本發(fā)明涉及精密測(cè)量，特別涉及一種激光原位輔助加熱溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定方法，將作為激光原位輔助加工/測(cè)試領(lǐng)域中的技術(shù)基礎(chǔ)，用于定量研究溫度對(duì)于材料去除機(jī)制等特性的影響，對(duì)于該領(lǐng)域的發(fā)展具有重要科學(xué)價(jià)值。

背景技術(shù)：

1、激光輔助加工作為一種能場(chǎng)輔助加工技術(shù)，利用了高能激光束的熱效應(yīng)對(duì)工件進(jìn)行熱軟化，從而達(dá)到提高加工效率、改善加工質(zhì)量、減少刀具磨損的效果。激光輔助加工中，根據(jù)激光光束與刀具的相對(duì)位置關(guān)系可以分為激光離位加熱和原位加熱。其中，離位加熱是指在刀具行進(jìn)軌跡的前方對(duì)工件進(jìn)行預(yù)加熱。而原位加熱是指將激光光束與刀具同軸布置，從而實(shí)現(xiàn)加熱與加工的同步進(jìn)行。不僅可以有效提高能量利用率，還可以在更小的熱影響區(qū)下完成硬脆材料的延性加工。

2、溫度作為這一能場(chǎng)輔助加工技術(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)，將直接影響工件的軟化程度和刀具的磨損狀態(tài)。但受限于較小的光斑尺寸、較高的溫度梯度以及刀具的空間干涉，激光原位輔助加熱的溫度場(chǎng)無(wú)法采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行直接測(cè)量，如何獲得準(zhǔn)確可信的溫度場(chǎng)始終是行業(yè)內(nèi)的難題?，F(xiàn)有研究往往僅通過(guò)仿真或理論分析的手段，建立溫度場(chǎng)的數(shù)值模型，進(jìn)而對(duì)各點(diǎn)處的溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。但由于缺乏有效的測(cè)溫手段，溫度場(chǎng)模型的準(zhǔn)確度無(wú)法得到驗(yàn)證。為此，本發(fā)明提出一種實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的溫度場(chǎng)測(cè)量與標(biāo)定方法，可準(zhǔn)確獲得激光原位輔助加熱溫度場(chǎng)的時(shí)變特性，從而實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)及熱影響區(qū)范圍的可控調(diào)節(jié)，為定量揭示激光原位輔助加工/測(cè)試領(lǐng)域中溫度對(duì)材料去除機(jī)制等特性的影響提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種激光原位輔助加熱溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定方法。本發(fā)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了激光原位輔助加熱中溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定，解決了激光原位輔助加熱中由于激光光斑小、溫度梯度大和刀具空間干涉所導(dǎo)致的溫度場(chǎng)標(biāo)定困難、準(zhǔn)確度低等技術(shù)難題，有助于實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)及熱影響區(qū)范圍的可控調(diào)節(jié)，為激光原位輔助加工/測(cè)試領(lǐng)域溫度場(chǎng)的標(biāo)定提供了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)于該領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步具有重要意義。

2、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案如下：

3、一種激光原位輔助加熱溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、(1)樣品物理參數(shù)的測(cè)定：對(duì)樣品進(jìn)行研磨、拋光直至達(dá)到鏡面光滑狀態(tài)，表面粗糙度不高于10nm，利用近紅外分光度計(jì)和輻射率測(cè)量?jī)x分別測(cè)量該樣品的反射率和輻射率，利用導(dǎo)熱儀測(cè)量該樣品的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等熱力學(xué)參數(shù)；

5、(2)溫度場(chǎng)模型的建立：根據(jù)樣品的實(shí)際尺寸和步驟(1)測(cè)得的物理參數(shù)在仿真軟件中建立樣品的物理模型，依據(jù)實(shí)際工況定義激光原位輔助加熱樣品的邊界條件，激光以面熱源的形式施加于樣品上表面，其中激光功率應(yīng)慮及透光工具頭的透過(guò)率；

