热电偶测温点及光源照射点的准确ｆ｛）＝咒
汁钾：所坩试佯的几何尺·ｒ如图２所示（以低功率组 ｄｌ及高Ｊ－ＪＪ率组９２酞样为例．萁它试样与之相似）图２ 以激光照射点０为坐标原点建立三维坐标系．Ｙ方向长 度以０点为对称点取试样实际尺寸的‘半，计苒区域尺 寸为３１ ｍｉｌｌｘｌ４．５ ｍｍＸｌ ２ ＩＴｉＩｎ，在ｚ，Ｙ，ｚ方向上均匀 剖分『刈格数为６２ｘ３２×３０，恨据试样实测位旨．ｄｌ的光
ＤＥＴＥＲＭＩＮＡＴＩｏＮ ｏＦ ＬＡＳＥＲ ＡＢＳｏＲＰＴＩＶＩＴＹ ｏＦ ＭＥＴＡＬ ＢＹ ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ ＣＡＬＣＵＬＡＴＩｏＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＡＮＤ ＴＲＩＡＬ～ＡＮＤ—ＥＲＲｏＲ ＭＥＴＨｏＤ
ＺＯＵ Ｄｅｎｉｎｇ，ＬＥＩ Ｙｏｎｇｐｉｎｇ，ＬＩＡＮＧ Ｃｏｎｇｙｉｎｇ，ＳＵ Ｊｕｎｙｉ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｊ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｌｙ Ｘｉ’Ｒｎ ７１００４０
Ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＤＬ３１ ａｌｌｏｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ １ｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｉｎ ａ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ．
Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉ¨ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｔ ａ ｃｅｒｔａｈｉ ｐｏｉｎｔ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｕｇ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｍｅｔａＵｉｃ ｓｕｒｆａｅｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｕｎｄｅｒ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｔｏ ｃｅｎｔｒｅｌ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｏｒ Ｉｉｑｕｉｄ ｓｔａｔｅ），ｔｈｅ
本文以ＤＬ３１台金为实验材料，采用波长为１０．６“ｍ
万方数据
７３８
金属学报
３７卷
的Ｃ０２激光器，对相同表面处理状态的试惮通过选取不
同的激光功率，控制试样表面的熔化状态，利用计钾机数
据采集系统对试样进行定点温度采集，得到激光表面重熔 试样中定点温度随时阿的变化曲线先假定～个吸收率， 用经过验证的激光表面重熔过程数值模拟程序进行计四 得到计算区域的温度场．将测温点的实测温度与计３善温度 进行比较．采用试错法不断调整吸收率．经过多次计算， 使计算结果与实测结果相接近．从而分别确定崮态及液态 表面对激光的吸收率本研究可为确定小同激光表面加工 条件下（如激光熔覆、激光熔凝、激光合金化）材料对激 光的吸收率提供一种实验与计算相结合的方法．
再在距粗化表面２㈣的一侧中央钻’个２．４ ＩＩｌＩｌｌ×１４
ｉｎｎｌ的孔．测温热电偶采用套装陶瓷绝缘管，直径为２．２ ｎ２ｍ，陶瓷管上的双孔可分别穿过直径为０ ２ ｆｉｌｍ的Ｎｉ— Ｃｒ和Ｎｉ—Ｓｉ丝，通过储能焊将热电偶丝焊接在一起再 将校验过的热电偶插入钻孔中，通过储能焊机将热电偶与 Ａｌ合金试样焊合到一起．必备测定激光加热时试样在焊 点处的温度变化 １．２数据采集系统
２数值计算
２．１ 模拟程序及计算方法 激光表面重熔数值模拟程序采Ｈｊ了对流 扩散固ｊ
