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光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究

文康 李和章 马壮 高丽红 王富耻 李文智

文康, 李和章, 马壮, 高丽红, 王富耻, 李文智. 光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0022
引用本文: 文康, 李和章, 马壮, 高丽红, 王富耻, 李文智. 光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0022
WEN Kang, LI He-zhang, MA Zhuang, GAO Li-hong, WANG Fu-chi, LI Wen-zhi. Effects of spot size on the temperature response of an aluminum alloy irradiated by a continuous laser[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0022
Citation: WEN Kang, LI He-zhang, MA Zhuang, GAO Li-hong, WANG Fu-chi, LI Wen-zhi. Effects of spot size on the temperature response of an aluminum alloy irradiated by a continuous laser[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0022

光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究

doi: 10.37188/CO.2020-0022
基金项目: 国家自然科学基金项目(No. 51302013)
详细信息
    作者简介:

    文 康(1994—),男,江西萍乡人,硕士研究生,2017年于北京理工大学获得学士学位,主要从事激光对物质作用机理方面的研究。E-mail:751146409@qq.com

    马 壮(1974—),男,河北昌黎人,博士,教授,博士生导师,1996 年、2001 年于北京理工大学分别获得学士、博士学位,主要从事高温高能防护涂层材料和金属/陶瓷复合材料方面的研究。E-mail:hstrong929@bit.edu.cn

  • 中图分类号: O434.34;O439

Effects of spot size on the temperature response of an aluminum alloy irradiated by a continuous laser

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51302013)
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  • 摘要: 为了探究不同光斑尺寸连续激光辐照6061铝合金的温度响应及热致损伤问题,基于ANSYS有限元软件建立了激光辐照下的三维物理模型;使用不同的激光参数进行激光辐照实验,根据所采集的温度和前表面散射光强度数据,反演计算了靶材在激光辐照过程中吸收率的动态变化;最后,利用优化后的模型分析了不同光斑尺寸下,激光辐照靶材的温升特点。研究结果表明:在1000 W/cm2的激光辐照条件下,材料的吸收率随着温度的升高而升高,由于激光加载的局域化特征,横向热扩散影响纵向温升,光斑足够大时该影响变小,与其热扩散长度有关,对于4 mm厚的6061铝合金材料,当光斑尺寸大于10 cm时,光斑影响可以忽略,靶材背表面发生熔融损伤时间阈值保持2.6 s不变。
  • 图  1  三维有限元仿真模型

    Figure  1.  The three-dimensional finite element simulation model

    图  2  材料的密度、热导率、热焓随温度的变化情况

    Figure  2.  Change of thermal properties of the material with temperature

    图  3  6061铝合金反射率图谱

    Figure  3.  Reflectivity spectrum of 6061 aluminum alloy

    图  4  在1000 W/cm2激光辐照条件下铝合金背面中心位置的温升曲线

    Figure  4.  Temperature rise curves at the center of aluminum alloy back under 1000 W/cm2 laser irradiation

    图  5  吸收率反演计算流程

    Figure  5.  Absorptiuty inversion calculation process

    图  6  激光辐照下铝合金前-背表面中心位置的温升曲线。(a)1000 W/cm2;(b)1500 W/cm2;(c)2000 W/cm2

    Figure  6.  Front-rear surface temperature as a function of time in the central area under laser irradiation. (a) 1 000 W/cm2; (b) 1 500 W/cm2; (c) 2 000 W/cm2

    图  7  不同光斑尺寸的激光辐照下铝合金前-背表面中心的温升曲线

    Figure  7.  Front-rear surface temperature as a function of time in the central area under laser irradiation with different spot sizes

    图  8  不同尺寸光斑激光辐照下铝合金前表面温度分布。(a)5 cm×5 cm;(b)10 cm×10 cm;(c)30 cm×30 cm;(d)50 cm×50 cm;(e)温度随R的变化图;(f)温度梯度随R的变化图

    Figure  8.  Temperature distribution in the front surface of aluminum alloy under laser irradiation with different spot sizes. (a) 5 cm×5 cm; (b) 10 cm×10 cm; (c) 30 cm×30 cm; (d) 50 cm×50 cm; (e) graph of temperature vs $R$; (f) graph of temperature gradient vs $R$

