一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法

1.本发明涉及激光材料加工技术领域，更具体的说是涉及一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法。


背景技术：

2.激光加工是利用激光束作用于金属或其它材料表面，并对其进行焊接、熔覆、增材等制造的一门加工技术。近年来，激光加工技术以其加工效率高、加工质量好、加工柔性高和绿色环保等诸多综合优点，已广泛应用于航空航天、车辆制造、轮船舰艇等制造领域。激光加工过程的本质是将激光的光能转化为材料的热能，激光致熔池凝固后实现材料加工的过程。材料表面对入射激光的吸收是描述加工过程中光热转化的关键参数之一，其数值与激光致材料表面的固-液-气演化过程有关。因此，测量激光加工过程中材料对入射激光的吸收行为，对于理解激光加工过程机理和优化激光加工工艺等具有重要意义。激光加工中激光致材料表面将经历了固态加热、熔化、汽化和形成等离子体等过程。由于该过程经历了固-液-汽的物态变化，且形成熔池后激光束与熔池气液界面的相互作用是非稳态的，故而很难直接测量材料对入射激光的吸收率，特别是金属材料。现有技术中的常见金属材料的吸收率测量方法有积分球和量热法等。然而这两种方法本质上都是测量激光出光时间内材料对入射激光的平均吸收率，都无法识别出固-液-汽三态演化过程中每一个状态对入射激光的大致吸收情况。因此，如何提供一种能够测量固-液-汽三种物态演化过程中的材料对入射激光吸收率的测量方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，利用激光以热导加热的模式作用于待测的材料表面，测量焊缝形貌、熔化面积和板材蒸发质量损失。利用数值模拟并考虑熔化潜热与蒸发潜热后，算得板材表面对入射激光的平均吸收率。然后通过变化激光的出光时间、扫描速度、离焦量等方式改变材料表面的固相时间在总激光的出光时间中的占比；随后根据固相时间在总出光时间中占比的不同，逆向分析出固-液-汽演化过程中材料表面对入射激光的吸收行为。
4.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，包括以下步骤：
6.s1、激光基于热导焊接模式作用于材料表面，进行扫描焊接实验；
7.s2、获取扫描焊接实验后的材料熔化潜热吸收率、材料蒸发潜热吸收率、材料热传导吸收率；
8.s3、基于材料熔化潜热吸收率、材料蒸发潜热吸收率、材料热传导吸收率计算材料表面对入射激光在出光时间内的平均吸收率；
9.s4、变更激光的参数，重复s1-s3，获得不同条件下的平均吸收率；
10.s5、基于不同条件下的吸收率计算材料表面激光致固态相时间在总出光时间中占
比的变化规律；
11.s6、根据材料固态相时间在激光总出光时间中的不同占比，逆向分析材料表面固-液-汽三态演化中对入射激光的吸收。
12.可选的，s2具体为：
13.s21、测量实验前后的材料质量亏损，计算材料蒸发潜热吸收率；
14.s22、获得材料融化区横截面形貌，计算融化区质量从而获得材料熔化潜热吸收率；
15.s23、对扫描焊接实验进行数值模拟，将模拟温度场中熔点等温线和焊缝横截面中的熔合线进行对比，如果不匹配进入s24，匹配则进入s25；
16.s24、调整数值模拟模型中输入的吸收率数值，重新进行对比直到两者匹配；
17.s25、计算材料热传导的吸收率。
18.可选的，扫描焊接实验的过程中，激光相对于材料表面，处于静止或运动状态中的一种。
19.可选的，s4中变更的激光参数为激光的出光时间、离焦量、扫描速度、输出功率中的一种或多种。
20.可选的，激光与材料表面间静止时，扫描速度为0；激光与材料表面间有相对运动时，扫描速度在0.5～10m/min之间，扫描速度的变化幅度在0.1～2m/min之间，变化次数在3～20次之间。
21.可选的，激光的输出功率在0.5～10kw之间，激光的输出功率的变化幅度在0.5～1kw之间，变化次数在3～20次之间。
22.可选的，激光的总出光时间在10～1000ms之间，出光时间的变化幅度在1～20ms之间，变化次数在3～20次之间。
23.可选的，激光的离焦量在1～50mm之间，离焦量的变化幅度在1～10ms之间，变化次数在3～20次之间。
24.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，具有以下有益效果：本发明通过改变材料表面的激光致固相时间在总激光出光时间中的占比，逆向推导材料表面固-液-汽演化过程中对入射激光的吸收行为，精度高，适合测量各种材料，尤其是不同物态金属材料在不同加工条件下对激光的吸收行为；简单易操作、不受实验条件限制、计算量小、精度高，适合测量各种材料表面固液汽态演化过程中对入射激光的吸收行为。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
