CN107462597B - 一种金属材料对激光的吸收率的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光预热辅助加工领域，具体涉及一种金属材料对激光的吸收率的标定方法，其包括如下步骤：包括：S1利用热电偶测量工件的测试点在激光照射下温度随时间变化的值；S2建立工件的热源模型，采用该热源模型进行仿真试验，得到测试点在热源模型上对应点的温度随时间变化的值；S3调整输入热源模型的激光吸收率的参数；S4将仿真试验结果分别与实际测量结果进行非线性误差分析，得到的最优结果所对应的激光吸收率参数即为金属材料对激光的吸收率。本发明的方法能够得到高精度的标定结果，且过程简单、试验装置易获得、计算量小、不易受到外界因素的干扰，因此，尤其适合金属材料的激光吸收率的测试。

Description

一种金属材料对激光的吸收率的标定方法

技术领域

本发明属于激光预热辅助加工领域，更具体地，涉及一种金属材料对激光的吸收率的标定方法。

背景技术

高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料因其具有良好的耐高温、耐腐蚀性能，良好的抗疲劳性能等，已经被广泛的应用于高科技工业之中。目前，激光预热辅助切削是提高难加工材料加工性能的有效方法之一，通过提高材料被切削点前局部位置的温度，改善其热加工性能，降低切削力，提高刀具寿命。激光预热辅助切削的关键技术之一在于被加工材料在激光照射下温度场的分布，其中材料对激光的吸收率是影响激光预热对材料温度场分布的重要因素，通过标定出金属材料对激光的吸收率就显得尤为重要。

目前针对金属材料的激光吸收率测试做出了一些研究，如专利CN10578820A公开了一种材料激光吸收率的测试装置和测试方法，其通过温度采集装置采集的数据直接传给传感器，经过处理后获得激光吸收率的数据，该方法能够快速直接地测试出激光吸收率，但该方法的数据易受到试验条件和装置的影响，测试出的结构精度不够高。专利CN102435582B公开了一种高精度激光吸收率测量装置，该装置测试的激光吸收率精度准确，但该装置十分复杂，且成本高昂，使用范围受到限制。针对上述缺陷和不足，目前还没有一种测试激光吸收率的方法，能够既快速又准确的对激光的吸收率进行标定。

目前的温度测量方式有接触式和非接触式两大类，热电偶属于接触式测量方式，其基本原理是将两种不同材料(但符合一定要求)的导体或半导体A和B的任意一端焊接在一起构成热电偶，如图2所示。组成热电偶的导体或半导体称为热电极，被焊接的一端插入测温场所，称为工作端，另一端称冷端，当两端温度不同时就会产生热电势。热电偶是测量温度的感温元件，将温度信号转换为电信号再由仪表显示出来，其测温仪表结构简单、可靠，测量精度较高，使用方便；但因测温元件与被测材料需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象。

有限元软件作为一种有效地数值分析方法，被广泛应用于热传导、电磁场、液体力学等连续性问题中。Abaqus 6.14-2有限元软件，热源模型利用Fortran编写Abaqus子程序DFLUX。作为通用的模拟工具，Abaqus除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析等。Abaqus为用户提供了广泛的功能，且使用起来非常简便，对于高度非线性问题，用户可以通过准确的定义参数来很好地控制数值仿真的结果。

激光热源通过一定的作用面积将热能传递到工件上，该作用面积包含了激光绝大部分的能量，加热光斑内热流密度的分布可以近似的用高斯数学模型来描述，如图3所示：

Q＝αP (2)

