一种金属材料实际表面激光吸收率数值计算方法

技术领域

本发明涉及一种普适性强的金属材料实际表面激光吸收率数值计算方法，属于激光先进制造物理学领域。

背景技术

随着计算机科学的发展，数值模拟逐渐成为研究激光与材料相互作用的重要手段，在工程领域也有广泛的应用，通过数值模拟可以减少试验工作量，降低实验盲目性，准确掌握加工过程中产生的物理变化，为工程实践提供参考。例如在激光重熔、激光熔覆、激光增材制造、激光焊接等领域，通过数值模拟可以帮助人们研究材料的传热传质、热应力变形、结构优化过程，对加工工艺窗口的探索、工艺参数优化，材料组织和性能调控等起到指导和预测作用。目前科学研究和工程技术领域常用的数值模拟方法有边界元法、有限差分法、离散单元法和有限单元法。构建更精确的物理模型，提高物理过程描述的准确性，是能否获得可靠模拟结果的关键因素，也是近年来国内外广大学者和工程技术人员的关注方向。

模型构建和参数设置过程中，传热、流动形式设定、热源模型选择、边界条件确定、材料物理属性加载、材料表面对激光的吸收率等都是十分重要的基础参数。随着计算机仿真软件的发展，传热、流动形式的基础设定、边界条件加载，甚至各类材料的基本物理属性已经被大量编入软件预设内置程序中，实现了集成化，同时，广大学者针对不同激光加工的特点，也提出并修正了一系列激光热源模型，能够实现较高的模拟精度。但是，目前在激光加工领域基于理论的数值模拟研究结果与实际试验结果依然有较大差距，这是由于现在的研究中，对于材料表面激光吸收率，还没有准确的数值计算方法。

此前研究中针对金属材料表面对激光吸收率这一参数大多基于工程经验、实验结论反推来确定，无法从理论角度验证模型的可信性和准确性。而吸收率在材料与激光相互作用的过程中起到重要作用，特别是对于铝或铝合金这类高反射材料，其理论吸收率仅5％左右，但实际加工过程中吸收率远高于理论值，直接带入理论值无法获得准确模拟结果。这是由于决定吸收率的影响因素十分复杂，不仅与温度有关，还与金属材料自身物理特性、激光波长、材料表面氧化层、表面粗糙度等多方面因素有关，这些因素使得理论吸收率与实际吸收率相差数倍，导致模拟结果不准确。

为了准确表征材料对激光的吸收率，提高数值模拟精度，从金属材料物理属性出发，结合具体材料表面特征，利用数值计算软件，开发一种与材料物理性质、激光波长、表面粗糙度、表面形貌相关的实际表面激光吸收率随温度变化的数值计算模型十分必要。

发明内容

本发明针对激光加工中金属材料对激光的吸收率，开发一种实际表面激光吸收率随温度变化的数值计算模型，能够准确反映实际表面对激光的吸收率。

本发明的技术方案如下。

本发明第一方面提供了一种金属材料实际表面激光吸收率数值计算方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据金属材料的固有吸收率，计算得到修正的固有吸收率随温度变化曲线；

步骤S2，根据金属材料的表面特征，统计所述金属材料的对入射激光的光线吸收模式；

步骤S3，将所述光线吸收模式的统计结果代入所述固有吸收率随温度变化曲线，得到所述金属材料的固态粗糙表面实际吸收率随温度变化曲线。

优选地，所述步骤S1以Drude模型为基础，考虑实际材料属性随温度变化，并根据具体合金组织结构特征对其中的计算参数进行修正，得到修正的固有吸收率随温度变化曲线。

优选地，所述步骤S2进一步包括：

步骤S21，构建反映所述金属材料的实际表面微观特征的分形轮廓线；

步骤S22，将激光简化成功率分布均等、间距均等的平行离散线性光线垂直入射在所述分形轮廓线的表面结构上；

步骤S23，基于微观粗糙表面光线多次吸收的原理，通过光线反射定律统计每条入射光线反射次数，并分情况统计光线吸收模式。

优选地，所述步骤S21中分形轮廓线的构建基于一维Weierstrass-Mandelbrot分形函数，其表达式为：

其中，γ

优选地，所述步骤S23中统计光线吸收模式包括单次反射的情况，该情况下材料对激光仅有一次吸收。

优选地，所述步骤S23中统计光线吸收模式包括无限次反射的情况，该情况下光线经若干次反射-吸收过程，最终被完全吸收。

优选地，所述步骤S23中统计光线吸收模式包括多次反射的情况，该情况下金属材料表面对光线进行有限次吸收。

优选地，所述步骤S3计算每一束入射光线的总吸收率并取平均，依据固有吸收率对固态粗糙表面实际吸收率进行修正。

本发明第二方面提供了一种金属材料实际表面激光吸收率数值计算装置，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，所述一个或多个处理器实现如上述技术方案中任一项所述的方法。

