高功率激光与粉末相互作用的物理过程

摘要

激光熔覆技术是一种先进的再制造修复技术，已经受到国内外的普遍关注，被广泛应用于社会生活的各个领域。为了更加深刻的探究激光熔覆技术的机理，分析高功率激光与粉末流相互作用的物理过程具有重要的理论和实际意义，本文将从以下几个方面探讨这一物理过程。
　　 激光再制造过程包括很多复杂的相互作用过程，同轴送粉过程是激光熔覆过程的重要组成部分，同时也是激光与粉末流相互作用的开始。在以往的研究中，对粉末流温度场的研究并不完善，本文在一定假设的基础上建立了粉末流温度场的物理模型，应用比尔.兰伯特定律计算激光传输过程中的能量损失，并结合能量守恒定律，推导出粉末流温度场的计算公式；之后应用CCD相机对粉末流温度场进行检测，应用Mathematica数学软件对粉末流温度场进行模拟，将检测结果和理论模拟结果进行对比和分析，验证了理论推导的正确性。
　　 应用Mie散射理论建立了激光被球型粉末粒子散射的物理模型，应用Mathematica数学软件模拟了激光被球型粉末粒子散射后的光强分布，对不同激光波长以及不同半径的金属粉末粒子情况下的散射图像进行了二维和三维模拟，并对结果进行了分析。应用已经得出的结论和已经建立起的激光被粉末粒子散射的物理模型，推导出光学散射截面和消光截面的公式，并给出了激光束被金属粉末粒子散射后的消光截面。
　　 最后对已经完成的工作进行了全面的总结，指出了后续工作及今后发展的研究方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

学位论文的主要创新点

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 光再制造技术原理及特点

1.2.1 激光熔覆技术的产生

1.2.2 激光熔覆特点

1.2.3 激光熔覆技术的应用

1.2.4 激光熔覆的材料供给

1.3 国内外研究情况

1.3.1 研究散射理论的重要性

1.3.2 散射理论的发展及研究成果

1.3.3 激光熔覆过程中粉末流温度场模拟现状及最新动向

1.3.4 理论模拟

1.3.5 软件模拟

1.4 本课题研究意义

1.5 本文研究的主要内容

第二章 粉末流浓度场模型和金属粉末流温度场模拟及分析

2.1 粉末流浓度场模型

2.1.1 粉末流模型假设

2.1.2 粉末流浓度场分布

2.2 比尔-兰伯特(Beer-Lambert)定律

2.3 粉末流温度场的计算

2.3.1 应用比尔-兰伯特定律计算激光强度的变化

2.3.2 粉末流温度场计算

2.3.3 粉末流温度场的模拟

2.3.4 不同参数下粉末流温度场的变化

2.4 CCD测温原理以及实验检测粉末流温度场

2.4.1 CCD摄像机拍摄原理

2.4.2 数字图像处理进行温度标定

2.4.3 粉末流温度场测试结果

2.4.4 不同参数情况下粉末流温度场测量

2.5 本章小结

第三章 激光散射强度模拟及散射图样分析

3.1 光的散射吸收和消光

3.2 球型粉末粒子散射模型

3.2.1 Mie散射理论计算

3.2.2 分波

3.2.3 米氏散射理论中1的取值

3.2.4 一般性结论

3.3 散射相对强度计算

3.4 米氏理论的简化

3.4.1 瑞利散射公式

3.4.2 夫郎和费衍射公式

3.5 激光散射强度模拟

3.5.1 不同粒子半径的散射模拟结果及分析

3.5.2 不同激光波长的散射模拟结果及分析：

3.6 激光光源散射后图样分布模拟

3.6.1 多重散射的简化

3.6.2 激光光源的选择

3.6.3 激光光源强度分布的模拟

3.7 小结：

第四章 消光截面的计算

4.1 光学截面定理

4.2 电磁波的消光截面

4.3 粉末粒子消光截面Q的计算

4.3.1 最大项的选择

4.3.2 消光截面曲线形状

4.4 激光熔覆中粒子消光截面的计算

4.4.1 不同粒子半径

4.4.2 不同输出激光波长

4.5 本章小节

第五章 结论

参考文献：

发表论文和参加科研情况说明

致谢