若加热光斑内热流密度均匀分布则可表示为：

式中，q(r)是距离热源中心r处的热流密度，加热光斑的半径为r_H，Q是热源中心处的最大热流密度，α为材料对激光的吸收率，P为激光峰值功率。

目前尚未出现采用温度测量方式和有限元软件来进行激光吸收率的标定方法，本领域亟需设计一种新的标定方法解决上述缺陷和不足。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属材料对激光的吸收率的标定方法，其利用金属材料对激光的吸收率与激光预热对金属材料温度场分布之间的关联，相应设计了一种标定方法，相应地建立了一种热源模型，通过调整输入热源模型的激光吸收率，来使仿真的测温结果与实际测温的结果一致，从而得到满足准确度高的激光吸收率。该方法充分利用迭代计算来将误差控制在一定范围，最终得到高精度的标定结果，而且该方法标定过程简单、所采用的试验装置也简单、且计算量小、不易受到外界因素的干扰，因此，尤其适合金属材料的激光吸收率的测试。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种金属材料对激光的吸收率的标定方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1将热电偶焊接在金属材料制成的工件的测试点上，然后打开激光照射工件表面的照射点，测量上述测试点在激光照射下温度随时间变化的值，并得到该测试点处的实测最高温度值；

S2建立工件的热源模型，采用该热源模型进行仿真试验，得到测试点在热源模型上对应点的温度随时间变化的值，并得到测试点的仿真最高温度值；

S3调整输入热源模型的激光吸收率的参数，使步骤S1中的实测最高温度值与步骤S2中的仿真最高温度值的比对结果满足要求；

S4重复步骤S2-S3得到若干组不同的激光吸收率参数，将上述参数下的仿真试验得到的温度随时间变化的值，分别与实际测量得到的温度随时间变化的值进行非线性误差分析，得到的最优结果所对应的激光吸收率参数即为金属材料对激光的吸收率。

该方法的基本原理为：建立与实际工件相同的热源模型，输入激光吸收率的参数进行仿真试验，通过调整热源模型中激光吸收率的参数值，使模拟的温度变化值与热电偶实测温度变化值一致，此时对应的激光吸收率参数值即为金属材料对激光的吸收率。该方法其能够简单有效的标定金属材料对激光的吸收率，其测试精度高，测量结果不易受到外界的干扰，且测试方法简单、测试成本低廉。

进一步优选地，在步骤S1中，搭建激光预热平台，并采用绝热材料对工件进行装夹。通过激光预热平台对工件进行预热，能够使工件在测试时已经达到热平衡，避免测温时的延迟现象带来的误差，而绝热材料进行装夹则能够避免其对工件的温度的影响，提高热电偶的温度测试的精度。

优选地，在步骤S1中，激光采用垂直照射的方式照射至工件表面的测试点。采用垂直照射的形式，能够避免反射角对于建模的影响，使建模效果与实际情况更为接近。

优选地，在步骤S2中，在步骤S2中，所述热源模型按照工件的实际尺寸及材料参数建立。

优选地，在步骤S3中，调整输入的激光吸收率参数的步骤具体如下：

S31输入默认的激光吸收率α₁，进行第一次仿真试验，提取仿真结果中测试点的对应点处的温度最大值T₁；

S32令第二次仿真试验的激光吸收率α₂＝T₀/T₁，得到仿真结果中测试点的对应点处的温度最大值T₂；

S33判断

是否成立，若不成立，则令吸收率

再次进行仿真试验；若成立，则记录此仿真结果的温度随时间的变化值，以此类推，对于第i次仿真试验，判断

是否成立，若不成立，则令吸收率

再次进行仿真试验；若成立，则记录此仿真结果的温度随时间的变化值,

其中，T₀为测试点处的实测最高温度值，T_i为第i次仿真试验得到的温度的最大值，α_i为第i次仿真试验输入的激光吸收率，i＝1,2,3……，ε为相对误差限。

通过调整输入的激光吸收率参数，将该参数下的仿真结果与实际测量结果进行比对，并进行迭代计算，将误差控制在一定范围内，能够使最终得到的激光吸收率与真实值无限接近，保证最终的激光吸收率的精确度。

