CN111046535B - 一种激光加工热分布计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，具体公开了一种激光加工热分布计算方法，包括(1)选定基板并定义基板的物性参数；(2)设定基板的初始温度，在基板上建立三维坐标系，确定基板的初始条件；(3)定义激光光束的物理参数，设定激光光束的能量分布以高斯分布热流密度的形式加载；(4)将激光光束垂直照射在基板表面，并移动激光光束通过表面热源边界条件进行加载，确定激光光束照射的外界条件等步骤。本发明的激光加工热分布计算方法，采用激光光束以高斯分布热流密度的形式加载在基板上，建立了三维的热导模型，推算出基板的热分布情况，相比于现有技术中积分平均值的计算方式，大大减少了模型误差，能够快速计算出更加精确的基板热源分布情况。

Description

一种激光加工热分布计算方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种激光加工热分布计算方法。
背景技术
根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类，激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等。
人们为了简化激光照射在材料表面的热源表达式，通常采用了热源照射区域上热分布的积分平均值取代这一区域的真正热源分布(参见2016年虞钢等编的《激光先进制造技术及其应用》，国防工业出版社)，这样就会产生模型误差，从而无法计算出精准的热源分布情况。
发明内容
针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种激光加工热分布计算方法。
一种激光加工热分布计算方法，包括以下步骤：
(1)选定基板并定义基板的物性参数，基板的物性参数至少包括厚度X、表面半径R、密度ρ、比热容c、热导率κ和熔点K1；
(2)设定基板的初始温度为Ta，并在基板上建立三维坐标系，且基板的初始条件为：T(x,y,z)|t＝0＝Ta；
(3)定义激光光束的物理参数，包括激光功率P、光束半径rb，设定激光光束的能量分布以高斯分布热流密度的形式加载，满足：
Figure GDA0003786761950000011
其中α为基板的吸收系数；
(4)将激光光束垂直照射在基板表面，并移动激光光束通过表面热源边界条件进行加载，满足：
Figure GDA0003786761950000021
s∈Ω；激光照射区域Ω外的边界与空气接触，激光光束照射的外界条件为：
Figure GDA0003786761950000022
其中，热导率κ＝D·ρc，D为扩散率，Ω为激光照射区域范围，hc为基板表面散热系数；
(5)确定三维热导模型，并对三维热导模型进行转换计算；三维热导模型满足：
Figure GDA0003786761950000023
其中，t为激光光束照射时间；
(6)调用Matlab软件进行数值实验。
进一步的，步骤(5)中对三维热导模型进行转换计算包括：
(501)展开计算为：
Figure GDA0003786761950000024
(502)将三维热导模型转换为圆柱坐标形式模型：
Figure GDA0003786761950000031
进一步的，步骤(6)包括：
(601)对实验参数进行赋值，实验参数包括基板的材质、尺寸、物性参数、吸收系数α、初始温度Ta以及激光光束的物理参数；
(602)将数值填入Matlab软件中进行计算并输出仿真结果。
进一步的，步骤(601)中，还包括设定激光照射时间t，以及时间步长Δt。
进一步的，步骤(601)中基板的材质为316不锈钢，基板的厚度X为0.3mm，基板的表面半径R为0.03mm，基板的密度ρ为8×103kg/m3，基板的比热容c为500J/(kg·K)，基板的热导率κ为21.5W/(m·K)，基板的熔点K1为1673K，基板的吸收系数α为1，基板的初始温度Ta为20℃；
激光功率P为200W，光束半径rb为0.5mm。
进一步的，激光照射时间t为0.001秒，时间步长Δt为0.0001秒。
本发明实施例的激光加工热分布计算方法，采用激光光束以高斯分布热流密度的形式加载在基板上，建立了三维的热导模型，再根据激光光束传播的特性引入圆柱坐标，将三维问题转化为二维问题，推算出基板的热分布情况，相比于现有技术中积分平均值的计算方式，大大减少了模型误差，能够快速计算出更加精确的基板热源分布情况。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例的激光加工热分布计算方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例的激光加工热分布计算方法的三维坐标示意图；
图3为本发明实施例的激光加工热分布计算方法的实验仿真图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种激光加工热分布计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S101：选定基板并定义基板的物性参数，基板的物性参数至少包括厚度X、表面半径R、密度ρ、比热容c、热导率κ和熔点K1。
密度ρ、比热容c、热导率κ和熔点K1均与基板所选的材质有关，本实施例中的基板可根据不同需求选用不同材质。
步骤S102：设定基板的初始温度为Ta，并在基板上建立三维坐标系，确定基板的初始条件为：T(x,y,z)|t＝0＝Ta。
x,y,z分别表示三维坐标系的x轴、y轴、z轴，具体建立如图2所示。
步骤S103：定义激光光束的物理参数，包括激光功率P、光束半径rb，设定激光光束的能量分布以高斯分布热流密度的形式加载，满足：
Figure GDA0003786761950000041
Figure GDA0003786761950000042
其中α为基板的吸收系数。
本发明实施例将激光光束的能量分布设定为高斯分布，即满足：
Figure GDA0003786761950000043
所以激光光束的能量分布以高斯分布热流密度的形式加载，满足
Figure GDA0003786761950000051
步骤S104：将激光光束垂直照射在基板表面，并移动激光光束通过表面热源边界条件进行加载，满足：
Figure GDA0003786761950000052
s∈Ω；激光照射区域Ω外的边界与空气接触，激光光束照射的外界条件为：
Figure GDA0003786761950000053
其中，热导率κ＝D·ρc，D为基板的扩散率，Ω为激光照射区域范围，hc为基板表面散热系数。
本步骤确定出激光光束加载的边界条件以及外界条件，分别为
Figure GDA0003786761950000054
Figure GDA0003786761950000055
s∈Ω，
Figure GDA0003786761950000056
步骤S105：确定三维热导模型，并对三维热导模型进行转换计算；三维热导模型满足：
Figure GDA0003786761950000057
其中，t为激光光束照射时间。
结合步骤S101至S104，采用所有限定条件确定出三维热导模型，对该三维热导模型进行转换计算，具体为：
步骤S1051：展开计算为：
Figure GDA0003786761950000058
步骤S1052：将三维热导模型转换为圆柱坐标形式模型：
Figure GDA0003786761950000061
步骤S106：调用Matlab软件进行数值实验。
具体的，步骤S106包括：
步骤S1061：对实验参数进行赋值，实验参数包括基板的材质、尺寸、物性参数、吸收系数α、初始温度Ta以及激光光束的物理参数；
步骤S1062：将数值填入Matlab软件中进行计算并输出仿真结果。
具体的，本实施例的步骤S1061中还包括设定激光照射时间t，以及时间步长Δt。
具体的，本实施例的步骤S1061中，对实验参数进行赋值可采取：基板的材质为316不锈钢，基板的厚度X为0.3mm，基板的表面半径R为0.03mm，基板的密度ρ为8×103kg/m3，基板的比热容c为500J/(kg·K)，基板的热导率κ为21.5W/(m·K)，基板的熔点K1为1673K，基板的吸收系数α为1，基板的初始温度Ta为20℃；激光功率P为200W，光束半径rb为0.5mm，激光照射时间t为0.001秒，时间步长Δt为0.0001秒。
将以上数值填入Matlab软件中进行计算并输出仿真结果，如图3所示，为本发明实施例的基板经过激光光束照射后的温度分布情况，由该实验结果可知，316不锈钢材质的基板只有在激光作用的区域内，即半径r为0的附近区域，温度才会有明显地变化(紫色部分)，而其他离激光作用区域相对较远的区域(蓝色部分)的温度则基本不变，保持为初始温度，分析此实验结果的原因，这种现象主要是由于基板的热导率较低导致的，从而导致了基板表面和基板背面的温差较大。
本发明实施例的激光加工热分布计算方法，采用激光光束以高斯分布热流密度的形式加载在基板上，建立了三维的热导模型，再根据激光光束传播的特性引入圆柱坐标，将三维问题转化为二维问题，推算出基板的热分布情况，相比于现有技术中积分平均值的计算方式，大大减少了模型误差，能够快速计算出更加精确的基板热源分布情况。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (5)

