CN114117841B - 纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法，该方法包括：建立激光烧蚀三维铝合金材料模型；确定铝合金材料的热力学参数；建立激光源模型；对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格进行仿真模拟，直至达到稳定收敛，得到激光烧蚀三维铝合金材料模型参数。利用本发明，可以有效预测纳秒激光烧蚀铝合金坑深。

Description

纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法

技术领域

本发明涉及激光烧蚀铝合金处理领域，具体涉及一种纳秒激光烧蚀铝 合金坑深仿真模型建立方法。

背景技术

对于铝合金的激光研究，目前大部分人都停留在激光焊接方面，而瞬 时高能量下的纳秒脉冲激光烧蚀铝合金，由于高能量和时间短，短时间内 就能达到非常高的温度，直接由固态变为气态发生烧蚀。而当下以马拉高 尼(Marangoni Effect)主导的热表面张力流与熔池表面张力波振荡 (capillary wave oscillation)引起的表面张力流的二维固相液相场模型 占据了激光作用于材料的主流，对激光烧蚀材料作用模拟的仿真，尤其是 瞬时高能量下的激光烧蚀铝合金材料具体去除方法(即高能激光瞬时作用 于材料表面的材料去除到底是经历了固液气三相转变还是直接由固态吸收 足够热量到气态，然后再在空气中冷凝的去除)目前还处在探索阶段。在 终端光学件中由于整体框架都有铝合金组成，高能激光通过光学元件反射 出来的微量杂散光落在铝合金腔体上容易造成铝合金烧蚀破坏，而烧蚀后 产生的等离子体冷却后又附着在光学镜片上造成二次污染，因此，如何定 量分析在不同能量密度的杂散光作用下激光烧蚀深度、材料喷射出的总体 积以及后续激光系统洁净防护工作都具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法，以便有 效预测纳秒激光烧蚀铝合金坑深。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法，所述方法包括：

建立激光烧蚀三维铝合金材料模型；

确定铝合金材料的热力学参数；

建立激光源模型；

对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格进行仿真模拟，直至达 到稳定收敛，得到激光烧蚀三维铝合金材料模型参数。

可选地，所述建立激光烧蚀三维铝合金材料模型包括：

设置初始烧蚀位置为xoy平面，激光传输方向为z轴负方向，以激光 顶点位置为坐标系原点，将激光光斑直径、能量密度设置为可调参数。

可选地，所述铝合金材料的热力学参数包括以下任意一种或多种：汽 化热、熔化热、气化温度、熔化温度、比热容、泊松比、导热系数、辐射 系数、吸收率。

可选地，所述建立激光源模型包括：

采用高斯脉冲激光，并设置高斯脉冲激光的脉宽及频率；

建立高斯脉冲激光在空间上的分布表达式。

可选地，设置高斯脉冲激光的脉宽及频率为：

可选地，所述建立高斯脉冲激光在空间上的分布表达式包括：

按照以下公式建立高斯脉冲激光在空间上的分布表达式：

Q(x,y,t)＝emissivity·Laser(x,y)·Plulse(t)

式中，P为单脉冲激光能量，r为高斯光斑半径，emissivity为热辐射系 数，t为单脉冲辐照时间。

可选地，所述对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网络进行仿真 模拟包括：

确定热边界条件：q_a＝h_a(T_a-T)，其中，q_a表示材料烧蚀吸收的热通 量，T_a表示烧蚀温度；斜坡函数h_a＝h_a(t)，表示与温度相关的传热系数，T＜T_a时为零，T＞T_a时呈线性增长；

