一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法

1.本发明涉及激光材料加工技术领域，更具体的说是涉及一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法。


背景技术：

2.针对材料对激光吸收率的实验研究，如发明专利cn106353361a所述的测试材料涂覆涂层后的激光吸收率的方法，结合有限元温度场与实验测得板材表面的温度分布，分析对比得到涂覆后的材料对激光的吸收率。与之相似的，专利cn107462597a所述的一种金属材料对激光的吸收率的标定方法，同样是利用热电偶测量工件的测试点在激光照射下温度随时间变化的值再与数值模拟温度场进行对比分析，进而根据模拟中设置的吸收率得出材料对激光的吸收率。上述两种方法在实验测温中，非接触式测温装置主要是对材料表面或背面的温度进行测量，接触式测温装置则是对非激光作用区域的温度进行测量。而这两种基于测温方式和数值模拟获得加工过程中材料的实际吸收率，则存在如下局限性：
3.第一、上述两种方法均不能对熔池内部温度进行有效测量，仅仅是板材表面温度场的测量。而在激光加工过程中，熔池才是激光与材料发生作用的区域，且充满了流动与振荡。熔池的流动与表面振荡势必会扰动板材表面的温度场分布。
4.第二，红外热像仪或热敏电阻等器件受试验条件、测量方法、元件精度及相应时间等因素的影响，其本身也会存在明显的测量误差。
5.第三，上述两种方法都是针对板材表面温度的测量，所获得的结果是基于板材热传导部分所需的激光能量，即相对于板材热传导所需激光功率的吸收率。而无法获得板材的熔化区域质量和蒸发损失质量，即未考虑到材料固-液-气状态转变时克服所需熔化潜热与蒸发潜热能量的影响，仅仅是通过温度场变化去进行对比分析。但在实际的激光加工能量耦合过程中，吸收的能量除了转化为热导温度场外，还需要克服熔化潜热与蒸发潜热。
6.因此，提出一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，该方法简单易操作、不受实验条件限制、计算量小、精度高，适合测量各种材料，尤其是金属材料在不同加工条件下对激光的实际吸收率。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，包括以下步骤：
10.s1、对材料用同一表面处理工艺进行预处理，得到样品；
11.s2、将样品置于防飞溅蹦出的收纳盒子内进行激光加工；
12.s3、对经激光加工后的样品进行切割、打磨、抛光、腐蚀后获取加工区域截面形貌；
13.s4、将加工区域截面形貌与模拟温度场分析结果进行对比分析，当所得温度场中
熔点等温线与截面中的熔合线匹配一致时，数值模拟中设置的吸收率即为材料传热部分所需的对入射激光的吸收率a1；
14.s5、测量焊后样品的焊缝横截面和熔化体积，并根据材料密度得出熔化质量，进而计算克服熔池熔化潜热所需的吸收率a2；
15.s6、焊接前后测量收纳盒子的质量得到样品的质量亏损，进而计算出克服样品蒸发潜热所需的吸收率a3；
16.s7、根据所得a1、a2和a3，得出样品对入射激光的吸收率a。
17.可选的，所用激光为聚焦状态，其光斑能量为高斯分布；激光在样品上的焊接模式为热导模式或深熔模式。
18.可选的，在对样品进行激光加热温度场模拟时，热导模式下的激光热源模型为高斯面热源模型如下式：
[0019][0020]
式中，r0为光斑半径；a1为模拟中设置的吸收率；p为激光功率；材料密度为ρ。
[0021]
可选的，深熔模式下的激光热源模型为高斯旋转体热源模型如下式：
[0022][0023]
式中，r0为光斑半径；a1为模拟中设置的吸收率；p为激光功率；h为热源高度。
[0024]
可选的，s1中的样品为板状。
[0025]
可选的，利用下式计算克服熔化潜热部分的吸收率a2：
[0026][0027]
式中，mm为熔化质量，lm为熔化潜热；p为激光功率，t为激光的作用时间。
[0028]
可选的，利用下式计算克服材料蒸发潜热所需吸收率a3：
[0029][0030]
式中，mv为烧蚀蒸发质量，lv为蒸发潜热；p为激光功率，t为激光的作用时间。
[0031]
可选的，样品对入射激光的吸收率a可由下式进行计算：
[0032]
a＝a1+a2+a3。
[0033]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，具有以下有益效果：
[0034]
本发明利用熔池凝固形貌获取激光作用区域熔化状态，然后将测量的焊缝实际熔合线与有限元温度场中熔点等温线进行对比，并综合考虑了材料在激光加工过程中所需克服的熔化潜热与蒸发潜热，进而得出材料对入射激光的实际吸收率。该方法简单易行，计算量小、精度高，适合测量各种材料，尤其是金属材料在不同加工条件下对激光的实际吸收率。
