CN106353361A - 一种测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，第一步：首先对待测试的材料用同一规格砂纸对材料的正面和背面进行均匀打磨，并保持打磨工艺的一致性；第二步：利用所述非接触式测温装置对打磨后的材料正面和背面进行测温，并与所述有限元温度场分析结果进行对比，以验证所述有限元温度场分析中所述材料热物理参数的准确性；第三步：对所述打磨后的材料同一位置利用非接触式测温装置和接触式测温元件同时测温，以校正所述打磨后材料表面发射率；第四步：使用所述非接触式测温装置对所述打磨后材料激光加热面涂覆涂层部位的背面未涂覆涂层部位进行温度场测量，并与有限元温度场分析结果进行对比，得出所述涂覆涂层后材料的激光吸收率。

Description

一种测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法

技术领域

本发明涉及激光吸收率测试领域，尤其是一种测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法。

背景技术

目前，激光成形技术在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。随着航空、航天业的发展，对材料的要求日益提高，铝合金的强度高，而且抗疲劳强度、塑性与耐腐蚀性高，焊接性良好等优点，因此铝合金，尤其是5A06铝合金，在航空航天领域发挥着日益巨大的作用。但是铝合金板材表面光滑锃亮，对激光的吸收率很低，洁净纯铝在熔点以下对激光的吸收率在2.6％～15.2％之间，这严重影响激光板材成形的效率，为解决这一问题，需要对板材表面进行特定处理，在板材表面涂覆涂层是常用的处理方法。

铝合金板材涂覆涂层后其具体的激光吸收率参数数值的获得对保证激光板材成形精度意义重大，而实现铝合金板材的激光成形及控制器成形精度，还需要控制激光加热铝合金板材时所形成的温度场，从而控制板材的塑性变形量，最终达到控制板材成形精度的目的，因此在激光板材成形技术中，板材的温度场分布对设计和优化加工参数、控制热影响区域材料性能方面起着至关重要的作用，而现有技术中，关于涂覆涂层后铝合金板材的吸收率测定以及温度场分布等并无准确记载。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，用以克服上述缺陷。

为实现这一目的，本发明采用的技术方案在于，提供了一种测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，将有限元温度场分析与实验测试相结合确定涂覆涂层后材料的激光吸收率，具体步骤为：

第一步：首先对待测试的材料用同一规格砂纸对材料的正面和背面进行均匀打磨，并保持打磨工艺的一致性，从而保证处理过的材料表面发射率、激光吸收率的一致性；

第二步：利用所述非接触式测温装置对打磨后的材料正面和背面进行测温，并与所述有限元温度场分析结果进行对比，以验证所述有限元温度场分析中所述材料热物理参数的准确性；

第三步：对所述打磨后的材料未涂覆涂层部位的同一位置利用非接触式测温装置和接触式测温元件同时测温，以校正所述打磨后材料表面发射率；

第四步：对所述打磨后的材料正面涂覆涂层，利用第三步校正过的所述打磨后材料表面发射率的数据对所述非接触式测温装置进行设置，然后使用所述非接触式测温装置对所述打磨后材料激光加热面涂覆涂层部位的背面未涂覆涂层部位进行温度场测量，并与有限元温度场分析结果进行对比分析，得出所述涂覆涂层后材料的激光吸收率。

较佳的，所述有限元温度场分析中激光加热材料的温度场分布满足下述导热方程式(1)：

$\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂z^2}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\frac{\∂T(x,y,z)}{\∂t}---\left(1\right)$

式中α＝k/ρc为热扩散系数，T为温度，x、y、z分别为空间坐标，t为加热时间，k、ρ、c分别为导热系数、密度、比热容，由于材料长度和宽度较厚度大的多，因此可以将材料三维温度场模型近似为一维温度场模型，因此材料厚度方向z的温度场分布为

