CN110186949B - 一种快速测量材料沸点温度对入射激光吸收率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种快速测量材料在沸点温度时对入射激光吸收率的方法，属于激光材料加工领域。其特征在于：将感光材料置于传输光路中，分别记录原始激光光斑形状以及加工过程中穿透金属丝的激光光斑形状，已知原始激光功率通过面积比值即得到辐照在金属丝的功率；根据送丝速度计算焊丝材料被加热至沸点所需的功率；焊丝材料到达沸点所需功率与作用在焊丝材料上的功率之比即为该材料在沸点温度时对入射激光的吸收率。本发明可以简易快速获取材料在沸点温度条件下对入射激光的吸收率。

Description

一种快速测量材料沸点温度对入射激光吸收率的方法
技术领域
本发明涉及一种材料对激光吸收率的测量方法，属于激光材料加工领域，更具体地，涉及一种沸点温度下的材料对入射激光吸收率的测量方法。
背景技术
与其他加工热源如电弧、电子束、等离子体等相比，激光具有能量高度集中、无接触式加工、热影响小、加工柔性好、加工效率高、环境友好型等众多其他加工热源不可比拟的优势。在近几十年以来，激光加工技术得到了迅猛发展，在多个领域中发挥着越来越重要的作用，目前已涉及航空航天、武器制造、汽车船舶制造等军用及民用应用领域。激光加工中，最大的特点是利用激光的热效应，故而有效的测量实际加工过程中材料对激光的吸收率，有助于分析金属材料对激光吸收的一般规律，对于进一步提高激光加工效率、材料沉积或熔化效率具有重要的指导意义。
关于金属材料对入射激光的吸收率，除了受到材料本身合金元素质量分数的影响外，还与材料温度、材料表面状态、激光作用角度高度相关。在实际激光加工过程中，由于材料的剧烈熔化、蒸发，激光作用表面处于沸点温度，使用常规方法计算沸点下材料对激光的吸收率往往低于实际吸收的能量，原因在于激光辐照材料表面的粗糙度及入射角度是随机变化的，粗糙度的增加及入射角度在布儒斯特角附近的辐照条件将大幅度提升对激光能量的吸收。因此，需要同时结合实验手段探究材料对激光的吸收率。此外，在穿透型激光加工过程中，实际上辐照在材料上的激光能量未知，增加了测量材料对激光吸收率的技术难度。
针对材料对激光吸收率的实验研究，如发明专利CN 108982392A公开的一组包括光束整形器、若干分束器及功率计在内的激光吸收率测量方法，通过待测样品的反射率和热辐射的结合计算吸收率，但是该装置并非完全适用于高功率激光加工过程，实验仪器容易受到材料剧烈的熔化、蒸发过程的污染、破坏，从而降低测量精度。另有方法如专利CN106353361A所述的测试材料涂覆涂层后的激光吸收率的方法，结合有限元温度场与实验测温结果的分析对比得到涂覆后的材料对激光的吸收率。该方法在模拟计算中，由于很多物理参数是依赖于材料温度，而且并非线性关系，所以该方法仍存在适用精度的问题。目前已知的实验测量装置虽达到了较高的测量精度，但测量条件过于复杂，并对实验材料、激光能量等具有严格的限定条件，使用范围受限。针对以上所述，急需一种有效方法可以测试沸点温度下的材料对激光吸收率。
本发明方法利用激光作用于待测的丝状材料，辐照感光材料呈现激光辐照光斑几何形状的特点，在高功率激光材料加工过程中，对穿透过的剩余光斑及原始光斑进行测量，求得面积比，根据出光功率计算得到辐照在材料作用表面的激光功率；然后根据热传导方程求得材料熔化、蒸发所需功率，二者比值即为该种加工条件下沸点温度的材料对激光的吸收率。
发明内容
本发明提供了一种沸点下的金属材料对激光吸收率的测量方法，适用于送丝式激光增材制造、送粉式激光增材制造、激光穿透焊、激光填丝焊以及激光切割等加工过程，该方法易于操作，不受实验条件限制，适合测量不同加工条件下的材料对激光的实际吸收率。
一种快速测量材料在沸点温度时对入射激光吸收率的方法，其特征在于：将感光材料置于传输光路中，可记录当前位置处的光斑形状；根据送丝速度计算焊丝材料被加热至沸点温度所需的功率；送丝过程中，丝材剧烈的蒸发导致部分激光光束穿透丝材未参与作用，故通过对比感光材料上的原始光斑显影S0以及光-丝稳定作用过程中对未参与丝材作用的激光光斑显影S1，已知原始激光功率P0，即可得到稳定作用过程中辐照在丝材上的激光功率((S0-S1)/S0×P0)；焊丝吸收激光能量达到沸点温度所需功率与辐照在焊丝上功率的比值，即为该材料在沸点温度时对入射激光的吸收率。
进一步，所用激光为聚焦状态，其光斑能量为平均分布或高斯分布，激光功率为0.2kW～30kW；待测材料为丝状，其直径为0.5mm～3mm；光束与丝间夹角为10°～80°；送丝速度为0.5m/min～50m/min；测量光斑形状的感光材料(相纸、感光屏或其它感光材料)平面与光束夹角为10°～90°；激光在焊丝上的焊接模式为深熔模式。