    图  9  光斑尺寸为30 cm×30 cm的激光辐照2 s时前表面温度场

    Figure  9.  Temperature field at the front surface when the laser spot size is 30 cm×30 cm and irradiating time is 2 s

    表  1  6061铝合金成分[19]

    Table  1.   Composition of 6061 aluminum alloy (%)

    $w({\rm{Mg}})$$w({\rm{Si}})$$w({\rm{Mn}})$$w({\rm{Fe}})$$w({\rm{Cr}})$$w({\rm{Cu}})$$w({\rm{Zn}})$$w({\rm{Al}})$
    1.060.530.430.380.170.330.16余量
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    表  2  不同温度下6061铝合金表面换热系数[22]

    Table  2.   Surface heat transfer coefficients of 6061 aluminum alloy at different temperatures

    $T$ ℃20100200300400500600700
    $h$ W/m2·℃8.2211.013.723.233.446.858.068.5
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    表  3  6061铝合金激光吸收率参数设置

    Table  3.   Parameter settings of laser absorptivity of 6061 aluminum alloy

    Temperature
    range ℃
    0~200200~380380~450450~525525~800
    α0.190.250.270.320.74
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-21
  • 修回日期:  2020-03-25
  • 网络出版日期:  2020-09-10

光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究

doi: 10.37188/CO.2020-0022
    基金项目:  国家自然科学基金项目(No. 51302013)
    作者简介:

    文 康(1994—),男,江西萍乡人,硕士研究生,2017年于北京理工大学获得学士学位,主要从事激光对物质作用机理方面的研究。E-mail:751146409@qq.com

    马 壮(1974—),男,河北昌黎人,博士,教授,博士生导师,1996 年、2001 年于北京理工大学分别获得学士、博士学位,主要从事高温高能防护涂层材料和金属/陶瓷复合材料方面的研究。E-mail:hstrong929@bit.edu.cn

  • 中图分类号: O434.34;O439

摘要: 为了探究不同光斑尺寸连续激光辐照6061铝合金的温度响应及热致损伤问题,基于ANSYS有限元软件建立了激光辐照下的三维物理模型;使用不同的激光参数进行激光辐照实验,根据所采集的温度和前表面散射光强度数据,反演计算了靶材在激光辐照过程中吸收率的动态变化;最后,利用优化后的模型分析了不同光斑尺寸下,激光辐照靶材的温升特点。研究结果表明:在1000 W/cm2的激光辐照条件下,材料的吸收率随着温度的升高而升高,由于激光加载的局域化特征,横向热扩散影响纵向温升,光斑足够大时该影响变小,与其热扩散长度有关,对于4 mm厚的6061铝合金材料,当光斑尺寸大于10 cm时,光斑影响可以忽略,靶材背表面发生熔融损伤时间阈值保持2.6 s不变。

English Abstract

文康, 李和章, 马壮, 高丽红, 王富耻, 李文智. 光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0022
引用本文: 文康, 李和章, 马壮, 高丽红, 王富耻, 李文智. 光斑尺寸对连续激光辐照铝合金温度响应影响研究[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2020-0022
WEN Kang, LI He-zhang, MA Zhuang, GAO Li-hong, WANG Fu-chi, LI Wen-zhi. Effects of spot size on the temperature response of an aluminum alloy irradiated by a continuous laser[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0022
Citation: WEN Kang, LI He-zhang, MA Zhuang, GAO Li-hong, WANG Fu-chi, LI Wen-zhi. Effects of spot size on the temperature response of an aluminum alloy irradiated by a continuous laser[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2020-0022
    • 由于激光在单色性、方向性、亮度等方面的巨大优势,其在工业、农业、医疗、国防等领域得到了广泛应用[1-5]。随着激光技术的飞速发展,具有更高功率密度的激光能够在短时间内破坏光学精密仪器及工程装备,由此带来的激光损伤和激光威胁问题也日益严重[6-8]