$T(z,t)=\frac{2q_0\sqrt{\mathrm{\α}t}}{k}ierfc\left(\frac{z}{2\sqrt{\mathrm{\α}t}}\right)---\left(2\right)$

式中q₀为光斑热流密度，t为加热时间。

在对材料激光加热温度场进行所述有限元温度场分析时，激光热源模型为高斯热源模型，激光光斑的热流密度可由下式表示：

$q_0=\frac{2{\mathrm{AP}}_l}{{\mathrm{\πR}}^2}\exp \left(\frac{-2r^2}{R^2}\right)---\left(3\right)$

式中A为材料的激光吸收率，P_l为激光功率，r为距离激光光斑中心的距离，R为光斑半径。

较佳的，所述非接触式测温装置为红外热像仪、红外测温仪的一种或几种。

较佳的，所述接触式测温元件为热电偶、热电阻的一种或几种。

较佳的，所述材料为5A06铝合金。

较佳的，所述涂层为石墨。

较佳的，所述石墨为鳞片石墨粉。

较佳的，所述鳞片石墨粉颗粒度为500目-4000目。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)利用红外热像仪或者红外测温仪对材料进行测温，只能测量材料表面的温度，因此材料激光加热面涂覆涂层后红外热像仪或者红外测温仪测量的温度为材料表面涂层的温度而非材料的真实温度，而本发明通过测量材料激光加热面涂覆涂层部位的背面未涂覆涂层部位的温度则有效的解决了这个问题，能够简单有效的获得涂覆涂层后材料的真实温度。

(2)利用热电偶或热电阻与红外热像仪或红外测温仪对材料未涂覆涂层部位的同一位置进行测温，利用热电阻或热电偶的数据校正材料未涂覆涂层部位的发射率，保证后续红外热像仪或红外测温仪数据测量的正确性。

(3)利用校正的材料未涂覆涂层部位的发射率，将测量的材料激光加热面涂覆涂层部位的背面未涂覆涂层部位的温度与有限元温度场分析结果进行对比，得出材料涂覆涂层后的激光吸收率，该方法严谨准确且简单易行。

具体实施方式

以下结合实施方法对本发明作进一步说明：

实施例1

本发明涉及一种利用有限元分析与实验相结合确定材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，这种方法主要是针对表面激光吸收率很低的材料，例如铝合金板材。所述材料为了提高表面激光吸收率，通常会在材料表面涂覆涂层来提高材料的激光吸收率，进而提高材料激光成形时的效率。所述材料涂覆涂层后其具体的激光吸收率参数数值的获得对保证激光材料成形精度意义重大。

本发明所述的方法通过以下步骤来获得所述材料涂覆涂层后的激光吸收率：

第一步：首先对所待测试的所有实验材料用同一规格砂纸对材料正面和背面进行均匀打磨，并保持打磨工艺的一致性，从而保证处理过的板材表面发射率、激光吸收率的一致性。

第二步：利用非接触式测温装置对打磨后未涂覆涂层材料的正面和背面分别测温，并与有限元温度场分析结果进行对比，以验证有限元分析中所述打磨后材料热物理参数的准确性。

第三步：对所述打磨后材料未涂覆涂层部位的同一位置利用非接触式测温装置和接触式测温元件同时测温。

所述非接触式测温装置，采用红外热像仪或红外测温仪进行测量，由红外测温原理可知，辐射测量表面温度与表面发射率密切相关。因此，在红外测温过程中，为得到准确的温度数据，必须对材料的发射率进行修正。而所述接触式测温元件则不受材料发射率的影响，能够获得精度较高的温度数据，因此可以使用所述接触式测温元件所测量的数据校正材料表面发射率，所述接触式测温元件为热电偶或热电阻。

