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毫秒激光打孔过程中熔融喷溅物的温度分析(5)
(2.3.5)
其中,Lev(J/kg)为气化潜热,Tb为气化点温度, Pa表示当温度为Tb时的平衡蒸汽压强。
将(2.3.1)写成稳态形式:
(2.3.6)
对于熔融相变,可以采用等效比热容的方法,
(2.3.7)
其中Cp表示材料的等效比热容,因此带有相变的热传导方程仍然可以表示成:
(2.3.8)
热传导方程的解析解为:
(2.3.9)
上式中, 表示材料的热扩散率。
根据边界条件,
B=T0 (2.3.10)
(2.3.11)
温度场T
(2.3.12)
在材料表面x=0时,
(2.3.13)
式(2.3.13)可以化为二元一次方程
求解
或者 (2.3.15)
式(2.3.15)是打孔速度的两个解。激光的打孔速度不但与材料的属性相关,还与激光的参数相关,而第二个结果只是与材料的属性相关,这与事实不符,因此舍掉。由于Cp为等效比热容,因此, 为材料从T0升高到Ts时的焓值变化。打孔速度可以写为:
(2.3.16)
式(2.3.16)为质量迁移完全由液态喷溅引起时,打孔速度的稳态解。其中α0=1-R表示激光的吸收率,R表示材料的反射率, 为材料吸收的激光功率密度, 代表气化损失的功率密度。如果定义 为有效的激光功率密度,式(2.3.16)的物理意义为有效的激光功率密度转化为温度为Ts的焓的速度。
如果质量迁移是以气化为主要方式,则V=μ为气化速度,式(2.3.16)整理得到, ,此式与打孔机制为气化的结果一致;如果定义为V为材料的熔融速度, 即为材料的热扩散长度,在激光脉冲结束时,材料表面温度达到熔点温度,并没有产生气化, ,式(2.3.16)经过整理得到:
(2.3.17)
此式即为温度达到熔点时的能量阈值。
由式(2.3.16)看出,在激光功率密度一定的情况下,打孔速度为材料表面温度的函数,打孔速度由材料表面温度决定。
式(2.3.16)中,由于气化损失了部分激光能量,为了研究气化带来的影响,定义
(2.3.18)
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