      激光对材料的损伤机理,其本质是激光与材料之间的相互作用,涉及光学、热学和力学等多效应交叉耦合,是一个非常复杂的物理化学过程,其中主要的破坏效应为热烧蚀破坏效应、力学破坏效应和辐射破坏效应[9-10]。在1~100 kW/cm2激光功率密度范围内,激光对金属材料的破坏主要表现为热烧蚀效应,即激光对靶材表面加热导致的材料温升、熔融甚至汽化现象[11]。激光参数(例如波长,功率密度,光斑尺寸等)和材料的表面状况(例如温度,表面气流,氧化环境等)都会改变靶材对激光能量的吸收情况,从而影响整个热烧蚀过程[12]

      在激光与物质相互作用过程中,温度场是一个重要的物理特征。目前,国内外已有众多学者利用有限元法在激光辐照材料热效应模拟方面做了大量的研究[13-16]。张英聪[13]基于积分变换的方法推导出了各项异性材料的瞬态温度场的解析表达式,并进行了仿真模拟。宋乃秋[17]利用有限体积法和有限差分法对激光辐照的温度场进行求解,但温度场模型中反射率和热物性保持不变。王振宝[18]模拟计算了连续激光辐照下铝靶的温度场分布,给出了连续均匀光斑和高斯光斑辐照下,经过不同表面处理工艺的铝靶所对应的最大温升,在该模型中的反射率保持不变。Kyung[15]对镍基高温合计激光辐照温度场进行数值模拟及实验研究,但是模型中的热容和反射率都设定为常数。总的来说:对于求解连续激光辐照靶材的瞬态温度场,上述研究从基本原理出发得到了与实际相接近的结果,然而现有研究有的没有考虑到吸收率对被加热金属靶材温度场的影响,有的没有综合考虑到靶材相变、热导率和密度等热物理参数在辐照过程中的变化因素,降低了模型的精度;此外,有的研究仅考虑一种光斑尺寸,忽略了不同光斑尺寸激光辐照靶材下,局部靶材传热方式的改变。

      针对上述问题,本文采用ANSYS三维轴对称模型,结合激光辐照过程中所采集的背表面温度和前表面散射光强度数据,对模型参数进行了优化,反演计算了靶材在激光辐照过程中吸收率的动态变化。进一步在考虑材料光、热物性参数随温度变化的情况下,研究了不同光斑下,激光辐照靶材的温升规律,并对其辐照行为进行了分析。

    • 实验样品为6061铝合金,合金成分如表1所示,尺寸为50 mm×50 mm×4 mm,表面经60#砂纸打磨处理。采用Nd :YAG 连续激光器进行激光辐照实验,激光波长为1064 nm,经透镜整形为均匀光斑,尺寸为1 cm×1 cm,激光功率密度分别为1000、1500、2000 W/cm2。利用Cary 5000型紫外-可见光-近红外分光光度计测定铝合金样品辐照前的反射率。在激光辐照过程中,用散射光探测器测量样品的前表面散射光强度。同时,将K型热电偶焊接在材料背表面中心点,同步测量样品中心区域的背表面温度。

      表 1  6061铝合金成分[19]

      Table 1.  Composition of 6061 aluminum alloy (%)

      $w({\rm{Mg}})$$w({\rm{Si}})$$w({\rm{Mn}})$$w({\rm{Fe}})$$w({\rm{Cr}})$$w({\rm{Cu}})$$w({\rm{Zn}})$$w({\rm{Al}})$
      1.060.530.430.380.170.330.16余量
    • 基于传导、对流传热机理的非线性瞬态有限元分析,利用ANSYS软件对激光辐照6061铝合金过程中的温度场进行模拟仿真。为了与实验结果进行比较,将模型大小设置为与实验相同,具有边界条件的三维模型,如图1所示。根据该几何模型的对称性,选择其1/4建立有限元模型,以减少计算时间。为简化分析模型,作如下假设[20]

      (1)材料本身为连续介质且各向同性;

      (2)忽略热辐射作用造成的热损失;

      (3)激光作为面热源加载;