确定烧蚀去除率为：v_a＝q_a/ρH_s，其中，v_a表示材料烧蚀速度，ρ表 示材料密度，H_s表示材料的升华热；

对所述激光三维材料烧蚀模型划分网格；

基于所述热边界条件及所述烧蚀去除率对每个网络进行仿真模拟。

可选地，所述对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格包括：

采用Mapped方法对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型平均划分网格。

可选地，所述对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型平均划分网格包括：

初始网格在XY方向为0.5μm，在Z方向为0.2μm。

可选地，所述基于所述热边界条件及所述固体材料的去除率对每个网 络进行仿真模拟包括：

如果烧蚀去除率稳定收敛，并且铝合金材料的最高温度不高于烧蚀温 度，则确定达到稳定收敛；否则，改变斜坡函数斜率继续进行仿真模拟。

本发明实施例提供的纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法，通 过建立激光烧蚀三维铝合金材料模型、以及激光源模型，并确定铝合金材 料的热力学参数，然后对激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格进行仿真 模拟，直至达到稳定收敛，得到激光烧蚀三维铝合金材料模型参数。利用 本发明方案，可以有效预测纳秒激光烧蚀铝合金坑深。而且，通过仿真与 试验结果进行对比，发现烧蚀凹坑的实验结果与仿真结果吻合较好，可以对后期实验提供准确数据，节省大量的人力物力。

附图说明

图1为本发明实施例纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法的流 程图；

图2为本发明实施例中激光烧蚀三维铝合金材料烧蚀模型示意图；

图3为本发明基于网格进行仿真确定激光烧蚀三维铝合金材料模型参 数的一种具体实现流程图；

图4为利用本发明实施例中的纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型得到 的仿真结果示例；

图5为对纳秒激光烧蚀铝合金坑深的实际测量结果示例。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面 结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法， 通过建立激光烧蚀三维铝合金材料模型、以及激光源模型，并确定铝合金 材料的热力学参数，然后对激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格进行仿 真模拟，直至达到稳定收敛，得到激光烧蚀三维铝合金材料模型参数。

如图1所示，本发明实施例纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方 法的流程图，包括以下步骤：

步骤101，建立激光烧蚀三维铝合金材料模型。

具体地，如图2所示的激光烧蚀三维铝合金材料烧蚀模型示意图，可 以设置铝合金初始烧蚀位置为xoy平面，激光传输方向为z轴负方向，以 激光顶点位置为坐标系原点，将激光光斑直径、能量密度设置为可调参数 (该参数为试验过程中激光器的固有参数)。

所述激光烧蚀三维铝合金材料模型，针对的是瞬时高能激光状态下， 材料瞬时吸收的热量超过升华热(即熔化热与汽化热之和)并且超过烧蚀 温度后，直接由固相状态转化为气相状态，忽略固相向液相转变的瞬时烧 蚀过程，也就是说，所述激光烧蚀三维铝合金材料模型是在瞬时高能系统 环境中的激光烧蚀材料模型。

步骤102，确定铝合金材料的热力学参数。

所述铝合金材料的热力学参数包括以下任意一种或多种：汽化热、熔 化热、气化温度、熔化温度、比热容、泊松比、导热系数、辐射系数、吸 收率。

上述铝合金材料的各项热力学参数可以通过查找材料数据库得到。

步骤103，建立激光源模型。

在本发明实施例中，采用高斯脉冲激光，并设置高斯脉冲激光的脉宽 及频率，比如，脉宽可以设置为；

对激光能量密度空间高斯分布情况，建立高斯脉冲激光在空间上的分 布表达式，具体如下：

其中，P为单脉冲激光能量，r为高斯光斑半径，emissivity为热辐射系 数，t为单脉冲辐照时间。

步骤104，对所述激光三维材料烧蚀模型划分网格进行仿真模拟，直至 达到稳定收敛，得到激光三维材料烧蚀模型参数。

在本发明实施例中，为了防止网格翻转(即在尖锐的地方网格会超出 求解域，这种网格对求解的精度和收敛性影响很大)，可以采用Mapped 方法(选择所需的平面选择相应的边，设定分段的数量，最后对整个体积 扫描)对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型平均划分网格。比如，初始网 格可以是在XY方向为0.5μm，为了使材料烧蚀结果更加准确，在Z方向 为0.2μm。

针对烧蚀建模的热边界条件是一个烧蚀热通量条件，其表达式为：

q_a＝h_a(T_a-T) (3)