附图说明
[0035]
为了更清楚地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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明提供的一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法流程图；
[0037]
图2为本发明的实际焊缝截面与仿真温度对比图；
[0038]
其中，1-模拟温度场中的熔点等温线、2-实际熔合线、3-焊缝余高。
具体实施方式
[0039]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
参照图1所示，本发明公开了一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，包括以下步骤：
[0041]
s1、首先对材料用同一表面处理工艺进行预处理，以保持材料表面状态的一致性，从而保证材料表面对激光吸收率的一致性；
[0042]
s2、将样品置于防飞溅蹦出的收纳盒子内进行激光加工，且同一参数进行多次试验，以确保试验结果的准确性；
[0043]
s3、对经激光加工后的样品进行切割、打磨、抛光、腐蚀后获取加工区域截面形貌；
[0044]
s4、将加工区域截面形貌与模拟温度场分析结果进行对比分析，不断调整数值模拟中的吸收率，当所得温度场中熔点等温线与截面中的熔合线匹配一致时，数值模拟中设置的吸收率即为材料传热部分所需的对入射激光的吸收率a1；
[0045]
s5、测量焊后板材的焊缝横截面和熔化体积，并根据材料密度等得出熔化质量，进而计算克服熔池熔化潜热所需的吸收率a2；
[0046]
s6、焊接前后测量收纳盒子的质量得到板材的质量亏损，并以此表征材料的蒸发烧蚀质量，进而计算出克服材料蒸发潜热所需的吸收率a3；
[0047]
s7、根据所得a1，a2，a3，得出材料对入射激光的吸收率a。
[0048]
进一步的，所用激光为聚焦状态，其光斑能量为高斯分布；激光在板材上的焊接模式为热导模式或深熔模式。
[0049]
更进一步的，在对材料进行激光加热温度场模拟时，热导模式下的激光热源模型为高斯面热源模型如下式：
[0050][0051]
进一步的，深熔模式下的激光热源模型为高斯旋转体热源模型如下式：
[0052][0053]
式中r0为光斑半径；a1为模拟中设置的吸收率；p为激光功率；h为热源高度。
[0054]
更进一步的，待测试材料为板状。
[0055]
进一步的，利用下式计算克服熔化潜热部分的吸收率a2：
[0056][0057]
式中mm为熔化质量，lm为熔化潜热；p为激光功率，t为激光的作用时间。
[0058]
更进一步的，利用下式计算克服材料蒸发潜热所需吸收率a3：
[0059][0060]
式中mv为烧蚀蒸发质量，lv为蒸发潜热；p为激光功率，t为激光的作用时间。
[0061]
进一步的，材料对入射激光的吸收率a可由下式进行计算：
[0062]
a＝a1+a2+a3。
[0063]
参照图2所示，该实施例选用材料为10mm厚的q235低碳钢，设备为ipgysl-6000光纤激光器，出光功率为3000w，多模连续输出，发射激光波长为1070nm，离焦量为50mm，光斑直径为4.2mm，出光时间设定为30ms，进行热导模式加工。该实施例具体步骤如下：
[0064]
首先采用磨削工艺处理材料表面，并用丙酮溶液将试样表面的油污和杂质擦拭干净。激光束与板材间保持相对静止，由激光器出光30ms，在板材表面进行烧蚀，使材料表面熔化形成熔池；
[0065]
待熔池凝固后经线切割、打磨、抛光、腐蚀后获取加工区域截面形貌，腐蚀溶液为5％硝酸酒精溶液；
[0066]
根据公式1：利用仿真软件求得该条件下的温度场；将加工区域截面形貌与模拟温度场分析结果进行对比分析，不断调整数值模拟中的吸收率，当所得温度场中熔点等温线与截面中的熔合线匹配良好时，数值模拟中设置的吸收率即为上述加工条件下q235低碳钢板材传热部分对入射激光的吸收率a1，为39.6％；
[0067]
根据公式3：计算得出上述加工条件下q235低碳钢板材克服熔池熔化潜热所需的吸收率a2为1.36％；
[0068]
根据公式4：计算得出上述加工条件下q235低碳钢板材克服蒸发潜热所需吸收率a3为1.78％；
[0069]
根据公式5：a＝a1+a2+a3得出上述加工条件下q235低碳钢板材对入射激光的实际吸收率a为42.74％。
[0070]