      (4)忽略液相对流,液相部分仍可通过热传导的方式进行处理。

      图  1  三维有限元仿真模型

      Figure 1.  The three-dimensional finite element simulation model

      根据傅立叶热传导基本定律,样品内部温度场$T(x,y,z,t)$满足以下方程:

      $$ \frac{\partial }{{\partial t}}(\rho {C_p}T) - \nabla (k\nabla T) = Q, $$ (1)

      式中,$T$是材料内部温度场;$\rho $${C_p}$$k$分别是材料的密度、比热、热导率;$Q$为材料内热源密度,本文中不予考虑。

      样品的初始温度设置为环境温度,即:

      $$ {T_{{\rm{int}} }} = {T_{{\rm{amb}}}}{\rm{ = 20}}^{\circ} {\rm{C}}, $$ (2)

      其中,${T_{{\rm{int}} }}$是样品的初始温度;${T_{{\rm{amb}}}}$是环境温度。

      2个对称面为绝热边界条件,其余表面的边界条件为;

      $$ {{n}} \cdot (k\nabla T) = {q_{{\rm{in}}}} + h({T_{{\rm{amb}}}} - T), $$ (3)

      其中,${{n}}$是指向边界表面的法线向量;$h$是换热系数;${q_{{\rm{in}}}}$是流向材料内的热通量,即吸收的激光能量,表达式为:

      $$ {q_{{\rm{in}}}} = \alpha I, $$ (4)

      其中,$\alpha $是材料对激光的吸收率,$I$是到靶激光功率密度。

    • 材料的热物理性能对激光辐照温度场分布有着十分重要的影响,其数值直接影响温度场的形态和大小。利用热焓(等同于比热${C_p}$和潜热)在材料熔化过程中的数值变化,用以处理辐照过程中材料的相变问题。根据表1中6061铝合金成分,使用ProCast软件热力学数据库中的Scheil模型计算铝合金的热物理性能[21],如密度、热导率、热焓$H$,如图2所示。换热系数$h$同样也与温度相关,其值如表2所示。

      图  2  材料的密度、热导率、热焓随温度的变化情况

      Figure 2.  Change of thermal properties of the material with temperature

      表 2  不同温度下6061铝合金表面换热系数[22]

      Table 2.  Surface heat transfer coefficients of 6061 aluminum alloy at different temperatures

      $T$ ℃20100200300400500600700
      $h$ W/m2·℃8.2211.013.723.233.446.858.068.5
    • 通常,对于不透明材料,反射率和吸收率之和为1[23]图3为激光辐照前6061铝合金常温下的反射率图谱,样品在1064 nm波长下的反射率约为69%,假定此时的吸收率$\alpha $为0.31,且在激光辐照过程中始终保持不变,模拟计算1000 W/cm2的激光功率密度作用下的铝合金背表面中心温度,并与实验中热电偶测得的温度数据的对比。如图4曲线(a)所示,可以看到在1000 W/cm2的激光辐照实验中,当激光辐照67 s时,铝合金背表面最高温度已经超过自身熔点,材料整体熔融,将这一时刻定义为该激光功率密度下材料的激光辐照熔融损伤阈值。在67 s内的任意时刻,模拟温度(b)都要明显高于实测温度,说明0.31的恒定吸收率与实际情况并不相符,图4中的前散射光强度变化曲线(c)也印证了这一点。因此,为了获得相对准确的吸收率模拟参数,根据曲线斜率的变化对吸收率进行调控。根据曲线斜率的变化,将前散射光强度随着激光加载时间的变化趋势大致分为3个阶段:在辐照前中期(A阶段),前散射光强度相对平稳,波动较小;当温度接近靶材熔点时(B阶段),前散射光强度陡降,靶材与激光的耦合作用增强,吸收增大,温升速率加快;表面熔融后(C阶段),前散射光强度在较低水平震荡,对激光能量吸收大,靶材很快被烧穿。由此可知,得到实际吸收率随温度的变化关系对进一步提高模型的精度至关重要。

      图  3  6061铝合金反射率图谱

      Figure 3.  Reflectivity spectrum of 6061 aluminum alloy

      图  4  在1000 W/cm2激光辐照条件下铝合金背面中心位置的温升曲线

      Figure 4.  Temperature rise curves at the center of aluminum alloy back under 1000 W/cm2 laser irradiation