6、(3)溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定：調(diào)節(jié)透光工具頭的位置，在保證激光同軸透過(guò)透光工具頭原位輻照于樣品表面的同時(shí)，使透光工具頭貼近樣品表面，采用間距為1mm的貼片式k型熱電偶陣列，分別測(cè)量距離激光光斑中心2mm、3mm和4mm處的溫度，記錄不同激光功率下三個(gè)熱電偶所測(cè)得溫度隨激光加熱時(shí)間的時(shí)變曲線(xiàn)；

7、(4)光斑直徑與溫度場(chǎng)的標(biāo)定：初步預(yù)設(shè)激光光斑直徑并代入步驟(2)中所建立的溫度場(chǎng)模型，提取距離激光光斑中心2mm、3mm和4mm處溫度的時(shí)變曲線(xiàn)，通過(guò)將所獲得各點(diǎn)處溫度的仿真值向步驟(3)中所獲得對(duì)應(yīng)位置溫度的實(shí)測(cè)值逼近，不斷調(diào)整激光光斑直徑以縮小仿真值與實(shí)測(cè)值間的差距，直至二者間誤差達(dá)到最小，完成光斑直徑與溫度場(chǎng)的標(biāo)定；

8、(6)提取標(biāo)定后溫度場(chǎng)模型中各點(diǎn)處的實(shí)時(shí)溫度，其中光斑中心的溫度為該時(shí)刻透光工具頭作用區(qū)域的溫度。

9、進(jìn)一步的，所述樣品對(duì)所述激光的吸收率應(yīng)高遠(yuǎn)于所述透光工具頭對(duì)所述激光的吸收率。

10、進(jìn)一步的，步驟(3)中所述激光的功率不應(yīng)超過(guò)所述樣品的燒蝕閾值。

11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

12、本發(fā)明提出了一種實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的溫度場(chǎng)測(cè)量與標(biāo)定方法，通過(guò)標(biāo)定激光光斑直徑可以有效還原真實(shí)的溫度分布特性?，F(xiàn)有研究?jī)H通過(guò)仿真或理論分析來(lái)獲得溫度場(chǎng)模型，需要經(jīng)過(guò)一系列假設(shè)和簡(jiǎn)化，無(wú)法客觀反映真實(shí)情況。與之相比，本方法獲得的溫度場(chǎng)經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的修正，可以忽略假設(shè)條件所帶來(lái)的誤差，具有高準(zhǔn)確性和高真實(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，為激光原位輔助加工/測(cè)試領(lǐng)域溫度場(chǎng)的標(biāo)定提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)特征：

1.一種激光原位輔助加熱溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光原位輔助加熱溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定方法，其特征在于：所述樣品對(duì)所述激光的吸收率應(yīng)高遠(yuǎn)于所述透光工具頭對(duì)所述激光的吸收率。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光原位輔助加熱溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定方法，其特征在于：步驟(3)中所述激光的功率不應(yīng)超過(guò)所述樣品的燒蝕閾值。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種激光原位輔助加熱溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定方法，屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。包括以下步驟：首先，測(cè)定樣品的吸收率、輻射率、導(dǎo)熱系數(shù)等物理特性；接著，在仿真軟件中建立激光原位輔助加熱的溫度場(chǎng)模型，并根據(jù)實(shí)際工況定義該模型的邊界條件；進(jìn)一步，利用三個(gè)熱電偶實(shí)驗(yàn)測(cè)量距離光斑中心2mm、3mm和4mm處的溫度，記錄溫度隨激光加熱時(shí)間變化的關(guān)系；最后，通過(guò)試錯(cuò)法逼近仿真值與實(shí)測(cè)值來(lái)標(biāo)定光斑直徑，完成了溫度場(chǎng)的測(cè)量與標(biāo)定，可提取光斑中心及各點(diǎn)處溫度的時(shí)變特性。本發(fā)明解決了激光原位輔助加工/測(cè)試領(lǐng)域中溫度測(cè)量困難、標(biāo)定準(zhǔn)確度低的問(wèn)題，將作為技術(shù)基礎(chǔ)定量揭示溫度對(duì)材料去除機(jī)制等特性的影響，促進(jìn)該領(lǐng)域的進(jìn)步與發(fā)展。

技術(shù)研發(fā)人員：黃虎,衣春學(xué),錢(qián)永峰,吳浩翔,樊星宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6