本发明方法利用高功率激光作用于待测的材料表面，使材料表面熔化产生熔池，待熔池凝固后经线切割、打磨、腐蚀后得到焊缝截面形貌，并对焊缝熔深和熔化面积进行测量。然后采用数值模拟获得熔池的温度场，并将温度场中熔点等温线与焊缝截面中的熔合线进行对比。当模拟获得的温度场中熔点等温线与焊缝截面中的熔合线匹配良好时，数值模拟中设置的吸收率即为材料热传导所需的对入射激光的吸收率a1；并通过测量与计算，综合考虑到材料在激光加工过程中克服熔池熔化潜热所需吸收率a2，与克服蒸发潜热所需吸收率为a3；最终得出材料对入射激光的吸收率a。本发明具有可以简易、快速、准确获取材料对入射激光实际吸收率的特点。
[0071]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他
实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0072]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、对材料用同一表面处理工艺进行预处理，得到样品；s2、将样品置于防飞溅蹦出的收纳盒子内进行激光加工；s3、对经激光加工后的样品进行切割、打磨、抛光、腐蚀后获取加工区域截面形貌；s4、将加工区域截面形貌与模拟温度场分析结果进行对比分析，当所得温度场中熔点等温线与截面中的熔合线匹配一致时，数值模拟中设置的吸收率即为材料传热部分所需的对入射激光的吸收率a1；s5、测量焊后样品的焊缝横截面和熔化体积，并根据材料密度得出熔化质量，进而计算克服熔池熔化潜热所需的吸收率a2；s6、焊接前后测量收纳盒子的质量得到样品的质量亏损，进而计算出克服样品蒸发潜热所需的吸收率a3；s7、根据所得a1、a2和a3，得出样品对入射激光的吸收率a。2.根据权利要求1所述的一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，其特征在于，所用激光为聚焦状态，其光斑能量为高斯分布；激光在样品上的焊接模式为热导模式或深熔模式。3.根据权利要求2所述的一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，其特征在于，在对样品进行激光加热温度场模拟时，热导模式下的激光热源模型为高斯面热源模型如下式：式中，r0为光斑半径；a1为模拟中设置的吸收率；p为激光功率；材料密度为ρ。4.根据权利要求2所述的一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，其特征在于，深熔模式下的激光热源模型为高斯旋转体热源模型如下式：式中，r0为光斑半径；a1为模拟中设置的吸收率；p为激光功率；h为热源高度。5.根据权利要求1所述的一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，其特征在于，s1中的样品为板状。6.根据权利要求1所述的一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，其特征在于，利用下式计算克服熔化潜热部分的吸收率a2：式中，m
m
为熔化质量，l
m
为熔化潜热；p为激光功率，t为激光的作用时间。7.根据权利要求1所述的一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，其特
征在于，利用下式计算克服样品蒸发潜热所需吸收率a3：式中，m
v
为烧蚀蒸发质量，l
v
为蒸发潜热；p为激光功率，t为激光的作用时间。8.根据权利要求1所述的一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，其特征在于，样品对入射激光的吸收率a可由下式进行计算：a＝a1+a2+a3。

技术总结
本发明公开了一种测量激光焊接中材料对入射激光的吸收率的方法，应用于激光材料加工技术领域。采用非穿透激光焊接方式，并测量焊缝横截面中熔合线轮廓、焊缝横截面积和熔化体积、焊接前后板材的质量亏损；通过比对温度场中熔点等温线与焊缝截面中的熔合线，当二者匹配一致时，温度场模拟中设置的吸收率即为材料热传导所需的对入射激光的吸收率A1；计算克服熔池熔化潜热所需吸收率为A2；以焊接前后板材的质量损失来表征材料的蒸发烧蚀质量，进而得出克服蒸发潜热所需的吸收率为A3。材料对入射激光的吸收率A＝A1+A2+A3。本发明可以简易、快速、准确获取材料对入射激光的实际吸收率。准确获取材料对入射激光的实际吸收率。准确获取材料对入射激光的实际吸收率。


技术研发人员：邹江林 谢顺 祝宝琦 赵宇 杨武雄
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/8/6