其中，q_a表示材料烧蚀吸收的热通量，T_a表示烧蚀温度。

确定烧蚀去除率为：v_a＝q_a/ρH_s (4)

其中，v_a表示材料烧蚀速度，ρ表示材料密度，H_s表示材料的烧蚀热；

基于上述热边界条件及烧蚀去除率对每个网络进行仿真模拟，即确定 材料吸收热通量q_a，材料密度ρ，材料烧蚀热H_s(即汽化热与熔化热之和)。

需要说明的是，模拟材料的去除，可以使用变形几何接口(研究当几 何随参数变化时物理场的变化情况，定义材料坐标系相对于几何坐标系的 变形)。自由变形功能允许按照边界条件所指定的更改域的大小，在一侧 (热绝缘层为激光入射方向的对侧)指定的变形确保边界不会发生位移。 在域的另一端，指定法向网格速度条件执行方程(3)，即材料去除率。

在仿真模拟过程中，设置斜坡函数h_a＝h_a(t)，其表示与温度相关的传 热系数，T＜T_a时为零，T＞T_a时呈线性增长。若烧蚀去除稳定收敛，材料最 高温度不明显高于烧蚀温度则说明斜坡函数斜率值选取正确，否则可以改 变斜坡函数斜率，进行进一步计算。

进一步地，还可以对网格无关性进行验证，比如可以按照以下方式进 行验证：每次都将XYZ三个方向上的网格密度增加一倍，若连续三次温度 变化情况趋于一致，可以认为三个网格均可以作为仿真网格划分依据，否 则进一步划分网格直至温度变化情况趋于一致，通过实验与仿真结合，验 证烧蚀模型是否准确。

如图3所示，为本发明基于网格进行仿真确定激光烧蚀三维铝合金材 料模型参数的一种具体实现流程图，包括以下步骤：

步骤301，三维铝合金材料模型仿真尺寸为长宽高分别为20×20×3 (mm)的长方体。

步骤302，从材料数据库中获取材料热力学参数。

所述热力学参数主要包括：包括汽化热、气化温度、比热容、泊松比、 导热系数数、辐射系数、吸收率。

步骤303，采用高斯激光源，光斑半径为480μm，激光能量密度设置为 0.5～2J/cm²。

步骤304，进行网格划分，XYZ方向网格大小为0.5×0.5×0.2(μm)， 进行网格无关性验证。

步骤305，采用变形网格，设置热边界条件，激光入射面为热通量边界， 底面为热隔离边界，其余面为自然对流边界。

步骤306，设置斜坡函数ha控制烧蚀过程材料去除收敛速度。

本发明实施例提供的纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法，通 过建立激光烧蚀三维铝合金材料模型、以及激光源模型，并确定铝合金材 料的热力学参数，然后对激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格进行仿真 模拟，直至达到稳定收敛，得到激光烧蚀三维铝合金材料模型参数。利用 本发明方案，可以有效预测纳秒激光烧蚀铝合金坑深。而且，通过仿真与 试验结果进行对比，发现烧蚀凹坑的实验结果与仿真结果吻合较好，可以对后期实验提供准确数据，节省大量的人力物力。

进一步地，还通过实验对利用本发明方案得到的仿真结果做了进一步 地验证。

具体地，在相同激光源模型下，对三维铝合金材料进行不同强度的照 射，通过本发明实施例的仿真模型计算三维铝合金材料的损伤凹坑深度， 并用白光干涉仪测试三维铝合金材料的实际损伤凹坑深度。对比结果如图4 和图5所示。

图4示出了仿真结果，其中，(a)激光能量密度为2J/cm2时辐照100 次的损伤凹坑深度仿真结果，(b)激光能量密度为1.5J/cm2时辐照100次 的损伤凹坑深度仿真结果，(c)激光能量密度为1J/cm2时辐照100次的损 伤凹坑深度仿真结果，(d)激光能量密度为0.5J/cm2时辐照100次的损伤 凹坑深度仿真结果。