通过对材料未涂覆涂层部位的同一位置利用非接触式测温装置和接触式测温元件同时测温，并将温度测试结果进行对比分析，以校正材料表面用砂纸打磨处理后的红外发射率。具体来说，以所述接触式测温元件测得的数据为基准，通过统计方法，比如最小二乘方法，对被测表面发射率进行修正，当非接触式测温装置与接触式测温元件的数据误差平方和最小时所对应的表面发射率为最佳值，即得表面经砂纸打磨处理后的红外发射率。

第四步：对所述打磨后的材料正面涂覆涂层，背面不做改变。利用第三步校正过的所述打磨后材料表面发射率的数据对所述非接触式测温装置进行设置，利用非接触式测温装置对打磨后材料激光加热面涂覆涂层部位的背面进行温度场测量，提取出温度场测试结果，并与有限元温度场分析结果进行对比，得出涂覆涂层前后材料的激光吸收率。

利用非接触式测温装置对材料进行测温时，只能测量材料表面的温度，因此材料激光加热面涂覆涂层后非接触式测温装置测量的温度为材料表面涂层的温度而非材料的真实温度，而测量涂覆涂层后板材背面未涂覆涂层部位的温度可以解决这个问题，简单有效的获得涂覆涂层后材料的真实温度。

具体来说，在有限元温度场分析中，激光加热材料时的温度场分布满足下述导热方程式(1)：

$\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂z^2}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\frac{\∂T(x,y,z)}{\∂t}---\left(1\right)$

式中α＝k/ρc为热扩散系数，T为温度，x、y、z分别为空间坐标，k、ρ、c分别为导热系数、密度、比热容，由于材料长度和宽度较厚度大的多，因此可以将材料三维温度场模型近似为一维温度场模型，因此材料厚度方向z温度场分布为

$T(z,t)=\frac{2q_0\sqrt{\mathrm{\α}t}}{k}ierfc\left(\frac{z}{2\sqrt{\mathrm{\α}t}}\right)---\left(2\right)$

式中q₀为光斑热流密度，t为加热时间。

在对材料激光加热温度场进行有限元分析及实验时，激光热源模型为高斯热源模型，激光光斑的热流密度可由下式表示：

$q_0=\frac{2{\mathrm{AP}}_l}{{\mathrm{\πR}}^2}\exp \left(\frac{-2r^2}{R^2}\right)---\left(3\right)$

式中A为材料的激光吸收率，P_l为激光功率，r为距离激光光斑中心的距离，R为光斑半径。

在对材料激光加热温度场进行有限元分析时，材料的吸收率A是需要在有限元分析软件中指定具体数值的参数，通过有限元温度场分析，结合温度场实验测试，不断修正所使用的激光吸收率，最终使得温度场有限元分析结果与实验测试结果相匹配，从而拟合出材料的激光吸收率A。

使用该方法测试材料涂覆涂层后的激光吸收率，将有限元温度场分析与实验测试相结合，该方法不受测试材料以及涂层的影响，具有普适性，有较好的应用前景；且利用验证的所述测试材料热物理参数以及校正的材料未涂覆涂层部位的发射率，将测量的材料激光加热面涂覆涂层部位的背面未涂覆涂层部位的温度与有限元温度场分析结果进行对比，能够严谨准确且简单易行的得出材料涂覆涂层后的激光吸收率。

实施例2

对5A06铝合金板材进行了测试，具体步骤如下所示。

第一步：首先对所述5A06铝合金板材正面和背面用砂纸进行均匀打磨，从而保证处理过的板材表面发射率、激光吸收率的一致性。将处理好的所述5A06铝合金板材放置在对流条件、辐射条件均一致的环境中，消除环境因素对所述5A06铝合金板材测温实验的影响。