      根据上述规律,将0~800 ℃划分为5个温度区间,其中:A阶段(400 ℃以下)为2个、B阶段(400 ℃~500 ℃)为2个、C阶段(500 ℃以上)1个。每个区间设置不同吸收率${\alpha _1}$~${\alpha _5}$,并且满足:

      $$ 0 {\text{≤}} {\alpha _1}\sim {\alpha _5} {\text{≤}}1 \;. $$ (5)

      初始条件中,固定材料吸收率为:

      $$ {\alpha _1} = {\alpha _2} = {\alpha _3} = {\alpha _4} = {\alpha _5}{\rm{ = 0}}{\rm{.31}}\;. $$ (6)

      在1000 W/cm2的激光功率密度下,利用图5所示的迭代反演方法,对比分析了实测温升曲线和模拟计算温升曲线的差异,调整${\alpha _1}$~${\alpha _5}$${T_1}$${T_2}$${T_3}$${T_4}$,经过多次迭代反演计算,进一步优化和提高有限元模型的计算精度,最终得到的${\alpha _1}$~${\alpha _5}$的具体数值,如表3所示。

      图  5  吸收率反演计算流程

      Figure 5.  Absorptiuty inversion calculation process

      表 3  6061铝合金激光吸收率参数设置

      Table 3.  Parameter settings of laser absorptivity of 6061 aluminum alloy

      Temperature
      range ℃
      0~200200~380380~450450~525525~800
      α0.190.250.270.320.74

      图6显示了在激光功率密度分别为1000、1500、2000 W/cm2的激光长时间辐照下,利用优化后模型计算的温升曲线和实测温升曲线的对比结果。可以发现,不同激光功率密度下,模拟结果与实验结果吻合较好,对损伤阈值的预测较准确,误差都在3 s内,体现了模拟结果的准确性。从$\alpha $的变化情况可以看出,6061铝合金在激光辐照过程中,吸收率随温度的升高而增大。从原理上分析,电阻率是决定金属对激光的吸收率的重要因素之一,金属温度升高,电阻率随之变大,对激光吸收率也增大;在固—液相变过程中,其电阻率会出现巨大而快速的变化,从而导致当出现熔融时,吸收率会突变式的升高[24]

      图  6  激光辐照下铝合金前-背表面中心位置的温升曲线。(a)1000 W/cm2;(b)1500 W/cm2;(c)2000 W/cm2

      Figure 6.  Front-rear surface temperature as a function of time in the central area under laser irradiation. (a) 1 000 W/cm2; (b) 1 500 W/cm2; (c) 2 000 W/cm2

    • 利用优化后的模型对不同尺寸激光辐照下的材料的温度响应行为进行分析。将模型的几何尺寸由原来的50 mm×50 mm×4 mm 增大至50 cm×50 cm×4 mm。方形光斑的边长设置为自变量,分别为5、10、30、50 cm,其余参数与原模型保持一致,模拟6061铝合金在1000 W/cm2激光辐照下材料温度场的变化情况,如图7(彩图见期刊电子版)所示。

      图  7  不同光斑尺寸的激光辐照下铝合金前-背表面中心的温升曲线

      Figure 7.  Front-rear surface temperature as a function of time in the central area under laser irradiation with different spot sizes

      图7可知,当光斑尺寸从1 cm×1 cm变为5 cm×5 cm后,同样都用1000 W/cm2激光功率密度的激光进行辐照,铝合金的损伤阈值由原来的67 s缩短至仅3.3 s,升温速率高达到157 ℃/s。可以看到,随着激光光斑尺寸的不断增大,靶材前表面被激光辐照的面积增大,单位时间内靶材吸收了更多的激光能量,材料整体温度上升明显。然而,当光斑尺寸超过10 cm×10 cm后,激光辐照中心区的温升却不再随光斑尺寸的增大而变化,材料的损伤时间阈值保持在2.6 s。

