激光線源寬對鋁管中溫度場的影響

較了激光線源寬對溫度場的影響， 鋁管時(shí)產(chǎn)生的溫升情況。結(jié)果表明；相同激光能量情 況下線源越窄溫升會越高，但除激光作用區(qū)域外在徑向和周向的熱擴(kuò)散有效長度不變。關(guān)鍵詞：激光線源；瞬態(tài)溫度場；熱擴(kuò)散；有限元方法 中圖分類號：０４２６ ７ｎ豫ｉｎｆｉｕｅｎｅｅ ｏｆ ｔｈｅ 近年米，隨著激光超聲在司體材料尤損評價(jià)中的廣泛應(yīng) 用，脈沖激光在材料中激發(fā)超聲波的理論和實(shí)驗(yàn)的研究越來標(biāo)系，則材料各向同性時(shí)柱坐標(biāo)下的二維熱傳導(dǎo)方程表示 為：經(jīng)常遇到一個(gè)重要問題，目前利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行管道無損 檢測的研究主要集中在利用超聲換能器來激發(fā)導(dǎo)波Ｃ４—５Ｊ。而激光超聲和這種傳統(tǒng)超聲相比具有許多優(yōu)點(diǎn)

，因此研究 管狀材料中激光超聲導(dǎo)波就十分必要。由于熱彈條件下的激光超聲是樣品吸收能量，從而溫度上升而產(chǎn)生熱膨脹，所 以研究管狀材料中激光超聲導(dǎo)波的前提是得到鋁管管狀材料中 瞬態(tài)溫度場。要對熱彈機(jī)制下脈沖激光作用于管狀材料 產(chǎn)生的溫度場進(jìn)行精確解析求解十分困難，求解熱傳導(dǎo)方 程的數(shù)值計(jì)算中主要用顯式或隱式有限差分法.有限差分法無法考慮材料熱物理參數(shù)隨溫度變化 情況，而有限元方法重復(fù)性好，能夠靈活處理復(fù)雜的幾何 模型并且能夠得到全場數(shù)值解，另釙有限元模型能夠處理多 種因素.究脈沖激光作為表面熱源作用于鋁管時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)溫度 場，并比較激光線源寬對材料中溫度場的影響。式中只是樣品表面的反射率，Ｒ１、恐是樣品管的內(nèi)、外 半徑，Ｐ０是輻照激光的功率衢度峰值，［一ａ，口］為外圓柱面 上有激光輻照的角度范圍，ｇ（ｔ）激光脈沖的時(shí)間分布，鋁 管外表面其它范圍和內(nèi)表面絕熱。有限元法把經(jīng)典的熱傳導(dǎo)方程表示成：Ｃ］｛于｝＋［Ｋ］｛ｒ｝＝｛Ｐ１｝＋｛Ｐ２｝ ３）式中［Ｃ］、［Ｋ］分別表示熱容量矩陣和熱傳導(dǎo)矩陣，｛Ｐｌ｝、｛Ｐ２｝表示熱流矢量和內(nèi)熱源矢量，模型中激 光當(dāng)作表面加載，沒有內(nèi)熱源。｛ｒ｝、｛于｝分別表示溫度矢量 和溫度變化率矢量。溫度叮寫成：理論模到本文考慮脈沖激光經(jīng)柱狀透鏡會聚后垂直輻照到管狀式正＋１－ｒ（ｔ＋Ａｔ）乃＝７Ｔ（ｔ）把（４）５）式代入（３）式，可得到一個(gè)可執(zhí)行的靜態(tài)的代數(shù)問題方程，每一個(gè)時(shí)問步的溫度都能得到并且每一時(shí)間步都考慮了材料參數(shù)的變化，從而得到整個(gè)溫度場隨時(shí)間的變化關(guān)系。

       材料外表面，采取在管長方向上都有激光輻照這種模型，如 圖１所示為模型的一個(gè)截面。當(dāng)激光入射到鋁管外表面，一２數(shù)值模擬結(jié)果和討論２．１激光和材料的有關(guān)參數(shù) 基于上述理論，本文計(jì)算了Ｎｄ：ＹＡＧ激光器激發(fā)的激光 脈沖作為面加載作用在管狀鋁材料外表面時(shí)所產(chǎn)生的溫度 場。取鋁管內(nèi)半徑為ｌｃｍ，外半徑為１．１ｅｍ，即管厚只有 ｌｍｍ，個(gè)薄管。由于通常情況下Ｎｄ：ＹＡＧ激光器激光的激 光半徑約３ｍｍ，激光束經(jīng)柱狀透鏡后在軸向沒有會聚，長為部分被反射，一部分被吸收，使材料內(nèi)部局部溫度升高。入射的激光束看成在空間分布上是均勻的分析中采用柱坐收稿日期：２００７一１１—１０ 基金項(xiàng)目：江南大學(xué)青年科學(xué)基金Ｎｏ＂．２００５ＩＯＮ００２１ 激光與物質(zhì)的相互作用。激光線源寬對鋁管中溫度場的影響。６ｒｒ如ａ，由于具有面對稱性，所以模型長取一半為３ｒｒａｎ。周 向，激光經(jīng)柱狀透鏡會聚成一線源，線源寬受會聚程度而定，為了比較激光線源寬對溫度場的影響，分別取一２０一２。和一１。１０對應(yīng)的外弧長范圍內(nèi)輻照激光脈沖這兩種情況，即激光線源寬分別約為７６８ｔ，．ｍ和３８４１肺。激光能量取為 ｌＯＯｍＪ，這能鼉保證激光激發(fā)過程在材料的熱彈機(jī)制下。由 于激光超聲通常用于微結(jié)構(gòu)的研究，所以我考慮ｎｓ級的脈沖激光，激光脈寬取為ｌＯｎｓ。鋁的反射率?。遥剑埃梗覝??。罚ⅲ埃剑常埃埃?。另外，鋁材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化關(guān) 系為（％為鋁的熔點(diǎn)）筇２的溫升情況基本相同，而激光線源寬３１Ｎ蟬ｎ（即一ｌｏ～ｌｏ的范 圍內(nèi)有激光輻照）時(shí)離激光輻照中心事＝００一０．９０范圍內(nèi)各點(diǎn) 溫升情況基本相同，這是因?yàn)槲壹虞d的激光在時(shí)間上是高斯分布，而在空間上看成是均勻加載。另外，兩種情況下，周向離激光輻照中心分別約２．１。和１．１０處已允溫升，比較 圖３ａ和圖３ｂ的結(jié)果可知：當(dāng)激光線源寬變窄時(shí)，周向的溫度 作用區(qū)域也變窄，彳Ｈ．沿周向在激光作用區(qū)域外，圖３ａ和圖３ｂ 中有溫升的范圍都為０．１。兩種情況下在法向離激光輻照中心約３０胛處都已無有意義的溫升存在也就是說周向和徑向的熱擴(kuò)散有效長度在兩種情況下相 同。