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， 鋁管時產生的溫升情況。結果表明；相同激光能量情 況下線源越窄溫升會越高，但除激光作用區域外在徑向和周向的熱擴散有效長度不變。關鍵詞：激光線源；瞬態溫度場；熱擴散；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中的廣泛應 用，脈沖激光在材料中激發超聲波的理論和實驗的研究越來標系，則材料各向同性時柱坐標下的二維熱傳導方程表示 為：經常遇到一個重要問題，目前利用超聲導波進行管道無損 檢測的研究主要集中在利用超聲換能器來激發導波Ｃ４—５Ｊ。而激光超聲和這種傳統超聲相比具有許多優點

，因此研究 管狀材料中激光超聲導波就十分必要。由于熱彈條件下的激光超聲是樣品吸收能量，從而溫度上升而產生熱膨脹，所 以研究管狀材料中激光超聲導波的前提是得到鋁管管狀材料中 瞬態溫度場。要對熱彈機制下脈沖激光作用于管狀材料 產生的溫度場進行精確解析求解十分困難，求解熱傳導方 程的數值計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隨溫度變化 情況，而有限元方法重復性好，能夠靈活處理復雜的幾何 模型并且能夠得到全場數值解，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所產生的瞬態溫度 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、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）激光脈沖的時間分布，鋁 管外表面其它范圍和內表面絕熱。有限元法把經典的熱傳導方程表示成：Ｃ］｛于｝＋［Ｋ］｛ｒ｝＝｛Ｐ１｝＋｛Ｐ２｝ ３）式中［Ｃ］、［Ｋ］分別表示熱容量矩陣和熱傳導矩陣，｛Ｐｌ｝、｛Ｐ２｝表示熱流矢量和內熱源矢量，模型中激 光當作表面加載，沒有內熱源。｛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，可得到一個可執行的靜態的代數問題方程，每一個時問步的溫度都能得到并且每一時間步都考慮了材料參數的變化，從而得到整個溫度場隨時間的變化關系。

       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所示為模型的一個截面。當激光入射到鋁管外表面，一２數值模擬結果和討論２．１激光和材料的有關參數 基于上述理論，本文計算了Ｎｄ：ＹＡＧ激光器激發的激光 脈沖作為面加載作用在管狀鋁材料外表面時所產生的溫度 場。取鋁管內半徑為ｌｃｍ，外半徑為１．１ｅｍ，即管厚只有 ｌｍｍ，個薄管。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 基金項目：江南大學青年科學基金Ｎｏ＂．２００５ＩＯＮ００２１ 激光與物質的相互作用。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對應的外弧長范圍內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過程在材料的熱彈機制下。由 于激光超聲通常用于微結構的研究，所以我考慮ｎｓ級的脈沖激光，激光脈寬取為ｌＯｎｓ。鋁的反射率取Ｒ＝０．９，室溫 取７＂０＝３００Ｋ。另外，鋁材料的熱傳導系數隨溫度的變化關 系為（％為鋁的熔點）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 圍內有激光輻照）時離激光輻照中心事＝００一０．９０范圍內各點 溫升情況基本相同，這是因為我加載的激光在時間上是高斯分布，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的結果可知：當激光線源寬變窄時，周向的溫度 作用區域也變窄，彳Ｈ．沿周向在激光作用區域外，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散有效長度在兩種情況下相 同。