      为了进一步明确大尺寸光斑对辐照中心材料温升的作用规律,开展了对激光辐照作用下,前表面温度场分布及温度梯度变化的研究。

      图8显示了激光功率密度为 1000 W/cm2时,不同尺寸光斑激光辐照铝合金2 s后,铝合金前表面温度场的分布情况。图8(a)~8(d)为不同光斑尺寸激光辐照下铝合金前表面的温度场,图8(e)是前表面由中心沿对称线到边缘不同距离$R$处的温度变化曲线,而图8(f)则是由图8(e)曲线的斜率获得的温度梯度随$R$的变化趋势。从图8可以看出,材料前表面激光光斑覆盖区域温升显著高于未被辐照到的区域,辐照中心温度最高,边缘温度最低。在辐照区和未被辐照区的交界处温度梯度达到最大,从交界处到边缘外温度变化趋于平缓。结合图8(e)图8(f),根据前表面温度及温度梯度分布特征,得出当光斑尺寸为$L$×$L$(cm)时,激光辐照靶材的温升特点:当$L {\text{≤}}10$cm时,前表面最高温度点有且只有一个,即激光辐照区域的中心点;而当L > 10 cm时,从温度梯度曲线可以看出,在$0{\text{≤}} R{\text{≤}} {}{^{L}\!\!\diagup\!\!{}_{2}}\;-5$(cm)范围内,前表面的最高温度点形成了一个等温面;由于没有足够的时间将吸收的能量扩散出去,在$R > {}{^{L}\!\!\diagup\!\!{}_{2}}\;+5$(cm)外的区域维持室温,如图9所示。

      图  8  不同尺寸光斑激光辐照下铝合金前表面温度分布。(a)5 cm×5 cm;(b)10 cm×10 cm;(c)30 cm×30 cm;(d)50 cm×50 cm;(e)温度随R的变化图;(f)温度梯度随R的变化图

      Figure 8.  Temperature distribution in the front surface of aluminum alloy under laser irradiation with different spot sizes. (a) 5 cm×5 cm; (b) 10 cm×10 cm; (c) 30 cm×30 cm; (d) 50 cm×50 cm; (e) graph of temperature vs $R$; (f) graph of temperature gradient vs $R$

      图  9  光斑尺寸为30 cm×30 cm的激光辐照2 s时前表面温度场

      Figure 9.  Temperature field at the front surface when the laser spot size is 30 cm×30 cm and irradiating time is 2 s

      由以上分析可知,激光对材料产生的热效应是局部的,当均匀光斑尺寸小于10 cm×10 cm时,只存在变温区,增大光斑尺寸,辐照中心点的温度升高,材料损伤阈值降低;当均匀光斑直径不小于10 cm×10 cm时,由于激光加载的局域化特征,横向热扩散影响纵向温升,在辐照中心出现等温区,等温区内各点的温升规律一致,并且与光斑直径大小无关,增大光斑尺寸,辐照中心点随时间变化的温升规律始终不变,材料损伤阈值恒定为2.8 s。

    • 本文通过实验与仿真相结合的方法,建立了激光辐照下6061铝合金温度场的有限元模型,反演计算出了在激光辐照过程中靶材吸收率的动态变化情况,并分析了不同光斑尺寸激光辐照下,铝合金靶材的温升特点。研究结果表明:激光辐照下,铝合金的吸收率随着温度的升高相应地提高,表面出现熔融时,吸收率突变式的升高。激光功率密度为1000 W/cm2时,用不同大小的光斑辐照铝合金,当均匀光斑小于10 cm×10 cm时,增大光斑尺寸,辐照中心点温度升高,材料损伤阈值降低;由于激光加载的局域化特征,横向热扩散将影响纵向温升,光斑足够大时影响变小,与其热扩散长度有关,对于4 mm厚的6061铝合金材料,当光斑尺寸大于10 cm时,光斑影响可以忽略,靶材背表面发生熔融损伤时间阈值保持为2.8 s不变。由本文还可得知,当激光光斑尺寸达到分米量级,增大光斑尺寸能够扩大材料损伤的范围,但不会缩短激光损伤材料的时间。

参考文献 (24)

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