本发明第三方面提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上述技术方案中任一项所述的方法。

通过以上技术方案，本发明能够取得以下有益效果。

首先，本发明的数值计算方法易于使用，仅需悉知材料相关物理属性及表面粗糙轮廓数据，便可实现对不同金属材料、不同表面状况、不同波长激光的吸收率数值计算。

同时，本发明的数值计算方法考虑了吸收率随温度的变化。实验和测试的结果证明，本发明的数值计算方法具有较高的准确性，能够大幅提高激光加工数值模拟结果的准确度。

附图说明

图1是实施例中的Al-20Si合金密度、电阻率随温度变化示意图；

图2是根据本发明得到的基于Drude模型的修正的固有吸收率随温度变化曲线；

图3是实施例中的实际样品表面轮廓特征的获取步骤示意图；

图4是本发明建立的结构函数法确定分形参数计算程序双对数拟合结果示意图；

图5本发明建立的粗糙结构激光多次吸收机制和数值计算入射光排布示意图；

图6依据本发明模型得到的实际表面实际吸收率随温度变化曲线与原始Drude模型及实验结果对比。

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。

本发明从两个部分考虑金属材料对激光的吸收率，包括固有吸收率和固相粗糙表面总吸收率。对于固有吸收率，本发明以Drude模型为基础，考虑实际材料属性随温度变化，并根据具体合金组织结构特征对其中的计算参数(如价电子数)进行修正，得到修正的固有吸收率随温度变化曲线。对于固相粗糙表面总吸收率，本发明依据分形理论以及Weierstrass-Mandelbrot随机分形函数构造材料表面微观轮廓表征模型，结合对实际表面的取样观测结果，建立反映实际表面微观特征的分形轮廓线。基于微观粗糙表面光线多次吸收的原理，定义入射光为若干条平行光束，通过光线反射定律统计每条入射光线反射次数，并分三类情况统计光线吸收模式。将吸收次数统计结果带入固有吸收率修正模型，得到实际表面激光吸收率随温度变化数值计算模型。

实施例

本实施例以波长为1060nm光纤激光重熔铸造Al-20Si合金为案例进行说明，样品为Ra 6.3，磨削加工的粗糙表面。

表1 Al-20Si合金物理参数

首先是根据固有吸收率算得到修正的固有吸收率随温度变化曲线。

表1中是Al-20Si合金及一些基本物理参数，其中密度ρ，电阻率ρ

A

其中A

接下来，对样品实际表面取样观测，并基于Weierstrass-Mandelbrot随机分形函数和结构函数法，建立微观粗糙表面分形轮廓线。

图3是获取实际样品表面轮廓特征的步骤，其中图3(a)是样品表面宏观形貌，使用表面形貌仪等观测仪器在表面取100×100μm的特征区域，图3(b)、(c)是此区域三维形貌及高程伪色视图，沿X轴方向取一条轮廓如图3(d)所示，并记录取样点位置及高度坐标。根据提取的轮廓数据进行结构函数的构建、运算及双对数拟合，运算结果如图4所示，计算得到分形维度D＝1.7748和尺度系数G＝0.1248。

分形轮廓线的构建基于一维Weierstrass-Mandelbrot分形函数，其表达式为：

其中，γ

在(2)式中代入分形参数，得到表征实际样品粗糙特征的分形轮廓线，并依据以下规则，统计微观粗糙结构实际吸收率。

如图5(b)所示，将激光简化成功率分布均等、间距均等的平行离散线性光源垂直入射在分形轮廓线表面结构上。入射光线条数可自由变换，本实施例取200条。依据光线反射定律，将出现三种情况：(1)单次反射，该情况下材料对激光仅有一次吸收；(2)无限次反射，经若干次反射-吸收过程，最终被完全吸收；(3)多次反射，材料表面对光线进行有限次吸收，如图5(a)所示。

输入修正的固有吸收率模型，计算每一束入射光线的实际吸收率并取平均，得到固态粗糙表面实际吸收率随温度变化曲线。

如图6所示，实际吸收率相较原始Drude模型在固态阶段平均提高了10倍。利用分光光度计测量常温下Al-20Si样品的吸收率，得到的结果与本发明的方法计算得到的常温吸收率结果相差仅0.8％，证明本发明的方法具有较高的准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。