图5示出了测试结果，其中，(a)激光能量密度为2J/cm2时辐照100 次的损伤凹坑深度图，(b)激光能量密度为1.5J/cm2时辐照100次的损伤 凹坑深度图，(c)激光能量密度为1J/cm2时辐照100次的损伤凹坑深度图， (d)激光能量密度为0.5J/cm2时辐照100次的损伤凹坑深度图。

通过仿真与试验结果进行对比，发现烧蚀凹坑的实验结果与仿真结果 吻合较好。说明仿真模型能够有效预测纳秒激光烧蚀铝合金坑深，从图中 可以看出，当激光能量密度为2J/cm2时，经过100次单脉冲激光辐照，纳 秒脉冲激光频率为1Hz，仿真烧蚀铝合金凹坑深度为16.3μm，实验结果根 据白光干涉仪的测试为17μm。当激光能量密度为1.5J/cm2,1J/cm2,0.5 J/cm2时，仿真结果显示的激光烧蚀铝合金深度分别为11.9μm、7.9μm和3 μm，实验结果分别为12.9μm、7.1μm和2.8μm，实验结果与仿真高度吻合。

通过上述仿真结果与试验结果的比较可以充分说明，本发明实施例提 供的纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法，能够有效、准确地预测 激光烧蚀，对后期实验提供精确地指导，节省大量的人力物力。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间 相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施 例的不同之处。而且，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中 作为分离部件说明的模块和单元可以是或者也可以不是物理上分开的， 即可以位于一个网络单元上，或者也可以分布到多个网络单元上。可以 根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目 的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并 实施。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式 对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方 法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围，本说明书 内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。

Claims (6)

1.一种纳秒激光烧蚀铝合金坑深仿真模型建立方法，其特征在于，所述方法包括：

建立激光烧蚀三维铝合金材料模型；

确定铝合金材料的热力学参数；

建立激光源模型；

对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格进行仿真模拟，直至达到稳定收敛，得到激光烧蚀三维铝合金材料模型参数；

所述建立激光烧蚀三维铝合金材料模型包括：

设置初始烧蚀位置为xoy平面，激光传输方向为z轴负方向，以激光顶点位置为坐标系原点，将激光光斑直径、能量密度设置为可调参数；

所述建立激光源模型包括：

采用高斯脉冲激光，并设置高斯脉冲激光的脉宽及频率；

建立高斯脉冲激光在空间上的分布表达式；

所述建立高斯脉冲激光在空间上的分布表达式包括：

按照以下公式建立高斯脉冲激光在空间上的分布表达式：

Q(x,y,t)＝emissivity·Laser(x,y)·Plulse(t)

式中，P为单脉冲激光能量，r为高斯光斑半径，emissivity为热辐射系数，t为单脉冲辐照时间；

所述对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网络进行仿真模拟包括：

确定热边界条件：q_a＝h_a(T_a-T)，其中，q_a表示材料烧蚀吸收的热通量，T_a表示烧蚀温度；斜坡函数h_a＝h_a(t)，表示与温度相关的传热系数，T＜T_a时为零，T＞T_a时呈线性增长；

确定烧蚀去除率为：v_a＝q_a/ρH_s，其中，v_a表示材料烧蚀速度，ρ表示材料密度，H_s表示材料的升华热；

对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格；

基于所述热边界条件及所述烧蚀去除率对每个网络进行仿真模拟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金材料的热力学参数包括以下任意一种或多种：汽化热、熔化热、气化温度、熔化温度、比热容、泊松比、导热系数、辐射系数、吸收率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置高斯脉冲激光的脉宽及频率为：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型划分网格包括：

采用Mapped方法对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型平均划分网格。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述激光烧蚀三维铝合金材料模型平均划分网格包括：

初始网格在XY方向为0.5μm，在Z方向为0.2μm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述热边界条件及所述烧蚀去除率对每个网络进行仿真模拟包括：

如果烧蚀去除率稳定收敛，并且铝合金材料的最高温度不高于烧蚀温度，则确定达到稳定收敛；否则，改变斜坡函数斜率继续进行仿真模拟。