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强激光热作用数值计算及光束参数表述的研究

作　者: 桂进斌
导　师: 李俊昌
学　校: 昆明理工大学
专　业: 应用数学
关键词: 激光热处理激光功率密度光束参数光束半径
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
下　载: 217次
引　用: 2次
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内容摘要

20世纪60年代强激光出现以后，激光热处理开始成为一项获得重要应用及研究的技术。然而，迄今为止，主要依靠总结实验规律来制定热处理工艺仍然是这项技术的现状，为能够从理论上准确预计激光对物质的热作用，实现对这项技术的优化控制，一直是国内外研究人员积极进行的工作。在非熔凝热处理中，由于激光对材料的作用时间较短，热影响区局限于激光辐照区域周围，将被处理材料视为热物性参数为常量的半无限大连续介质，通常可以简明地预计激光热作用结果。基于这种近似，人们导出了椭圆高斯光束辐照温度场计算公式，并获得广泛应用。由于实际激光强度分布非常复杂，为对光束有一个较规范的表述，国际标准化组织对光束束宽及光束半径进行了规定；因此，热处理工艺中对于光束的描述通常只用激光功率，光束半径及离焦量三个参数。从形式上来看，对于给定扫描速度及材料热物性参数后，激光热作用温度场的计算结果已经是完全确定的事。然而，实际应用研究中要根据这些参数对激光热处理工艺进行移植和重现通常出现问题。本研究工作通过较严格的理论计算及实验研究，利用热传导方程的解析解和半解析计算方法考查激光参数的上述表述及基于这些表述及相应的热作用计算公式描述实际问题的可行性，详细讨论了影响热处理结果的主要因素，并得到如下结论：1、当激光光束分布是中央有极大值，并且形式上和基横模高斯光束分布相似的情况时，将光束等效为基横模高斯光束进行热作用计算还是可行的(如YAG激光器输出光束计算相变硬化带平均误差约为：20％)。如将本文讨论的YAG激光器输出光束视为TEM00+TEM01按某种比例的强度叠加的模式，可以进一步减小理论计算与实验测量的误差。2、如果激光光束分布呈复杂高阶模分布，利用86． 5％环围(桶中)功率法将光束等效为高斯光束后，激光热处理温度场计算将和实际结果有较大的误差(如HJ-3型激光器输出光束计算相变硬化带平均误差达46％左右)。3、使用国际标准化组织对束宽的定义，把实际光束等效为椭圆高斯光束能得到和实际测量结果更接近的结果，但还是无法满足定量计算的要求。4、理论及实验研究均表明，不同的激光设备，甚至同一设备的不同调节状况，例如激光谐振腔轻微失调，其输出光束的功率密度分布也会有很大的区别。因此，如果不加分析地用高斯光束来等效实际光束，并简单地使用理想化后的高斯光束的温度场计算公式来研究热作用，对实际问题将产生较大偏差。 5、在激光热处理的应用研究中，仅仅用光束半径、离焦量及激光功率来描述实际热处理光束是不充分的。我们认为，在激光热作用的应用研究中，随着强激光测量手段的进步与普及，将到达材料表面的激光功率密度分布作为一个重要的工艺参数表述在研究文献中，才能较好地描述实际激光热处理工艺。如果条件允许，给出激光的复振幅表达式将能对所使用的光束作较准确的表述。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 激光热处理现状分析  10-14
  1.2 激光热处理数值模拟的重要性及其研究方法  14-15
  1.3 本论文的主要研究内容及意义  15-17
第二章激光热作用的半解析计算  17-33
  2.1 热传导方程及其解析解  17-24
  2.2 常用温度场计算公式  24-26
  2.3 激光热处理温度场的快速计算  26-30
  2.4 激光热处理的数学模型  30-32
  2.5 小结  32-33
第三章激光强度分布测量及积分镜简介  33-43
  3.1 激光功率密度分布的测量  33-35
  3.2 积分镜光学变换系统  35-43
第四章激光热处理实验及相变硬化带计算  43-49
  4.1 实验工件表面的预处理及热物性参数的确定  43-45
  4.2 实际光束热处理结果的数值模拟及实验验证  45-47
  4.3 积分镜变换光束热处理研究  47-48
  4.4 小结  48-49
第五章桶中功率法确定激光束参数的误差分析  49-61
  5.1 激光束参数的讨论及确定  49-52
  5.2 实际光束分布的高斯光束近似  52-56
  5.3 热处理结果模拟及实验验证  56-57
  5.4 积分镜变换光束及其等效光束热处理结果的讨论  57-59
  5.5 结果的讨论  59-61
第六章结论  61-63
参考文献  63-67
致谢  67-68
附录: 硕士期间发表论文  68

强激光热作用数值计算及光束参数表述的研究

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