第二步：将红外热像仪固定在三脚架上，并调整好角度保持位置不变，测量所述5A06铝合金板材正面温度，所述5A06铝合金板材平放在测试台上，使用激光加热装置对所述5A06铝合金板材进行激光加热，所述激光加热装置的激光头位于所述5A06铝合金板材正面的正上方；当测量所述5A06铝合金板材背面温度时，调整所述激光加热装置的激光头为水平状态，并将所述5A06铝合金板材竖直固定在测试台上，所述红外热像仪从所述5A06铝合金板材的背面对5A06铝合金板材背面进行测温。将所述红外热像仪测温结果与有限元温度场分析结果进行对比，以验证有限元分析中所述5A06铝合金板材热物理参数的准确性。

第三步：在校正所述5A06铝合金板材红外发射率的实验中，利用所述红外热像仪及热电偶对所述5A06铝合金板材背面未涂覆石墨部位的同一位置进行同时测温，对比所述红外热像仪及热电偶的温度结果，以所述热电偶的测试结果为准，通过对比分析确定所述表面打磨后5A06铝合金板材的红外发射率为0.41。

第四步：将石墨溶解在纯水中，得到石墨混合液，然后将所述混合液涂覆在将所述经过砂纸打磨的5A06铝合金板材的正面，背面不做改变。然后将所述5A06铝合金板材竖直固定在测试台上，所述激光加热装置的激光头为水平状态，正对着所述5A06铝合金板材正面涂覆石墨涂层的部位，所述红外热像仪固定放置于所述5A06铝合金板材的背面，对所述背面未涂覆石墨部位进行温度场测量，

利用所述红外热像仪对5A06铝合金板材进行测温，所述红外热像仪只能测量所述5A06铝合金板材表面的温度，因此所述5A06铝合金板材加热面涂覆涂层后红外热像仪测量的温度为板材表面涂层的温度而非板材的真实温度，而测量所述涂覆涂层后5A06铝合金板材背面未涂覆涂层部位的温度则解决了这个问题，简单有效的获得所述涂覆涂层后5A06铝合金板材的真实温度。

然后，所述红外热像仪使用第三步校正过的所述5A06铝合金板材表面的发射率数据进行非接触式测温，提取出温度场测试结果，并与有限元温度场分析结果进行对比，得出涂覆石墨前后板材的激光吸收率。由实验得到所述未涂覆石墨5A06铝合金板材对激光的吸收率为0.15，所述涂覆石墨后5A06铝合金板材对激光的吸收率为0.59。

实施例3

对5A06铝合金板材进行了测试，具体步骤如下所示。

第一步：首先对所述5A06铝合金板材表面用砂纸进行均匀打磨，从而保证处理过的板材表面发射率、激光吸收率的一致性。将处理好的所述5A06铝合金板材放置在对流条件、辐射条件均一致的环境中，消除环境因素对所述5A06铝合金板材测温实验的影响。

第二步：将红外测温仪固定在三脚架上，并调整好角度保持位置不变，测量所述5A06铝合金板材正面温度，所述5A06铝合金板材平放在测试台上，使用激光加热装置对所述5A06铝合金板材进行激光加热，所述激光加热装置的激光头位于所述5A06铝合金板材正面的正上方；当测量所述5A06铝合金板材背面温度时，调整所述激光加热装置的激光头为水平状态，并将所述5A06铝合金板材竖直固定在测试台上，所述红外测温仪从所述5A06铝合金板材的背面对5A06铝合金板材背面进行测温。将所述红外测温仪测温结果与有限元温度场分析结果进行对比，以验证有限元分析中所述5A06铝合金板材热物理参数的准确性。

第三步：在校正所述5A06铝合金板材红外发射率的实验中，利用所述红外测温仪及热电阻对所述5A06铝合金板材背面未涂覆石墨部位的同一位置进行同时测温，对比所述红外测温仪及热电阻的温度结果，以所述热电阻的测试结果为准，通过对比分析确定所述表面打磨后5A06铝合金板材的红外发射率为0.42。