液相变单桐统一模型．利用固定网格，愉一孔隙度疗法较 好解决了熔化和凝吲过程中固相区、液相医及固 液两 相区的统一问题．计竹中采用控制容积积分法离散控制方 程，采用交错网格技术．使速度控捌容积的节点位于主控 制容租的界衙上，以抑制压力波动，保ｉ正流体流动数值计 算的稳定陛速度压力耦合采用ＳＩＭＰＬＥ解法激光热 源的膨响分别体现在能壁和动量方程边界条件中程序中 详细的边界条件及源项处理方法见文献ｆ５ｌ ２．２计算条件
为了确定材料崮态和液态表面的吸收率．控制激光功 率大小，以保证试样表面分别保持未熔化和熔化状态实 验采用５ ｋＷ的ＲＳ８５０型快速横流Ｃ０２激光器．光斑 直径选为２ ｍｉｌｌ．光斑模式为多横分布
将试样分为两组，每组３个，分别采用低功率（５００ ｗ，试样编号为ｄｌ—ｄ３）和高功率（２５００ Ｗ，试样编号 为ｇｌ～譬３）进行激光定点照射，照射时间均为１３ Ｓ，在照 射过程中对各试样进行定点温度数据采集对数据进行分 析处理后即得到相同表面处理状态及相同激光波长，吖；同
ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ａｎ ａｓｓｕｎｌｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ａｓｓｕｍｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔＶ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｃｄ ａｎｄ ｔｈｅ
ｎｎｎ］ｅｔｉｃ札ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉＳ ｒｅｐｅａｔｅｄ ａｇａｉｎ ｕｎｔｉｌ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎｅ
第３７卷第７期 ２ ０ ０ １年７月
仓属学歧
ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＣＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
ｌ白１ ３７ ＮＯ ７ Ｊｕｌｙ ２ ０ ０Ｉ
用数值计算技术和试错法确定金属材料 表面对激光的吸收率
邹德宁 雷永平 梁工英 苏俊义
（西安交通大学机械工程学院．两安７１００４９）
摘要 提出了一种散光重熔条件Ｆ确定金属材料激、尤嗄收率的方法通过改变输出功率控制试样表面状态．州用计算机敬据 采集系统对激光表面重熔的试样进行定电温度采集．按不同表面帆志假定材料对激光的吸收率．采用经Ｊｉ验证的激光表面重熔数值
对试样ｄｌ及９２分别渊整吸收率后计算出温度场， 相应监测点的计算温度变化曲线与实测平滑处理过的温 度曲线如图３昕示
激光加热功率为２５００ Ｗ时，能量密度较高．试样 表面相变过程在瞬间完成，激光照射拒液态表面上依此 实测温度曲线为准．调整吸收率值，用数值模拟程序计算 温度场．计算温度曲线与测定温度曲线橱重合时所用到的 吸收率可作为ＤＬ３１合金材料表面为液鉴时的吸收率， 对９１一９３三试样分别计算后，确定液态吸收率的平均值 约为０１５１－０ ０１：激光功率为５００ Ｗ时试样表面没有 熔化，计算温度曲线与实测温度曲线相近时所确定的吸收 率可作为ＤＬ３１合金材料固态表面经过处理的激光吸收 嚣对ｄｌ—ｄ３三试样分别计算后确定的吸收率值近似为 ０ ３０士０．０１这里需要说明的是，此时测定的固态吸收率为 试样表面经粗化及黑化处理后未熔的固态表面吸收率，而 测定的液态吸收率为ＤＬ３１台金熔化后表面对激光的吸 收率所以，尽管得到的固苍吸收率值要比液苍吸收率值
＋国家自然科学基金５９８７１０３８，西安交厦大学科研基金及华巾理工 大学激光技术国家重点实验室基金资助项目 收到初稿日期：２０００—０７ ２４，收到修改稿甘朝：２００１ ０２—２６ 作者简介：邹德宁，女 １９６４年生副教授博士生
Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ法或ｇｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ计算法但测定金属材 料液态激光吸收率的报道尚少见，且已有的方法４ Ｊ也目 与金属材料实际加工过程的条件相差较大（如需超真空条 件、激光功率只有３—５ ｗ等），应用受到限制；Ｆｒｅｎｋ［４ Ｊ等 的原位法可以测定激光重熔过程金属材料的吸收率．但该 方法只适用于金属试样的导热能力远高于外界环境冷却 能力的前提条件下由于金属材料液态吸收率难以确定， 在模拟激光表面处理过程的数值计算中，一般将固态及液 态吸收率均按一常数对待。从而会影响温度场及流场模拟 结果的准确性
模拟程序计算温度场井与实测结果对比，眦试错法修正所假定的吸收率确定了ＤＬ３１台金表面对激光的吸收率与文献巾实啦 得到的吸收嘈泛值较为接近用所测吸收率值汁掉不同功率景件下试样定苣温度的变化，与盛删温度变化规律基本吻合
关键词激光表而加工．哦收率数值计算．ｉ式错法
中圈法分类号ＴＧ２２１
文献标识码Ａ
文章编号０４１２—１９６１（２００１）０７一Ｑ７３７一０４
了解和掌握激光加工过程中材料的温度场及其随时 间的变化规律，对于研究，开发和应用激光表面加工技术 具有重要的意义．材料表面对激光的吸收率＋直接影响到 被加工件的温度分布吸收率与激光波长、温度、表面粗 糙程度，表面涂层等诸多围素有关ｔ“．近年来，测定金属 材料固态表面激光吸收率的方法已有报道／２，ａｌ，主要采用
９３（２５００Ｗ）
由激光加工后两组试样的表面状态可以看出 ５００ ｗ功率照射唇试拌表面来熔化．２５００ Ｗ功率照射后． 试样表面有明显熔化痕迹材料表面熔化和未熔化对激光 的吸收率不同１１ Ｊ．凼此，叮利用激光表面重熔数值模拟程 序按所假定的吸收率．分别计算不同功率条件下试样的温 度场．用试黹法分别确定材料为固态和液态时对激光的吸 收率
数据采集系统是对输入的连续模拟量信号每隔一定 时问进行一次采样，然后进行量化和编码，将连续的模拟 量信号转化为连续的数值量信号，输入微机进行处理．实 验中为使来自热电偶Ｊ二作端的热电势信号放大，与Ａ／Ｄ 接口卡范围相适应，选用了放大１５０倍的１６通道信号放 大端子板，模数转换器采用ＰＳ ２１１６１６路Ａ／Ｄ号，配 接ＩＢＭ ＰＣ４８６微机 Ａ／Ｄ转换时间约为２５ ｐｓ，数据 采集通道数、通遭号及数据采集时间间隔均可任选 １．３激光表面处理
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＺＯＵ Ｄｅｎｉｎｇ，ａｓｓｏｃｉａｔｅ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｔｅｌ：（０２９）２２０１０７４，Ｆａｘ：（ｏｚ９）２ｚｏｚｖｅ３，
Ｅ—ｍａｉｌ：ＺｏⅡｄｅｍ“９＠２６０ ｎｅｔ Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２０００—０７ ２４．ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２００１ ０２ ２６
７期
邹德宁等：用数值计钟技术和试错法确定金属材料表面对激光的吸收率
７３９
Ｂ
Ｆｉｇ．２
田２进行嘴收率测定实验的试样尺寸 Ｓｉｚｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｌｎｍｎｆ
源照射点及测温点对应的副分网格分别为（２９，２，２１和 （３０，２，８）：９２的光源照射点及柳温点对应的剐分网格分 别为（３０，２，２）和（３１，３．７）
ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎｅｓ．
ＷｏＲＤＳ ＫＥＹ
ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔＧ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ｔｒｉａｌ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ
计算使用的ＤＬ３１合金的热物理性能及其它主耍参 数如ｆ。热膨胀系数５＝１０“／℃．密度ｐ＝２７００ ｋｇ／ｍ３． 液、固相导热系数Ｋ１，Ｋ。分别为１０８和２０９ Ｗ／（ｍ Ｃ）， 液，固相温度臼ｌ和０。分别为６５２和５８２ ｃ，熔化潜热 Ｌ＝３９５ ｋＪ／ｋｇ，液、固相比热容Ｃｐ，ｌ和ｃ。均为１０６６ Ｊ／（ｋｇ·℃），液态金属的动力粘度“＝ｌｏ ｋｇ／（ｍ·ｓ），表 面张力温度系数取为３．５ｘ １０ １４ ｋｇ／ｆＳ２·℃）环境温度 目。＝２８℃．试样与外界换热系数ｎ＝１００ ｗ／（ｍ２ ｃ）．光 斑直径为２ ｍｍ，光源能量密度近似按Ｇａｕｓｓ分市，辐射 系数ｅ＝Ｏ．４，５取Ｓｔｅｆａｎ Ｂｏｌｔｚｍａｚｍ常数．在放置热电 偶小于Ｌ处，依据孔内不同位置材料的不㈣分别选取物性参 数进行计算．
１实验方法
１．１试样及热电偶制备 实验材料选用ＤＬ３１台金，其成分（质量分数， ％）
为：Ｓｉ ０ ２０—０．６０，Ｆｅ ０ ３５，Ｃｕ ０．１０．Ｍｎ ０．１０．Ｍｇ ０ ４５ ０．９０，Ｃｒ ０１０，Ｚｎ ０１０，Ｔｉ ０１０，其它０１５．余量 为Ａ１．
试样尺寸为３１ ｎｌｍ ｘ ２９ １１１ｍＸｌ２ ｍｍ将加工好 的试样用丙酮清洗后在抛丸机上进行喷砂粗化，为增加试 样表面对激光的吸收率．粗化后的表面还需经黑化处理
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｏｉｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｔｒｅａｔｅｄ蚵ｕｓｉｎｇ ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｄａｔａ
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔ，ｗａｒｅ ｏｆ ｌＲｓｅｒ
激光功率条件１ｉ ＤＬ３ｌ合金试样在激光定点照射过程中 温度随时间的变化曲线（图１），反映出在同一激光功率条 件下，所ｉ哪试样温度曲线良好的再现性
Ｍｅａｓｕｒｅｄ㈣ｓ 圈１ ｆ同激光功率时删佴ｌＷ组试样的定点温度曲线
Ｆｉｇ．１
ｏｆ ｔｃｍｐｅｒａｔｕｒｅ＂ｓ ｔｉｍｅ ｉｎ ｔｗｏ
源自文库
ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅｓ ｄ１，ｄ２，ｄ３（５００ Ｗ】ａｎｄ ｇｌ，９２，
用数控线切割机臼Ｊ割和砂纸打磨试样．以找出试样上 热电偶测温点及光源照射点的准确ｆ｛）＝咒
汁钾：所坩试佯的几何尺·ｒ如图２所示（以低功率组 ｄｌ及高Ｊ－ＪＪ率组９２酞样为例．萁它试样与之相似）图２ 以激光照射点０为坐标原点建立三维坐标系．Ｙ方向长 度以０点为对称点取试样实际尺寸的‘半，计苒区域尺 寸为３１ ｍｉｌｌｘｌ４．５ ｍｍＸｌ ２ ＩＴｉＩｎ，在ｚ，Ｙ，ｚ方向上均匀 剖分『刈格数为６２ｘ３２×３０，恨据试样实测位旨．ｄｌ的光
ＤＥＴＥＲＭＩＮＡＴＩｏＮ ｏＦ ＬＡＳＥＲ ＡＢＳｏＲＰＴＩＶＩＴＹ ｏＦ ＭＥＴＡＬ ＢＹ ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ ＣＡＬＣＵＬＡＴＩｏＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＡＮＤ ＴＲＩＡＬ～ＡＮＤ—ＥＲＲｏＲ ＭＥＴＨｏＤ
ＺＯＵ Ｄｅｎｉｎｇ，ＬＥＩ Ｙｏｎｇｐｉｎｇ，ＬＩＡＮＧ Ｃｏｎｇｙｉｎｇ，ＳＵ Ｊｕｎｙｉ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｊ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｌｙ Ｘｉ’Ｒｎ ７１００４０
Ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＤＬ３１ ａｌｌｏｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ １ｎ ｇｏｏｄ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｉｎ ａ ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ．
Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉ¨ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｉｍｅ ｃｕｒｖｅｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｔ ａ ｃｅｒｔａｈｉ ｐｏｉｎｔ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｕｇ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｍｅｔａＵｉｃ ｓｕｒｆａｅｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
Ｕｎｄｅｒ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｔｏ ｃｅｎｔｒｅｌ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｏｒ Ｉｉｑｕｉｄ ｓｔａｔｅ），ｔｈｅ
本文以ＤＬ３１台金为实验材料，采用波长为１０．６“ｍ
万方数据
７３８
金属学报
３７卷
的Ｃ０２激光器，对相同表面处理状态的试惮通过选取不
同的激光功率，控制试样表面的熔化状态，利用计钾机数
据采集系统对试样进行定点温度采集，得到激光表面重熔 试样中定点温度随时阿的变化曲线先假定～个吸收率， 用经过验证的激光表面重熔过程数值模拟程序进行计四 得到计算区域的温度场．将测温点的实测温度与计３善温度 进行比较．采用试错法不断调整吸收率．经过多次计算， 使计算结果与实测结果相接近．从而分别确定崮态及液态 表面对激光的吸收率本研究可为确定小同激光表面加工 条件下（如激光熔覆、激光熔凝、激光合金化）材料对激 光的吸收率提供一种实验与计算相结合的方法．
再在距粗化表面２㈣的一侧中央钻’个２．４ ＩＩｌＩｌｌ×１４
ｉｎｎｌ的孔．测温热电偶采用套装陶瓷绝缘管，直径为２．２ ｎ２ｍ，陶瓷管上的双孔可分别穿过直径为０ ２ ｆｉｌｍ的Ｎｉ— Ｃｒ和Ｎｉ—Ｓｉ丝，通过储能焊将热电偶丝焊接在一起再 将校验过的热电偶插入钻孔中，通过储能焊机将热电偶与 Ａｌ合金试样焊合到一起．必备测定激光加热时试样在焊 点处的温度变化 １．２数据采集系统
２数值计算
２．１ 模拟程序及计算方法 激光表面重熔数值模拟程序采Ｈｊ了对流 扩散固ｊ
液相变单桐统一模型．利用固定网格，愉一孔隙度疗法较 好解决了熔化和凝吲过程中固相区、液相医及固 液两 相区的统一问题．计竹中采用控制容积积分法离散控制方 程，采用交错网格技术．使速度控捌容积的节点位于主控 制容租的界衙上，以抑制压力波动，保ｉ正流体流动数值计 算的稳定陛速度压力耦合采用ＳＩＭＰＬＥ解法激光热 源的膨响分别体现在能壁和动量方程边界条件中程序中 详细的边界条件及源项处理方法见文献ｆ５ｌ ２．２计算条件
为了确定材料崮态和液态表面的吸收率．控制激光功 率大小，以保证试样表面分别保持未熔化和熔化状态实 验采用５ ｋＷ的ＲＳ８５０型快速横流Ｃ０２激光器．光斑 直径选为２ ｍｉｌｌ．光斑模式为多横分布
将试样分为两组，每组３个，分别采用低功率（５００ ｗ，试样编号为ｄｌ—ｄ３）和高功率（２５００ Ｗ，试样编号 为ｇｌ～譬３）进行激光定点照射，照射时间均为１３ Ｓ，在照 射过程中对各试样进行定点温度数据采集对数据进行分 析处理后即得到相同表面处理状态及相同激光波长，吖；同
ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ａｎ ａｓｓｕｎｌｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ａｓｓｕｍｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔＶ ｗａｓ ａｄｊｕｓｔｃｄ ａｎｄ ｔｈｅ
ｎｎｎ］ｅｔｉｃ札ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉＳ ｒｅｐｅａｔｅｄ ａｇａｉｎ ｕｎｔｉｌ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎｅ
第３７卷第７期 ２ ０ ０ １年７月
仓属学歧