26.图1为本发明的不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法流程图；
27.图2为本发明的实施例中实际熔化区横截面与数值模拟温度场的对比图；
28.图3为本发明的实施例中不同出光时间材料对入射激光的吸收率测量结果示意
图；
29.图4为本发明的实施例中不同离焦量条件下材料对入射激光的吸收率测量结果示意图；
30.图5为本发明的实施例中不同焊接速度条件下材料对入射激光的吸收率测量结果示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明实施例公开了一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
33.s1、激光基于热导焊接模式作用于材料表面，进行扫描焊接实验；
34.s2、获取扫描焊接实验后的材料熔化潜热吸收率、材料蒸发潜热吸收率、材料热传导吸收率；
35.s3、基于材料熔化潜热吸收率、材料蒸发潜热吸收率、材料热传导吸收率计算材料表面对入射激光在出光时间内的平均吸收率；
36.s4、变更激光的参数，重复s1-s3，获得不同条件下的平均吸收率；
37.s5、基于不同条件下的吸收率计算材料表面激光致固态相时间在总出光时间中占比的变化规律；
38.s6、根据材料固态相时间在激光总出光时间中的不同占比，逆向分析材料表面固-液-汽三态演化中对入射激光的吸收。
39.进一步的，s2具体为：
40.s21、测量实验前后的材料质量亏损，计算材料蒸发潜热吸收率；
41.s22、获得材料融化区横截面形貌，计算融化区质量从而获得材料熔化潜热吸收率；
42.s23、对扫描焊接实验进行数值模拟，将模拟温度场中熔点等温线和焊缝横截面中的熔合线进行对比，如果不匹配进入s24，匹配则进入s25；
43.s24、调整数值模拟模型中输入的吸收率数值，重新进行对比直到两者匹配；
44.s25、计算材料热传导的吸收率。
45.进一步的，扫描焊接实验的过程中，激光相对于材料表面，处于静止或运动状态中的一种。
46.进一步的，s4中变更的激光参数为激光的出光时间、离焦量、扫描速度、输出功率中的一种或多种。
47.进一步的，激光与材料表面间静止时，扫描速度为0；激光与材料表面间有相对运动时，扫描速度在0.5～10m/min之间，扫描速度的变化幅度在0.1～2m/min之间，变化次数在3～20次之间。
48.进一步的，激光的输出功率在0.5～10kw之间，激光的输出功率的变化幅度在0.5
～1kw之间，变化次数在3～20次之间。
49.进一步的，激光的总出光时间在10～1000ms之间，出光时间的变化幅度在1～20ms之间，变化次数在3～20次之间。
50.进一步的，激光的离焦量在1～50mm之间，离焦量的变化幅度在1～10ms之间，变化次数在3～20次之间。
51.进一步的，结合具体实施例对本发明公开的测量方法进行进一步说明，在本实施例中，选用材料为10mm厚的表面磨削的q235低碳钢，设备为ipg ysl-6000光纤激光器。在工艺参数的变化中，可以确定某一个参数为变量，其它参数为固定量，本实施例中首先固定激光功率为3000w，固定离焦量为30mm，光斑半径约为1.273mm，扫描速度为0，即激光静止热导焊接；通过改变激光的出光时间，获得激光致固相时间在总出光时间中的不同占比，逆向分析材料表面固-液-汽三态演化过程中对入射激光吸收行为的方案，改变激光的出光时间分别为10ms、14ms、18ms、25ms、35ms和45ms。之后，固定激光的出光时间为45ms，改变离焦量分别为30mm、40mm和50mm和固定离焦量、激光功率，仅改变焊接速度分别为5m/min、6m/min和7m/min，通过改变材料表面的固态时间或激光的总作用时间从而改变固相时间在总的激光出光时间中的占比。
52.在焊接实验前使用丙酮将试样擦拭干净，激光垂直作用在试样上表面并保证为热导焊接模式；激光光束保持静止作用于材料表面(熔池表面)。焊接前后测量板材的质量亏损，用以表征材料的蒸发损失。焊后在试样中心区域采用切割机进行切割。然后对焊缝横截面进行研磨处理，并采用5％的硝酸酒精溶液进行腐蚀。最后，使用超景深显微镜观测熔化区域横截面形貌，并利用焊缝横截面计算熔化体积。
53.如图2所示，利用数值模拟温度场中熔点等温线与焊缝截面中的熔合线对比，当两者基本匹配时，模拟中设置的吸收率为仅考虑热传导时材料表面对入射激光的吸收率，再结合熔化潜热和蒸发潜热，即可算得激光出光时间内的材料表面对入射激光平均吸收率。
54.变化激光的出光时间，重复上述步骤，可获得在出光时间分别为10ms、14ms、18ms、25ms、35ms和45ms的情况下的平均吸收率，吸收率计算结果如图3所示，可以看出，本发明所述方法得到上述加工条件下固态q235低碳钢板材对激光的实际吸收率约为60％，随着出光时间的增加，即材料表面演变为液态表面，吸收率逐渐减小。因此，可发现固态材料表面对入射激光的实际吸收率远大于液态和汽态低碳钢对入射激光的吸收。
