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连续激光与30CrMnSiA钢等典型金属材料相互作用机理

作　者: 金云声
导　师: 赵剑衡；谭福利
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 工程力学
关键词: 反射率金属积分球反演计算
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 44次
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内容摘要

激光与材料相互作用机理研究是激光应用的基础,也是伴随激光技术发展起来的一门新兴的学科,涉及材料、力学、化学和物理等多学科前沿交叉。通过实验测量反射率,研究激光辐照过程中激光吸收系数的变化,是开展激光与材料耦合效率研究并揭示其耦合规律与机理的重要手段之一本文在使用积分球测量激光与材料耦合效率过程中,发现金属材料被激光加热后,其热辐射发光对积分球的测量探测器存在明显的影响,从而使测量结果中引入了较大的误差,这一现象普遍存在于以往的测试工作中。通过对积分球测量的原理的深入分析,提出了消除金属材料热辐射发光对探测器干扰的方法,使测量精度得到较大提高。同时本文对积分球测量过程中可能产生误差的环节,也开展了较深入的分析,这一工作对于获取真实、可靠的激光与材料的耦合效率数据、提高测量精度是有指导意义的。基于上面改进的较高测量精度的激光与材料耦合效率测量方法,开展了～kW/cm2量级的1.06μm连续激光与30CrMnSiA钢的耦合效率的实验研究,通过改变激光辐照强度、激光辐照方式,和对反射率曲线上发生变化位置采用冻结方法研究材料组分变化等手段,对激光辐照下材料耦合效率的变化机理予以了较好的揭示和阐述。在此工作基础上还开展了激光与Ly12铝材料的耦合规律研究,提供了较可靠的实验数据。本文同时提出了温度场的反演方法,可以根据后表面的温度历史反推样品前表面在激光辐照下吸收系数发生变化的过程。这种方法弥补了实验只能给出光斑区平均吸收系数变化的不足,对后继高精度开展激光与材料耦合规律研究非常有帮助。基于该方法编写的一维程序反演的结果,与一维实验结果符合较好,说明这种方法是可行的。最后,利用金属膜理论与氧化膜生长理论初步建立反射率变化模型,并编写一维程序用于模拟反射率变化过程,得到了变化趋势与实验符合较好的结果。通过初步建立的反射率变化模型,解释了实验中出现的主要现象的物理机制,对激光与30CrMnSiA钢的相互作用的机理有较好的揭示。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-24
  1.1 激光与物质相互作用  9-16
    1.1.1 环境的影响  11-13
    1.1.2 偏振态和入射角的影响  13-14
    1.1.3 表面粗糙度的影响  14-16
  1.2 反射率的测量  16-22
    1.2.1 积分球的基本原理  16-18
    1.2.2 反射率测量装置及其特点  18-22
  1.3 本文的主要研究内容  22-24
第二章反射率的精确测量  24-36
  2.1 消除热辐射影响  24-30
    2.1.1 实验装置及原理  25-26
    2.1.2 结果分析  26-29
    2.1.3 消除热辐射影响的单光束法与双光束法的对比  29-30
  2.2 测量系统的误差分析与控制  30-35
    2.2.1 靶平面与入射光束的角度  30-33
    2.2.2 涂层的阈值  33-34
    2.2.3 样品球内探测器、样品靶、挡板、进光口的位置  34-35
  2.3 小结  35-36
第三章温度场中反射率的反演计算  36-50
  3.1 一维温度场中反射率的反演计算  36-43
    3.1.1 程序的可靠性验证  37-39
    3.1.2 一维温度场中反射率的反演计算结果与实验测量结果对比  39-43
  3.2 轴对称圆柱形温度场的(正)计算  43-48
    3.2.1 控制方程  43
    3.2.2 程序的可靠性验证  43-46
    3.2.3 连续激光辐照下对轴对称圆柱形温度场的数值模拟  46-47
    3.2.4 重频激光辐照下温度场的数值模拟  47-48
  3.3 小结  48-50
第四章典型金属的反射率测量及变化规律研究  50-64
  4.1 30CrMnSiA钢  50-59
    4.1.1 重复加载实验  52-55
    4.1.2 不同加载功率密度  55-59
  4.2 LY12铝的反射率测量  59-62
    4.2.1 不同功率密度下的反射率测量  59-60
    4.2.2 空气中LY12铝材料的反射率转变点  60-62
  4.3 小结  62-64
第五章初步反射率变化模型  64-71
  5.1 激光反射、透射及吸收的电磁波理论  64-65
  5.2 电磁波在分层导电媒质中的传播:金属膜理论  65-68
    5.2.1 均匀介质膜  65-66
    5.2.2 金属膜理论  66-68
  5.3 纯铁的反射率变化模拟  68-69
    5.3.1 纯铁的氧化  68
    5.3.2 反射率变化模型的建立及实例的定性模拟  68-69
  5.4 利用初步反射率变化模型,解释实验中现象  69-70
  5.5 小结  70-71
第六章总结与展望  71-74
  6.1 全文总结  71-72
  6.2 主要结论及创新点  72-73
  6.3 展望  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-81

连续激光与30CrMnSiA钢等典型金属材料相互作用机理

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