ＡＣＴＡ ＭＥＴＡＬＬＵＲＣＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
ｌ白１ ３７ ＮＯ ７ Ｊｕｌｙ ２ ０ ０Ｉ
用数值计算技术和试错法确定金属材料 表面对激光的吸收率
邹德宁 雷永平 梁工英 苏俊义
（西安交通大学机械工程学院．两安７１００４９）
摘要 提出了一种散光重熔条件Ｆ确定金属材料激、尤嗄收率的方法通过改变输出功率控制试样表面状态．州用计算机敬据 采集系统对激光表面重熔的试样进行定电温度采集．按不同表面帆志假定材料对激光的吸收率．采用经Ｊｉ验证的激光表面重熔数值
对试样ｄｌ及９２分别渊整吸收率后计算出温度场， 相应监测点的计算温度变化曲线与实测平滑处理过的温 度曲线如图３昕示
激光加热功率为２５００ Ｗ时，能量密度较高．试样 表面相变过程在瞬间完成，激光照射拒液态表面上依此 实测温度曲线为准．调整吸收率值，用数值模拟程序计算 温度场．计算温度曲线与测定温度曲线橱重合时所用到的 吸收率可作为ＤＬ３１合金材料表面为液鉴时的吸收率， 对９１一９３三试样分别计算后，确定液态吸收率的平均值 约为０１５１－０ ０１：激光功率为５００ Ｗ时试样表面没有 熔化，计算温度曲线与实测温度曲线相近时所确定的吸收 率可作为ＤＬ３１合金材料固态表面经过处理的激光吸收 嚣对ｄｌ—ｄ３三试样分别计算后确定的吸收率值近似为 ０ ３０士０．０１这里需要说明的是，此时测定的固态吸收率为 试样表面经粗化及黑化处理后未熔的固态表面吸收率，而 测定的液态吸收率为ＤＬ３１台金熔化后表面对激光的吸 收率所以，尽管得到的固苍吸收率值要比液苍吸收率值
＋国家自然科学基金５９８７１０３８，西安交厦大学科研基金及华巾理工 大学激光技术国家重点实验室基金资助项目 收到初稿日期：２０００—０７ ２４，收到修改稿甘朝：２００１ ０２—２６ 作者简介：邹德宁，女 １９６４年生副教授博士生
Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ法或ｇｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ计算法但测定金属材 料液态激光吸收率的报道尚少见，且已有的方法４ Ｊ也目 与金属材料实际加工过程的条件相差较大（如需超真空条 件、激光功率只有３—５ ｗ等），应用受到限制；Ｆｒｅｎｋ［４ Ｊ等 的原位法可以测定激光重熔过程金属材料的吸收率．但该 方法只适用于金属试样的导热能力远高于外界环境冷却 能力的前提条件下由于金属材料液态吸收率难以确定， 在模拟激光表面处理过程的数值计算中，一般将固态及液 态吸收率均按一常数对待。从而会影响温度场及流场模拟 结果的准确性
模拟程序计算温度场井与实测结果对比，眦试错法修正所假定的吸收率确定了ＤＬ３１台金表面对激光的吸收率与文献巾实啦 得到的吸收嘈泛值较为接近用所测吸收率值汁掉不同功率景件下试样定苣温度的变化，与盛删温度变化规律基本吻合
关键词激光表而加工．哦收率数值计算．ｉ式错法
中圈法分类号ＴＧ２２１
文献标识码Ａ
文章编号０４１２—１９６１（２００１）０７一Ｑ７３７一０４
了解和掌握激光加工过程中材料的温度场及其随时 间的变化规律，对于研究，开发和应用激光表面加工技术 具有重要的意义．材料表面对激光的吸收率＋直接影响到 被加工件的温度分布吸收率与激光波长、温度、表面粗 糙程度，表面涂层等诸多围素有关ｔ“．近年来，测定金属 材料固态表面激光吸收率的方法已有报道／２，ａｌ，主要采用
９３（２５００Ｗ）
由激光加工后两组试样的表面状态可以看出 ５００ ｗ功率照射唇试拌表面来熔化．２５００ Ｗ功率照射后． 试样表面有明显熔化痕迹材料表面熔化和未熔化对激光 的吸收率不同１１ Ｊ．凼此，叮利用激光表面重熔数值模拟程 序按所假定的吸收率．分别计算不同功率条件下试样的温 度场．用试黹法分别确定材料为固态和液态时对激光的吸 收率
数据采集系统是对输入的连续模拟量信号每隔一定 时问进行一次采样，然后进行量化和编码，将连续的模拟 量信号转化为连续的数值量信号，输入微机进行处理．实 验中为使来自热电偶Ｊ二作端的热电势信号放大，与Ａ／Ｄ 接口卡范围相适应，选用了放大１５０倍的１６通道信号放 大端子板，模数转换器采用ＰＳ ２１１６１６路Ａ／Ｄ号，配 接ＩＢＭ ＰＣ４８６微机 Ａ／Ｄ转换时间约为２５ ｐｓ，数据 采集通道数、通遭号及数据采集时间间隔均可任选 １．３激光表面处理