优选地，所述默认的激光吸收率α₁为1。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的其利用金属材料对激光吸收率与激光预热对金属材料温度场分布之间的关联，相应设计了一种标定方法，相应地建立了一种热源模型，通过调整输入热源模型的激光吸收率，来使仿真的测温结果与实际测温的结果一致，从而得到满足准确度高的激光吸收率。该方法充分利用迭代计算来将误差控制在一定范围，最终得到高精度的标定结果，而且该方法标定过程简单、所采用的试验装置也简单、且计算量小、不易受到外界因素的干扰，因此，尤其适合金属材料的激光吸收率的测试。

(2)通过激光预热平台对工件进行预热，能够使工件在测试时已经达到热平衡，避免测温时的延迟现象带来的误差，而绝热材料进行装夹则能够避免其对工件的温度的影响，提高热电偶的温度测试的精度。而采用垂直照射的形式，能够避免反射角对于建模的影响，使建模效果与实际情况更为接近。

(3)本发明建立的热源模型简单易行，通过调整输入的激光吸收率参数，将该参数下的仿真结果与实际测量结果进行比对，并进行迭代计算，将误差控制在一定范围内，能够使最终得到的激光吸收率与真实值无限接近，保证最终的激光吸收率的精确度。且该模型的计算量小，能够提供大量的温度场仿真结果，从而能够有效地优化最终的数据，提高测试精度。

(4)本发明的标定金属材料对激光吸收率的方法，具体操作简便高效，实验数据精度较高，不需要进行大量实验，因此能够节省因大量实验而耗费的资源，经济环保，还具有成本低廉、操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明基于热电偶测温与有限元仿真标定金属吸收率方法的流程图；

图2为本发明的热电偶原理图；

图3为本发明激光加热区域内热流密度分布的高斯数学模型；

图4为本发明激光预热与热电偶测温结构图；

图5为本发明的温度场有限元仿真模型；

图6为本发明的实际测量温度与仿真温度对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示是图1为本发明基于热电偶测温与有限元仿真标定金属吸收率方法的流程图，该实施例所用材料及相关设备为304不锈钢、创鑫HDLS-1000半导体激光器、GSK980TDb型车床、K型热电偶。该实施例具体步骤如下：

(1)对外径R＝Φ160mm、内径r＝Φ140mm、长度L＝200mm材料毛坯件进行外圆粗车，切削参数为主轴转速S＝200r/min、进给率F＝30mm/r，切深d＝1mm，轴向切削长度为Z＝140mm，如图3所示。切削完毕后，将热电偶对称分布于外表面母线L的中点O的两端，距离中点5mm的点M、N处(为了提高该方法的精度可以在母线上多设立几个热电偶测温点)。搭建激光加热平台，如图4(a)和(b)所示，利用绝热材料对工件进行装夹。打开激光(功率为P＝100W)，垂直(光路通过截面圆的圆心)照射到工件指定点O处，激光焦距为15mm，光斑大小为r_H＝1mm。加热时间为30s，冷却时间为170s，记录工件表面M、N点的温度随时间的变化值，对比分析，并取平均值。

(2)按照工件的实际尺寸及材料参数使用Abaqus有限元软件建立热源仿真模型，温度场仿真模型如图5所示，调用DFLUX子程序，根据实际的激光参数编写Fortran代码。将热源中心设定在模型对应点O′，提取仿真结果中对应点M′的温度随时间的变化值，并与实验结果进行对比分析。其中输入模型的具体过程如下：