S1将感光材料置于传输光路中，在同一位置处，记录原始光斑、激光与金属丝作用过程中穿透过丝材未参与作用的光斑；对比感光材料上作用于丝前、后光斑的大小，可以得到加工过程中实际辐照在金属丝上的激光功率P1；
S2已知送丝速度Vs、金属丝直径d以及金属丝在沸点温度下的密度ρ、比热容c和熔化潜热Lm，沸点温度Tv，根据公式
Figure GDA0002105958000000031
求得该条件下金属丝达到沸点所需激光功率P2，P2与P1的比值，即为该条件下金属丝在沸点温度时对激光的吸收率。
所述的沸点温度下材料对激光的吸收率的测量方法，主要工艺参数为激光器类型不仅限于光纤激光器、CO2激光器等高功率激光器；激光功率设定在0.2kW～30kW范围内；所述的金属丝直径为0.5mm至50mm，金属丝与激光间角度在10°～90°之间。
与其他测量材料吸收率的技术相比，本发明具备以下有益效果：本发明利用感光材料呈现较为精确的呈现光斑形状，根据加工前后面积比值可较为准确的测算实际辐照在加工过程中材料表面的激光能量，而后通过简单计算即可快速得到金属材料在该加工条件下沸点时对激光的吸收率。
附图说明
图1为相纸对激光增材制造过程中剩余透射光斑显影示意图；
图2为相纸接收原始激光光斑及剩余透射光斑显影；
图3为进行CO2激光切割块状金属材料过程图；
图中，1.相纸，2.激光光束，3.金属丝，4.角度可调弧板，5.激光工作头，6.熔化材料，7.切割面，8.激光切割头，9.材料移动方向
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
如图1所示一种测量材料沸点吸收率的装置，包括感光材料FB相纸1、光纤激光光束2、金属丝3、角度可调弧板4以及激光工作头5。所述FB相纸1作过曝光预处理，为大幅降低激光光斑能量密度，通过离焦得到30mm直径以上的光斑；所述FB相纸1所在平面垂直于激光光束中轴线；所述激光工作头5金属丝3角度在角度可调弧板4上可调；所述金属丝以一定速度送给。
本实施案例中，采用YLS-6000光纤激光器，其波长为1.07μm，出光功率为1500W；金属丝采用直径为1.2mm的316L不锈钢材料，送丝速度为1.2m/min；金属丝与中心线的夹角为15°，激光光束与中心线的夹角为30°。首先烧蚀出原始光斑形状，如图2(a)所示，计算光斑面积S0；稳定送丝过程中，激光作用于金属丝后穿透的剩余光斑重新在相纸上烧蚀出剩余光斑，如图2(b),计算该面积S1；根据两面积比值及出光功率，计算辐照在金属丝的激光功率；根据公式1：
Figure GDA0002105958000000041
计算此送丝速度条件下材料达到沸点温度时所需功率，与金属丝接收激光功率的比值，即为该种实验条件下金属丝实际吸收激光能量的吸收率。
实施例2
本实施例与实施例1相同的部分不再赘述，不同的是：
1)如图3所示，进行CO2激光切割块状金属材料过程中，所测数据为切割面7的金属材料对CO2激光的吸收率。
2)如图3所示，被切割材料以一定速度9向左运动，激光切割头8与相纸1相对静止不动。
以上所述，仅为本发明的两种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种快速测量材料在沸点温度时对入射激光吸收率的方法，其特征在于：将感光材料置于传输光路中，记录当前位置处的光斑形状；根据送丝速度计算焊丝被加热至沸点温度所需的功率；送丝过程中，丝材剧烈的蒸发导致部分激光光束穿透丝材未参与作用，故通过对比感光材料上的原始光斑显影S0以及光-丝稳定作用过程中对未参与丝材作用的激光光斑显影S1，已知原始激光功率P0，得到稳定作用过程中辐照在丝材上的激光功率((S0-S1)/ S0× P0)；丝材吸收激光能量达到沸点温度所需功率与辐照在焊丝上功率的比值，即为丝材在沸点温度时对入射激光的吸收率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所用激光为聚焦状态，其光斑能量为平均分布或高斯分布，激光功率为0.2 kW~30 kW；丝材直径为0.5 mm~3 mm；光束与丝间夹角为10°~80°；送丝速度为0.5 m/min~50 m/min；测量光斑形状的感光材料平面与光束夹角为10°~90°；激光在丝材上的焊接模式为深熔模式。
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