第四步：将颗粒度为500目鳞片石墨粉溶解在纯水中，得到鳞片石墨粉混合液，然后将所述混合液涂覆在所述经过砂纸打磨的5A06铝合金板材的正面，背面不做改变。然后将所述5A06铝合金板材竖直固定在测试台上，所述激光加热装置的激光头为水平状态，正对着所述5A06铝合金板材正面涂覆石墨涂层的部位，所述红外测温仪固定放置于所述5A06铝合金板材的背面，对所述背面未涂覆石墨部位进行温度场测量，

利用所述红外测温仪对5A06铝合金板材进行测温，所述红外测温仪只能测量所述5A06铝合金板材表面的温度，因此所述5A06铝合金板材加热面涂覆涂层后红外测温仪测量的温度为板材表面涂层的温度而非板材的真实温度，而测量所述涂覆涂层后5A06铝合金板材背面未涂覆涂层部位的温度则解决了这个问题，简单有效的获得所述涂覆涂层后5A06铝合金板材的真实温度。

然后，所述红外测温仪使用第三步校正过的所述5A06铝合金板材表面的发射率数据进行非接触式测温，提取出温度场测试结果，并与有限元温度场分析结果进行对比，得出涂覆石墨前后板材的激光吸收率。由实验得到所述未涂覆石墨5A06铝合金板材对激光的吸收率为0.16，所述涂覆石墨后5A06铝合金板材对激光的吸收率为0.61。

实施例4

对5A06铝合金板材进行了测试，具体步骤如下所示。

第一步：首先对所述5A06铝合金板材表面用砂纸进行均匀打磨，从而保证处理过的板材表面发射率、激光吸收率的一致性。将处理好的所述5A06铝合金板材放置在对流条件、辐射条件均一致的环境中，消除环境因素对所述5A06铝合金板材测温实验的影响。

第二步：将高温红外热像仪(美国Flir SC325)固定在三脚架上，并调整好角度保持位置不变，测量所述5A06铝合金板材正面温度，所述5A06铝合金板材平放在测试台上，使用激光加热装置对所述5A06铝合金板材进行激光加热，所述激光加热装置的激光头位于所述5A06铝合金板材正面的正上方；当测量所述5A06铝合金板材背面温度时，调整所述激光加热装置的激光头为水平状态，并将所述5A06铝合金板材竖直固定在测试台上，所述红外热像仪从所述5A06铝合金板材的背面对5A06铝合金板材背面进行测温。将所述红外热像仪测温结果与有限元温度场分析结果进行对比，以验证有限元分析中所述5A06铝合金板材热物理参数的准确性。

第三步：在校正所述5A06铝合金板材红外发射率的实验中，利用所述红外热像仪及热电偶对所述5A06铝合金板材背面未涂覆石墨部位的同一位置进行同时测温，对比所述红外热像仪及热电偶的温度结果，以所述热电偶的测试结果为准，通过对比分析确定所述表面打磨后5A06铝合金板材的红外发射率为0.42。

第四步：用无水乙醇将颗粒度为2000目的鳞片石墨粉混合均匀后，得到混合液。将所述混合液涂覆于所述经过砂纸打磨的5A06铝合金板材的正面，背面不做改变。所述5A06铝合金板材竖直固定在测试台上，所述激光加热装置的激光头为水平状态，正对着所述5A06铝合金板材正面涂覆石墨涂层的部位，所述红外热像仪固定放置于所述5A06铝合金板材的背面，对所述背面未涂覆石墨部位进行温度场测量，

利用所述红外热像仪对5A06铝合金板材进行测温，所述红外热像仪只能测量所述5A06铝合金板材表面的温度，因此所述5A06铝合金板材加热面涂覆涂层后红外热像仪测量的温度为板材表面涂层的温度而非板材的真实温度，而测量所述涂覆涂层后5A06铝合金板材背面未涂覆涂层部位的温度则解决了这个问题，简单有效的获得所述涂覆涂层后5A06铝合金板材的真实温度。