55.固定激光的出光时间为45ms，变化激光的离焦量，重复上述步骤，可获得在离焦量分别为30mm、40mm和50mm的情况下的平均吸收率，吸收率计算结果如图4所示。
56.改变激光的扫描速度，重复上述步骤，可获得在扫描速度分别为5m/min、6m/min和7m/min的情况下的平均吸收率，吸收率计算结果如图5所示。从图4和图5中可以看出，增大离焦量(降低功率密度故而提高了固相时间)和提高扫描速度(固相时间不变，但缩短了激光的总作用时间)，本质都是提高固相时间在总的激光出光时间中的占比，故而平均吸收率随离焦量或扫描速度的提高而提高。
57.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
58.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、激光基于热导焊接模式作用于材料表面，进行扫描焊接实验；s2、获取扫描焊接实验后的材料熔化潜热吸收率、材料蒸发潜热吸收率、材料热传导吸收率；s3、基于材料熔化潜热吸收率、材料蒸发潜热吸收率、材料热传导吸收率计算材料表面对入射激光在出光时间内的平均吸收率；s4、变更激光的参数，重复s1-s3，获得不同条件下的平均吸收率；s5、基于不同条件下的吸收率计算材料表面激光致固态相时间在总出光时间中占比的变化规律；s6、根据材料固态相时间在激光总出光时间中的不同占比，逆向分析材料表面固-液-汽三态演化中对入射激光的吸收。2.根据权利要求1所述的一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，其特征在于，s2具体为：s21、测量实验前后的材料质量亏损，计算材料蒸发潜热吸收率；s22、获得材料融化区横截面形貌，计算融化区质量从而获得材料熔化潜热吸收率；s23、对扫描焊接实验进行数值模拟，将模拟温度场中熔点等温线和焊缝横截面中的熔合线进行对比，如果不匹配进入s24，匹配则进入s25；s24、调整数值模拟模型中输入的吸收率数值，重新进行对比直到两者匹配；s25、计算材料热传导的吸收率。3.根据权利要求1所述的一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，其特征在于，扫描焊接实验的过程中，激光相对于材料表面，处于静止或运动状态中的一种。4.根据权利要求3所述的一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，其特征在于，s4中变更的激光参数为激光的出光时间、离焦量、扫描速度、输出功率中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，其特征在于，激光与材料表面间静止时，扫描速度为0；激光与材料表面间有相对运动时，扫描速度在0.5～10m/min之间，扫描速度的变化幅度在0.1～2m/min之间，变化次数在3～20次之间。6.根据权利要求4所述的一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，其特征在于，激光的输出功率在0.5～10kw之间，激光的输出功率的变化幅度在0.5～1kw之间，变化次数在3～20次之间。7.根据权利要求4所述的一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，其特征在于，激光的总出光时间在10～1000ms之间，出光时间的变化幅度在1～20ms之间，变化次数在3～20次之间。8.根据权利要求4所述的一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，其特征在于，激光的离焦量在1～50mm之间，离焦量的变化幅度在1～10ms之间，变化次数在3～20次之间。

技术总结
本发明公开了一种不同物态的材料对入射激光吸收率的测量方法，应用于激光材料加工技术领域。包括以下步骤：激光基于热导焊接模式作用于材料表面，进行扫描焊接实验；获取实验后的材料熔化潜热吸收率、材料蒸发潜热吸收率、材料热传导吸收率；计算材料表面对入射激光在出光时间内的平均吸收率；变更激光的参数，获得不同条件下的平均吸收率；基于不同条件下的吸收率计算材料表面激光致固态相时间在总出光时间中占比的变化规律；根据材料固态相时间在激光总出光时间中的不同占比，逆向分析材料表面固-液-汽三态演化中对入射激光的吸收。本发明具有原理清晰，操作简单、快速、准确的优点。确的优点。确的优点。


技术研发人员：邹江林 祝宝琦 谢顺 赵宇 杨武雄
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/7