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＺＯＵ Ｄｅｎｉｎｇ，ａｓｓｏｃｉａｔｅ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｔｅｌ：（０２９）２２０１０７４，Ｆａｘ：（ｏｚ９）２ｚｏｚｖｅ３，
Ｅ—ｍａｉｌ：ＺｏⅡｄｅｍ“９＠２６０ ｎｅｔ Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２０００—０７ ２４．ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２００１ ０２ ２６
７期
邹德宁等：用数值计钟技术和试错法确定金属材料表面对激光的吸收率
７３９
Ｂ
Ｆｉｇ．２
田２进行嘴收率测定实验的试样尺寸 Ｓｉｚｅ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｌｎｍｎｆ
源照射点及测温点对应的副分网格分别为（２９，２，２１和 （３０，２，８）：９２的光源照射点及柳温点对应的剐分网格分 别为（３０，２，２）和（３１，３．７）
ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｉｅｒｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ ｗｉｔｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎｅｓ．
ＷｏＲＤＳ ＫＥＹ
ｌａｓｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ａｂｓｏｒｐｔｉｖｉｔＧ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ｔｒｉａｌ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ
计算使用的ＤＬ３１合金的热物理性能及其它主耍参 数如ｆ。热膨胀系数５＝１０“／℃．密度ｐ＝２７００ ｋｇ／ｍ３． 液、固相导热系数Ｋ１，Ｋ。分别为１０８和２０９ Ｗ／（ｍ Ｃ）， 液，固相温度臼ｌ和０。分别为６５２和５８２ ｃ，熔化潜热 Ｌ＝３９５ ｋＪ／ｋｇ，液、固相比热容Ｃｐ，ｌ和ｃ。均为１０６６ Ｊ／（ｋｇ·℃），液态金属的动力粘度“＝ｌｏ ｋｇ／（ｍ·ｓ），表 面张力温度系数取为３．５ｘ １０ １４ ｋｇ／ｆＳ２·℃）环境温度 目。＝２８℃．试样与外界换热系数ｎ＝１００ ｗ／（ｍ２ ｃ）．光 斑直径为２ ｍｍ，光源能量密度近似按Ｇａｕｓｓ分市，辐射 系数ｅ＝Ｏ．４，５取Ｓｔｅｆａｎ Ｂｏｌｔｚｍａｚｍ常数．在放置热电 偶小于Ｌ处，依据孔内不同位置材料的不㈣分别选取物性参 数进行计算．
１实验方法
１．１试样及热电偶制备 实验材料选用ＤＬ３１台金，其成分（质量分数， ％）
为：Ｓｉ ０ ２０—０．６０，Ｆｅ ０ ３５，Ｃｕ ０．１０．Ｍｎ ０．１０．Ｍｇ ０ ４５ ０．９０，Ｃｒ ０１０，Ｚｎ ０１０，Ｔｉ ０１０，其它０１５．余量 为Ａ１．
试样尺寸为３１ ｎｌｍ ｘ ２９ １１１ｍＸｌ２ ｍｍ将加工好 的试样用丙酮清洗后在抛丸机上进行喷砂粗化，为增加试 样表面对激光的吸收率．粗化后的表面还需经黑化处理
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｔ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｏｉｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｔｒｅａｔｅｄ蚵ｕｓｉｎｇ ａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｄａｔａ
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔ，ｗａｒｅ ｏｆ ｌＲｓｅｒ