[发明专利]一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法

说明书

本发明公开一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，首先对聚合物材料表面烧蚀模拟，包括激光参数设定，建立材料内非傅里叶热传导模型获得材料内温度T₁从而计算获得材料的热物性参数，建立材料表面解聚烧蚀模型获得材料表面烧蚀质量流率，从而得到材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置；同时对烧蚀产物溅射模拟，包括建立烧蚀产物流体动力学模型获得烧蚀产物空间分布和温度T₂，建立烧蚀产物组分间热化学反应模型获得烧蚀产物各组分的数密度n_s，从而获得烧蚀产物对激光能量的吸收系数进而获得材料表面的激光能量I_s。本发明能够实现对聚合物材料烧蚀和烧蚀产物溅射的同时模拟，能有效提高聚合物材料激光精密加工的精度和效率，且该方法适用范围广。

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，尤其是一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法。

背景技术

激光加工是目前最先进的加工技术之一，具有加工范围广、精确细致、高速快捷、安全可靠、成本低廉等优点。加工精度可以达到微米级，但对于更小尺度的加工，则需要了解激光束与聚合物材料的作用机制。聚合物材料的瞬态激光烧蚀过程涉及热传导、热蒸发、相变、长链解聚等多种物理机制。材料热物性和激光参数对激光烧蚀过程影响显著。因此，精确地计算工质热物性和激光参数在烧蚀过程中的变化十分必要。

要实现聚合物材料的高精密激光加工，需要高能量短脉宽的激光束作用于聚合物材料表面，当激光脉宽为几皮秒到纳秒量级，脉冲激光烧蚀聚合物材料的非傅里叶导热效应则不可忽略。关于聚合物材料激光加工过程中的非傅里叶或热弛豫行为的影响，可以简要地描述为，在聚合物材料表面加载温度梯度后，热流传播的开始需要有一个有限的建立时间。换言之，热流传播不是瞬时开始，而是在热弛豫时间内逐渐增长。因此，引入热弛豫时间来表征非傅里叶导热定律，被称为广义非傅里叶导热定律。当聚合物材料表面温度梯度较小时，材料表面变化速度远小于热波传播速度，则非傅里叶效应可以忽略；但对于聚合物材料高精密激光加工，材料表面温度梯度变化剧烈，致使材料表面的变化速度与热波传播速度相当，甚至大于热波传播速度，则必须考虑聚合物材料热传导中的非傅里叶效应，才能保证聚合物材料热传导计算的准确性。

此外，聚合物材料的激光烧蚀过程中，伴随着烧蚀产物对激光能量的吸收和屏蔽作用，导致到达材料表面的激光强度发生动态变化，进而影响聚合物烧蚀。烧蚀产物吸收部分激光能量，使烧蚀产物中的密度、温度、压力和组分发生变化，进而影响烧蚀产物的运动分布。对于聚合物材料，烧蚀产物中往往包含多种组分，且烧蚀产物内各组分间的化学反应变化剧烈。

现有的聚合物材料激光烧蚀特性计算方法，仅能够计算长脉宽、低功率的激光烧蚀过程，仿真获得的聚合物材料烧蚀精度有限。

发明内容

本发明提供一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，用于克服现有技术中仿真获得聚合物材料烧蚀精度有限等缺陷，实现对聚合物材料表面烧蚀和烧蚀产物溅射的准确模拟，从而提高聚合物材料的激光精密加工精度和加工效率，从而降低加工成本。

为实现上述目的，本发明提出一种聚合物材料的瞬态激光烧蚀模拟方法，包括以下步骤：

(1)依据聚合物材料加工要求设定激光参数；

(2)将通过设定的激光参数获得的相应聚合物材料表面激光能量I_s作为热源项S，求解聚合物材料内非傅里叶热传导模型，获得聚合物材料内温度T₁；

(3)根据聚合物材料内温度T₁，求解热物性参数相关模型，获得聚合物材料的热物性参数；

(4)根据聚合物材料内温度T₁和聚合物材料的热物性参数，通过求解聚合物材料表面解聚烧蚀模型，获得聚合物材料表面烧蚀质量流率，从而得到聚合物材料表面烧蚀退移速率和烧蚀表面坐标位置；