(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111380877.4 (22)申请日 2021.11.20 (71)申请人 武昌工学院 地址 430070 湖北省武汉市洪山区张家湾 街19号 (72)发明人 吉毅　 (74)专利代理 机构 南宁深之意专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 45123 代理人 黄南概 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G16C 20/10(2019.01) G16C 10/00(2019.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 119/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方 法 (57)摘要 本发明公开了一种金属烧蚀过程中分时态 传热模型的建立方法， 通过综合传感器 设备对金 属烧蚀过程进行数据采集； 再通过分析记录数据 将建立动态基本模型， 动态基本模 型包括蒸发效 应基本模型QZ、 等离子体屏蔽效应基本模型OP、 动态吸收效应基本模型QX及脉冲能量累积效应 基本模型QL； 之后将动态基本模型与激光照射前 后金属熔化状态的变化情况均进行耦合建立热 模型； 将耦合完成的热模型进行汇总， 对算法汇 总以及优化获得金属烧蚀过程中分时态传热模 型。 本发明有效解决传统传热模 型不适用于纳秒 光纤激光烧蚀金属的环境的问题， 本发明建立的 分时动态传热模 型更符合实际烧蚀物理过程， 对 烧蚀技术趋于智能化 起到积极的推动作用。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 114121186 A 2022.03.01 CN 114121186 A 1.金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 所述分时态模型用于监测激光烧蚀金 属时对金属的影响， 其特 征在于： 建立方法包括以下步骤： S1在对金属烧蚀的环境内放置多个综合传感器， 综合传感器的一端连接 显示器； S2观察显示器， 记录烧蚀状态中的各项数据数据， 通过数据分析建立动态基本模型， 动 态基本模型主要包括蒸发效应(3)基本模型QZ、 等离子体屏蔽效应(6)基本模型OP、 动态吸 收效应(4)基本模型QX及脉冲能量累积效应(2)基本模型Q L； S3建立热模型， 主要包括以下4个部分： ①激光辐照， 金属熔化前传热模型； ②激光辐 照， 金属熔化与气化后传热模型； ③激光停止辐照， 金属熔化并存在超热液相层传热模型； ④整个烧蚀过程中， 金属熔化后固相内部传热模型； S4将耦合完成的热模型进行汇总， 对算法进行优化、 修改之后获得金属烧蚀过程中分 时态热模型。 2.如权利要求1所述的金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 其特征在于： 所述 蒸发效应(3)基本模型QZ应用蒸发速度变量式与Clausius ‑Clapeyron方程， 依据单位面积 蒸发带走的热流量构建蒸发效应(3)基本模型QZ； 其中蒸发速度 μr中的各参量均为在液态 下的值， 其大小由下式决定： 式中： PZ为饱和蒸汽气压， Pa； Cs为黏滞系数(约为1)， N.s/cm2； m1为材料粒子质量， kg； Pl为饱和蒸汽气压与温度的关系， 用Clausius ‑Clapeyro n方程计算： 式中： Pb为一个标准大气压， 1atm； ΔHv(Tb)是在材料温度为Tb时， 材料的汽化热， J/ (kg.K)。 通过以上关系式可计算出一定条件温度下的饱和蒸汽气压 。 3.如权利要求1所述的金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 其特征在于： 所述 等离子体屏 蔽效应(6)基本模型QP拟采用逆轫致辐射吸收长度、 光致电离截面积和等离子 体等温膨胀 下的线度建立等离子体屏蔽效应(6)基本模型QP。 其中αIB表示逆轫致辐射吸收 长度： 式中： Z为原子平均电荷， C； ni为离子数密度， cm‑3； v0为入射光频率， Hz； Ti为粒子温度， K； 光致电离的截面积表示 为σPI： 式中： IH为氢的离化势能； EI为原子的离化势能； E为能被光致电离所需的激发态的能 量； h为等离子体等温膨胀下的线度， 可以从等离 子体等温膨胀下的动力学 方程求出： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114121186 A 2式中： m为颗粒的质量， kg； dX/dt， dY/dt， dZ/dt为等离子体的线度 h在X、 Y、 Z三个方向上 的膨胀速度； T为 等离子体等温膨胀的温度。 4.如权利要求1所述的金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 其特征在于： 所述 动态吸收效应(4)基本模型QX应用金属吸收的脉冲激光能量密度与金属表面温度变化率， 并依据傅里叶定律来创建动态吸收效应(4)基本模型QX。 其中， 激光辐照下， 金属吸收的脉 冲激光能量密度为： ΔE＝IQx(t)dt； 金属的吸收率会随金属表面温度的升高而增加， 金属 表面温度随时间的变化 规律比较复杂， 拟采用下式 5.如权利要求1所述的金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 其特征在于： 所述 脉冲能量累积效应(2)基本模型QL根据金属材料的能量累积系数， 考虑前一个激光脉冲辐 照后累积的能量全部转化为后一个脉冲辐照的入射激光能量， 应用数学求和公式来构建脉 冲能量累积效应(2)基本模型Q L。 6.如权利要求1所述的金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 其特征在于： 所述 激光辐照， 金属熔化前传热模型拟耦合的动态基本模型为动态吸收效应(4)基本模型QX及 脉冲能量累积效应(2)基本模型Q L 7.如权利要求1所述的金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 其特征在于： 所述 激光辐照， 金属熔化与气化后传热模 型拟耦合的动态基本模型为蒸发效应(3)基本模型QZ、 等离子体屏蔽效应6基本模型QP、 动态吸收效应(4)基本模型QX及脉冲能量累积 效应(2)基 本模型QL。 8.如权利要求1所述的金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 其特征在于： 所述 激光停止辐照， 金属熔化并存在超热液相层传热模型拟耦合动态基本模型中的蒸发效应 (3)基本模型QZ来建立所需的传热模型。 9.如权利要求1所述的金属烧蚀过程中分时态传热模型的建立方法， 其特征在于： 所述 金属熔化后固相内部传热模型不耦合任何动态基本模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114121186 A 3