1.一种激光加工热分布计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选定基板并定义基板的物性参数，所述基板的物性参数至少包括厚度X、表面半径R、密度ρ、比热容c、热导率κ和熔点K1；
(2)设定所述基板的初始温度为Ta，并在所述基板上建立三维坐标系，且所述基板的初始条件为：T(x,y,z)|t＝0＝Ta；
(3)定义激光光束的物理参数，包括激光功率P、光束半径rb，设定激光光束的能量分布以高斯分布热流密度的形式加载，满足：
Figure FDA0003786761940000011
其中α为基板的吸收系数；其中，q(r)表示激光光束的能量分布，r表示基板上的点到坐标原点的距离；
(4)将激光光束垂直照射在基板表面，并移动激光光束通过表面热源边界条件进行加载，满足：
Figure FDA0003786761940000012
激光照射区域Ω外的边界与空气接触，激光光束照射的外界条件为：
Figure FDA0003786761940000015
其中，热导率κ＝D·ρc，D为扩散率，Ω为激光照射区域范围，hc为基板表面散热系数；
(5)确定三维热导模型，并对所述三维热导模型进行转换计算；所述三维热导模型满足：
Figure FDA0003786761940000014
其中，t为激光光束照射时间；
(6)调用Matlab软件进行数值实验；
所述步骤(5)中对所述三维热导模型进行转换计算包括：
(501)展开计算为：
Figure FDA0003786761940000021
(502)将三维热导模型转换为圆柱坐标形式模型：
Figure FDA0003786761940000022
2.如权利要求1所述的一种激光加工热分布计算方法，其特征在于，所述步骤(6)包括：
(601)对实验参数进行赋值，所述实验参数包括所述基板的材质、尺寸、物性参数、吸收系数α、初始温度Ta以及所述激光光束的物理参数；
(602)将数值填入Matlab软件中进行计算并输出仿真结果。
3.如权利要求2所述的一种激光加工热分布计算方法，其特征在于，所述步骤(601)中，还包括设定激光照射时间t，以及时间步长Δt。
4.如权利要求3所述的一种激光加工热分布计算方法，其特征在于，所述步骤(601)中所述基板的材质为316不锈钢，所述基板的厚度X为0.3mm，所述基板的表面半径R为0.03mm，所述基板的密度ρ为8×103kg/m3，所述基板的比热容c为500J/(kg·K)，所述基板的热导率κ为21.5W/(m·K)，所述基板的熔点K1为1673K，所述基板的吸收系数α为1，所述基板的初始温度Ta为20℃；
所述激光功率P为200W，光束半径rb为0.5mm。
5.如权利要求3所述的一种激光加工热分布计算方法，其特征在于，所述激光照射时间t为0.001秒，所述时间步长Δt为0.0001秒。
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