1.Part——建立

的标准部件；

2.Property——赋予上述部件相应材料的热力学属性(杨氏模量、比热、密度、泊松比、导热系数、热膨胀系数、潜热等)；

3.Assembly——将部件装配为实体，确定空间位置(O′为坐标原点)；

4.Step——创建Heat transfer(热传递)分析步，分析时长为155s；

5.Interaction——创建热对流等接触参数；

6.Load——加载Body heat flux(体热流)，并调用DFLUX子程序，将热源中心点加载到对应点O′处，加热时间为24s；

7.Mesh——对部件进行网格划分，加热区域局部网格细化，并选择Heattransfer网格属性；

8.Job——创建作业，选中DFLUX子程序文件并提交分析，提取对应点M′、N′的温度随时间的变化值。

(3)调整DFLUX子程序中材料对激光的吸收率参数值，进行多组仿真试验，使仿真结果中对应点温度的最大值与实验结果最大值在允许误差范围内，如图6所示，为实际测量温度与仿真温度对比图。其中，调整输入的激光吸收率参数的步骤具体如下：

S31输入默认的激光吸收率α₁，进行第一次仿真试验，提取仿真结果中测试点的对应点处的温度最大值T₁；

S32令第二次仿真试验的激光吸收率α₂＝T₀/T₁，得到仿真结果中测试点的对应点处的温度最大值T₂；

S33判断

是否成立，若不成立，则令吸收率

再次进行仿真试验；若成立，则记录此仿真结果的温度随时间的变化值，以此类推，对于第i次仿真试验，判断

是否成立，若不成立，则令吸收率

再次进行仿真试验；若成立，则记录此仿真结果的温度随时间的变化值,

其中，T₀为测试点处的实测最高温度值，T_i为第i次仿真试验得到的温度的最大值，α_i为第i次仿真试验输入的激光吸收率，i＝1,2,3……，ε为相对误差限。

(4)选择几组最大值在允许误差范围内的仿真结果，分别在每个时间(采样)点上与实验结果进行非线性误差分析，得到误差最小的仿真结果所对应的吸收率参数值即为该工件材料对激光的吸收率。

为提高试验精度，可选择多个测温点则相应进行多组误差分析。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种金属材料对激光的吸收率的标定方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1将热电偶焊接在金属材料制成的工件的测试点上，然后打开激光照射工件表面的测试点，该激光采用垂直照射的方式照射至工件表面的测试点，测量上述测试点在激光照射下温度随时间变化的值，并得到该测试点处的实测最高温度值；

S2建立与工件保持相同的热源模型，采用该热源模型进行仿真试验，得到测试点在热源模型上对应点的温度随时间变化的值，并得到测试点的仿真最高温度值；

S3调整输入热源模型的激光吸收率的参数，使步骤S1中的实测最高温度值与步骤S2中的仿真最高温度值的比对结果满足要求；其中，调整输入热源模型的激光吸收率的参数的过程如下：

S31输入默认的激光吸收率α₁，进行第一次仿真试验，并提取仿真结果中测试点的对应点处的温度最大值T₁；

S32令第二次仿真试验的激光吸收率α₂＝T₀/T₁，得到仿真结果中测试点的对应点处的温度最大值T₂；

S33判断

是否成立，若不成立，则令吸收率

再次进行仿真试验；若成立，则记录此仿真结果的温度随时间的变化值；以此类推，对于第i次仿真试验，判断

是否成立，若不成立，则令吸收率

再次进行仿真试验；若成立，则记录此仿真结果的温度随时间的变化值；

其中，T₀为测试点处的实测最高温度值，T_i为第i次仿真试验得到的温度的最大值，α_i为第i次仿真试验输入的激光吸收率，i＝1,2,3，…，ε为相对误差限；

S4重复步骤S2-S3得到若干组不同的激光吸收率参数，将上述参数下的仿真试验得到的温度随时间变化的值，分别与实际测量得到的温度随时间变化的值进行非线性误差分析，得到的最优结果所对应的激光吸收率参数即为金属材料对激光的吸收率。

2.如权利要求1所述的标定方法，其特征在于，在步骤S1中，搭建激光预热平台，并采用绝热材料对工件进行装夹。

3.如权利要求2所述的标定方法，其特征在于，在步骤S2中，所述热源模型按照工件的实际尺寸及材料参数建立。

4.如权利要求3所述的标定方法，其特征在于，所述默认的激光吸收率α₁为1。

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