毫秒激光打孔过程的数值模拟(2)
1.1 课题研究背景
为了进一步掌握这门技术并应用于生产生活中需要大量的激光打孔实验为基础对参数进行优化。传统的激光打孔实验花费及消耗很高，操作难度大，而通过有限元法对激光打孔进行模拟正好弥补了这些缺点。该模拟方法操作简单，适用性强，能根据实际情况加载参数。随着国家对国防建设的大力投入，激光打孔技术也跟着发展起来并应用于飞机涡轮叶片上。本课题通过对铝金属进行模拟来为实际的打孔过程提供参考。
1.2 课题研究目的及意义
本课题通过采用有限元数值方法模拟激光打孔中铝金属的温度和流场，研究激光作用参数对小孔成形的影响，为激光打孔参数的优化提供参考。拟依据热传导和流体力学理论，建立激光打孔的物理模型，采用有限元法模拟基体温度以及流场分布，用热空隙焓法模拟材料的相变过程，得到小孔形貌。改变激光辐照能量进行计算，分析作用参数对小孔形貌的影响，总结最佳激光打孔参数。
1.3 激光打孔
1.3.1 激光
激光是一种定向高能量电磁波，是激光中的原子获得能量后以光子的形式发射出去的一种形式。激光应用于打孔、焊接、切割、光谱、测距、武器、扫描、美容等众多领域。激光具有如下优点[4,5]：
(1)亮度高
光源亮度表示为：
（1）
式（1）中 为激光光源亮度； 为辐射功率； 为辐射半径。
当激光束聚焦时，焦点周围的温度就能高达几千到几万摄氏度，能使各种难以加工的材料立即熔融并汽化。激光束在很短的时间间隔内，向空间很小的区域范围释放高能量的能力，为加工各种材料起到重要作用。
(2)相干性好
相干性与相干长度有关。相干长度与单色性相关联,如式（2）所示：
（2）
式（2）中 表示相干长度； 表示光源的中心波长； 表示光源的光谱宽度。 越小， 越大，相干性越好。
（3）单色性好
光的单色性与波长的分布有关，分布范围越小，单色性越好。正是由于激光单色性好，才使得激光可以很准确的聚焦，从而获得极大的能量密度。
（4）方向性好
激光光束发散角极小，所以方向性好。这一特性不仅能够保证光的长距离传输，而且还能保证聚焦后获得高能量进行打孔切割[6]。
1.3.2 激光打孔原理
激光拥有高能量，当激光束辐照到材料表面时，由于高强度激光源对材料作用的原因，使得辐照区内的温度上升，从而引起材料熔化并汽化。随着激光能量的持续深入，材料内部的汽化程度加剧，当饱和蒸汽压引起的蒸发反冲压力超过液体表面张力和粘滞力时，熔融物被喷溅出来，在材料内部形成小孔[7]。