然后，所述红外热像仪使用第三步校正过的所述5A06铝合金板材表面的发射率数据进行非接触式测温，提取出温度场测试结果，并与有限元温度场分析结果进行对比，得出涂覆石墨前后板材的激光吸收率。由实验得到所述未涂覆石墨5A06铝合金板材对激光的吸收率为0.17，所述涂覆石墨后5A06铝合金板材对激光的吸收率为0.65。

实施例5

与实施例4不同的是，第四步将颗粒度为4000目鳞片石墨粉溶解在纯水中，得到鳞片石墨粉混合液，然后将所述混合液涂覆在所述经过砂纸打磨的5A06铝合金板材的正面，背面不做改变。由实验得到所述未涂覆石墨5A06铝合金板材对激光的吸收率为0.17，所述涂覆石墨后5A06铝合金板材对激光的吸收率为0.67。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，其特征在于，将有限元温度场分析与实验测试相结合确定涂覆涂层后材料的激光吸收率，具体步骤为：

第一步：首先对待测试的材料用同一规格砂纸对材料的正面和背面进行均匀打磨，并保持打磨工艺的一致性，从而保证处理过的材料表面发射率、激光吸收率的一致性；

第二步：利用所述非接触式测温装置对打磨后的材料正面和背面进行测温，并与所述有限元温度场分析结果进行对比，以验证所述有限元温度场分析中所述材料热物理参数的准确性；

第三步：对所述打磨后的材料未涂覆涂层部位的同一位置利用非接触式测温装置和接触式测温元件同时测温，以校正所述打磨后材料表面发射率；

第四步：对所述打磨后的材料正面涂覆涂层，利用第三步校正过的所述打磨后材料表面发射率的数据对所述非接触式测温装置进行设置，然后使用所述非接触式测温装置对所述打磨后材料激光加热面涂覆涂层部位的背面未涂覆涂层部位进行温度场测量，并与有限元温度场分析结果进行对比分析，得出所述涂覆涂层后材料的激光吸收率。

2.如权利要求1所述的测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，其特征在于，所述有限元温度场分析中激光加热材料的温度场分布满足下述导热方程式(1)：

$\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}T(x,y,z)}{\∂z^2}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\frac{\∂T(x,y,z)}{\∂t}---\left(1\right)$

式中α＝k/ρc为热扩散系数，T为温度，x、y、z分别为空间坐标，t为加热时间，k、ρ、c分别为导热系数、密度、比热容，由于材料长度和宽度较厚度大的多，因此可以将材料三维温度场模型近似为一维温度场模型，因此材料厚度方向z的温度场分布为

$T(z,t)=\frac{2q_0\sqrt{\mathrm{\α}t}}{k}ierfc\left(\frac{z}{2\sqrt{\mathrm{\α}t}}\right)---\left(2\right)$

式中q₀为光斑热流密度，t为加热时间。

在对材料激光加热温度场进行所述有限元温度场分析时，激光热源模型为高斯热源模型，激光光斑的热流密度可由下式表示：

$q_0=\frac{2{\mathrm{AP}}_l}{{\mathrm{\πR}}^2}\exp \left(\frac{-2r^2}{R^2}\right)---\left(3\right)$

式中A为材料的激光吸收率，P_l为激光功率，r为距离激光光斑中心的距离，R为光斑半径。

3.如权利要求1所述的测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，其特征在于，所述非接触式测温装置为红外热像仪、红外测温仪的一种或几种。

4.如权利要求3所述的测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，其特征在于，所述接触式测温元件为热电偶、热电阻的一种或几种。

5.如权利要求1-4任一项所述的测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，其特征在于，所述材料为5A06铝合金。

6.如权利要求5所述的测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，其特征在于，所述涂层为石墨。

7.如权利要求6所述的测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，其特征在于，所述石墨为鳞片石墨粉。

8.如权利要求7所述的测试材料涂覆涂层后激光吸收率的方法，其特征在于，所述鳞片石墨粉颗粒度为500目-4000目。