短脉冲激光辐照加热和熔蚀金属过程的数值模拟研究

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本文采用有限元方法建立了用于研究短脉冲激光辐照加热产生温度场和熔蚀金属材料过程的数值模型,进而对多物理参数同时随温度变化对金属材料的电子温度和晶格温度的影响以及短脉冲激光熔蚀金属的过程进行了数值模拟研究。   在同时考虑脉冲激光的空间、时间分布和材料物理参数同时随温度变化的情况下,基于双温耦合理论,建立了短脉冲激光辐照金属材料的加热过程的有限元求解模型。计算得到了短脉冲激光辐照金属金材料激励产生的温度场瞬态分布,分析了激光辐照后材料中电子和温度的上升规律;研究了脉冲宽度对电子和晶格温度温度上升过程的影响。   利用有限元方法研究了物理参数随温度变化对短脉冲激光辐照金属材料产生温度场分布的影响,分析了单一物理参数随温度变化以及多物理参数同时随温度变化对计算得到的电子和晶格温度场的影响,数值结果表明:物理参数随温度变化(耦合系数、电子热导率、电子热容、晶格热容)以及多物理参数同时随温度不仅影响金属中电子和晶格温度的上升快慢和最大值,而且影响着温度场的空间分布。   基于双温耦合方程,在同时考虑熔化热和汽化热的情况下建立了短脉冲激光辐照金属材料加热熔蚀过程的有限元求解模型,计算得到了短脉冲激光辐照烧蚀金属的温度场变化过程,特别是气化区域的演化过程。数值结果显示,当光斑半径较小时不能把激光熔蚀金属材料的过程简单看成一维问题,激光辐照中心处金属材料的的熔化深度和速度都远大于熔池边缘的熔化深度与速度。   本文建立起短脉冲激光参数和辐照加热后金属的温度场、熔蚀过程的熔蚀深度和速度等物理量间的定量关系,为短脉冲激光辐照金属激励产生应力场、超声波声场和激光微细加工等的进一步研究提供了理论基础。
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