[发明专利]一种金属材料实际表面激光吸收率数值计算方法

说明书

本发明涉及一种金属材料实际表面激光吸收率数值计算方法，本发明对固有吸收率以Drude模型为基础，考虑实际材料属性随温度变化，并根据具体合金组织结构特征进行修正。随后，依据分形理论以及Weierstrass‑Mandelbrot随机分形函数，结合对实际表面的取样观测结果，建立反映实际表面微观特征的分形轮廓线。基于微观粗糙表面光线多次吸收的原理，统计每条入射光线反射次数，计算每一束入射光线的实际吸收率并取平均，得到实际表面激光吸收率随温度变化曲线。本发明具有较高的普适性，能够准确反映实际表面对激光的吸收率，提高金属激光加工数值模拟准确性，为实际工程和科学研究起到预测和指导作用。

技术领域

本发明涉及一种普适性强的金属材料实际表面激光吸收率数值计算方法，属于激光先进制造物理学领域。

背景技术

随着计算机科学的发展，数值模拟逐渐成为研究激光与材料相互作用的重要手段，在工程领域也有广泛的应用，通过数值模拟可以减少试验工作量，降低实验盲目性，准确掌握加工过程中产生的物理变化，为工程实践提供参考。例如在激光重熔、激光熔覆、激光增材制造、激光焊接等领域，通过数值模拟可以帮助人们研究材料的传热传质、热应力变形、结构优化过程，对加工工艺窗口的探索、工艺参数优化，材料组织和性能调控等起到指导和预测作用。目前科学研究和工程技术领域常用的数值模拟方法有边界元法、有限差分法、离散单元法和有限单元法。构建更精确的物理模型，提高物理过程描述的准确性，是能否获得可靠模拟结果的关键因素，也是近年来国内外广大学者和工程技术人员的关注方向。

模型构建和参数设置过程中，传热、流动形式设定、热源模型选择、边界条件确定、材料物理属性加载、材料表面对激光的吸收率等都是十分重要的基础参数。随着计算机仿真软件的发展，传热、流动形式的基础设定、边界条件加载，甚至各类材料的基本物理属性已经被大量编入软件预设内置程序中，实现了集成化，同时，广大学者针对不同激光加工的特点，也提出并修正了一系列激光热源模型，能够实现较高的模拟精度。但是，目前在激光加工领域基于理论的数值模拟研究结果与实际试验结果依然有较大差距，这是由于现在的研究中，对于材料表面激光吸收率，还没有准确的数值计算方法。

此前研究中针对金属材料表面对激光吸收率这一参数大多基于工程经验、实验结论反推来确定，无法从理论角度验证模型的可信性和准确性。而吸收率在材料与激光相互作用的过程中起到重要作用，特别是对于铝或铝合金这类高反射材料，其理论吸收率仅5％左右，但实际加工过程中吸收率远高于理论值，直接带入理论值无法获得准确模拟结果。这是由于决定吸收率的影响因素十分复杂，不仅与温度有关，还与金属材料自身物理特性、激光波长、材料表面氧化层、表面粗糙度等多方面因素有关，这些因素使得理论吸收率与实际吸收率相差数倍，导致模拟结果不准确。

为了准确表征材料对激光的吸收率，提高数值模拟精度，从金属材料物理属性出发，结合具体材料表面特征，利用数值计算软件，开发一种与材料物理性质、激光波长、表面粗糙度、表面形貌相关的实际表面激光吸收率随温度变化的数值计算模型十分必要。

发明内容

本发明针对激光加工中金属材料对激光的吸收率，开发一种实际表面激光吸收率随温度变化的数值计算模型，能够准确反映实际表面对激光的吸收率。

本发明的技术方案如下。

本发明第一方面提供了一种金属材料实际表面激光吸收率数值计算方法，包括以下步骤：

步骤S1，根据金属材料的固有吸收率，计算得到修正的固有吸收率随温度变化曲线；

步骤S2，根据金属材料的表面特征，统计所述金属材料的对入射激光的光线吸收模式；

步骤S3，将所述光线吸收模式的统计结果代入所述固有吸收率随温度变化曲线，得到所述金属材料的固态粗糙表面实际吸收率随温度变化曲线。