2激光技术与应用.ppt

在不同占空比的重复频率脉冲激光辐照下，数值模拟了金属材料前、后表面的温升特性和烧蚀深度变化规律，考察了材料厚度和物性的影响。模拟结果表明，材料前表面温升曲线呈齿状；激光占空比越小或者材料越薄，材料后表面温度越高，烧蚀越深；与连续激光相比，重复频率脉冲激光更有利于金属材料的加热及烧蚀。

激光二极管(LD)抽运的全固态激光器(DPSSL)应用广泛。抽运光在激光晶体中产生的热效应是影响全固态激光器工作特性的主要因素之一。通常先求解激光晶体中的温度场分布, 再对热应变积分计算晶体的热变形量, 这是一个既复杂又困难的过程。将求解晶体热传导微分方程与对热应变积分计算晶体热变形量相结合, 在圆截面激光晶体侧面恒温、端面绝热的条件下, 建立了晶体热变形量满足的微分方程和边界条件, 把冗长的两步压缩为简单的一步, 并使微分方程大为简化；得到了圆截面激光晶体热变形量的解析解；给出了一个算例。借助数值计算, 分析了晶体抽运端热变形量及变形端面曲率半径与抽运光束半径之间的关系。提出的圆截面激光晶体热变形量简便求解方法有一定的通用性。

基于热-结构间接耦合非线性有限元分析，在不同的激光工艺参数下，利用ANSYS生死单元技术对激光熔覆的温度场和应力场进行了数值模拟，研究了激光功率和扫描速度对温度场和应力场分布规律的影响。结果表明，通过分析有限元模型的温度分布规律和试件金相组织的形貌特征，验证了该模型的可靠性；熔覆层温度变化分为脉冲式急速上升和呈双曲线形状下降两个阶段；沿激光扫描方向，熔覆层表面多个节点的温度-时间曲线具有逐渐增大的峰值；熔覆层与基体结合面中部沿Z轴方向，靠近固定端应力较大，基底中部沿X轴方向应力呈W状对称分布，自由端中部沿Y轴方向，熔覆层和基体结合处易产生应力集中和突变。

针对金属材料的激光立体成形 (MLSF)工艺,利用大型有限元分析工具Ansys的二次开发语言APDL,开发了成形过程温度场、应力场的参数化有限元模型。该模型综合考虑了随温度变化的材料非线性、高斯激光能量分布、对流/辐射换热边界条件、相变以及自由变形约束等一系列问题。通过使用过渡网格划分技术,在提高计算精度的基础上,大幅减少了单元数目,从而实现了金属激光立体成形过程的整体建模。采用移动热源和单元生死技术,对激光成形过程热应力场进行了有效仿真,在准确计算温度场演化规律的基础上,揭示了塑性压缩区、塑性拉伸区、卸载区等热应力场产生的原因。使用该参数化模型便于研究金属激光立体成形工艺条件、不同材料等对成形过程热应力场的影响。

以平面应变理论为基础,从弹性动力学平衡方程出发,推导得到频域动力学平衡方程。忽略材料的粘性特征,分别在时域和频域中建立激光激发兰姆(Lamb)波的有限元数值模型。比较分析两种模型的求解过程,在此基础上,在频域中研究激光作用在粘弹性薄板上激发Lamb波的特征。结果表明,激光激发的Lamb波主要包含低频的弱色散的对称模和色散的反对称模;有限元频域模型能有效地处理粘弹性材料中Lamb波的传播问题;材料的粘性特征会引起Lamb波的振幅衰减,且不同模式波的衰减(因子)不同。

以脉宽为毫秒量级的单脉冲激光逆重力方向对金属的打孔实验为模拟对象，利用ANSYS软件并基于生死单元方法进行了数值仿真。根据靶材受热表面的气化压力反作用于熔融层的力学效应，建立了熔融液体克服表面张力运动的喷溅模型；分别用有限元法和有限差分法对二维轴对称的热传导方程和流体的一维欧拉运动方程进行耦合求解，得到了不同时刻模型的温度场和流场；应用生死单元法使发生喷溅的熔融液体单元在计算中失效，并得到了孔洞内壁和洞口表面的形状，其形貌与文献报道的实验结果相符合。数值结果显示出洞底附近的孔洞内壁具有不规则凹凸，而洞口则呈喇叭状，这是打孔过程中熔融液体在洞底附近的熔融层较薄处发生流动中断和位于洞口两侧的液体间张力作用所致。

随着激光器光束质量的改善和输出功率的提高，激光深熔焊接技术在激光加工和焊接领域的份额逐渐增加。对近期国内外激光深熔焊接领域的主要成果进行了概括和总结，讨论了激光深熔焊接的特点和局限性，同时也对激光深熔焊接技术在大功率激光器的开发、激光深熔焊接过程的稳定性、等离子体控制、外加辅助电磁场、激光电弧复合焊接技术等方面的主要研究特点进行了分析和讨论。结合科技发展趋势和激光焊接技术的特点，对激光深熔焊接技术的研究重点进行了讨论和展望。

利用波前像差的泽尼克(Zernike)模式分解, 分析了光学系统的静态像差和动态像差与系统的光束质量β因子间的关系。建立了静态和动态Zernike像差系数与β间的计算表达式, 并用数值计算方法得到了前65阶静态和动态Zernike像差与β间的近似公式拟合系数。在此基础上建立了符合科尔莫哥诺夫(Kolmogorov)大气湍流引起的动态Zernike像差与β间的对应关系。数值计算结果验证了该分析结论和得到的近似计算公式的正确性。

材料的力学性能直接影响到构件的安全性和寿命，而材料的弹性常数是其力学性能的重要指标。利用有限元软件Abaqus模拟了激光激发的超声表面波和纵波在金属薄板试样表面及体内的传播过程。采用修正的高斯分布的力源等效激光对样品的脉冲作用来产生超声波，在边界处设置无限单元消除反射回波的干扰信号，并由接收点的超声表面波和纵波信号计算得到波速大小，再根据波速和弹性常数之间的关系得到材料的弹性常数。数值结果与理论解吻合良好，为激光超声检测材料弹性常数提供了一种十分有效的数值方法。