張宇，白春玉，惠旭龍

中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065

1960 年梅曼發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器，并演示了激光束燒穿刀片的效能，引起世界軍事領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。從1962年開始，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究設(shè)計(jì)局（DARPA）就開始激光的軍事應(yīng)用研究。隨著激光技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，美國(guó)海軍已經(jīng)開展了多次高能激光打靶試驗(yàn)，用高能激光武器應(yīng)對(duì)海陸空天新威脅（包括作戰(zhàn)飛機(jī)、高超聲速飛行器、高精確遠(yuǎn)程打擊飛行器等）成為可能[1-4]。LY12-CZ作為典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，研究其在激光輻照下的損傷特性，可為飛行器激光毀傷評(píng)估和抗激光設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

在組合式激光毀傷研究方面，程勇[1]、J.A. Fox[5]、肖婧[6]、張亦卓[7]等通過(guò)脈沖激光器和連續(xù)激光器系統(tǒng)，基于理論分析和物理試驗(yàn)，研究了兩者組合對(duì)典型金屬材料的毀傷效果，并分析了復(fù)合激光加載時(shí)序?qū)艿挠绊?，發(fā)現(xiàn)了復(fù)合毀傷效果明顯優(yōu)于單激光毀傷效果。李超[8]等則基于Comsol multiphysics 5.0多物理場(chǎng)分析軟件，進(jìn)一步分析驗(yàn)證了組合式激光的毀傷效能。還有部分學(xué)者針對(duì)激光輻照過(guò)程中靶板的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析。Zhang Wei[9]等基于數(shù)值分析模擬，開展了長(zhǎng)脈沖輻照下的鋁合金靶板的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布研究。肖婧[10-11]等同樣基于數(shù)值分析軟件，針對(duì)長(zhǎng)脈沖和連續(xù)復(fù)合激光聯(lián)合輻照，考慮不同連續(xù)激光與長(zhǎng)脈沖激光加載起始時(shí)刻的時(shí)間間隔和不同光斑半徑組合的影響，給出了材料的屈服時(shí)間、溫度峰值及熔池的大小。同時(shí)，還有部分學(xué)者對(duì)透明材料和蜂窩材料進(jìn)行了激光毀傷研究。吳朱潔[12]、Xi Wang[13]、K.W.Peter[14]、R.M.Spangler[15]等針對(duì)玻璃類透明材料的激光輻照毀傷開展了相關(guān)研究；Aixi Sun[16]、Huipeng Yan[17]等則分析了鋁蜂窩板的激光輻照熱毀傷。

針對(duì)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)激光武器毀傷，學(xué)者們對(duì)典型材料已經(jīng)開展了一定的仿真和試驗(yàn)研究，研究了單激光和組合式激光的毀傷效率，并分析了激光輻照下的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等，同時(shí)也考慮了金屬、玻璃類材料和蜂窩板結(jié)構(gòu)等的損傷。本文針對(duì)航空LY12-CZ 鋁合金，從激光輻照理論分析出發(fā)，結(jié)合試驗(yàn)研究，給出了LY12-CZ 鋁合金的激光輻照毀傷特性，并系統(tǒng)性分析了激光光斑和激光功率的大小以及靶板厚度對(duì)激光毀傷的影響。

1 金屬材料激光輻照理論分析［18-19］

1.1 熱傳導(dǎo)模型

激光束垂直入射靶板表面中心點(diǎn)O處,假設(shè)鋁合金材料是各向同性的，忽略對(duì)流和輻射對(duì)熱場(chǎng)的影響，靶板內(nèi)部的溫度場(chǎng)T如式(1)描述

式中：ρ為靶板密度；c為比熱容；T為溫度；t為時(shí)間；k為材料熱導(dǎo)率；R為反射率；α為材料吸收系數(shù)；qinc為靶材正表面上的入射激光功率密度；z為與激光入射方向一致的靶材深度坐標(biāo)；Q為其他熱源。

邊界條件如式（2）描述

式中：A為材料吸收率。

1.2 考慮熔化的一維傳熱模型

在本文試驗(yàn)中，靶板厚度為2mm，而激光光斑直徑為30mm，即激光光斑直徑比靶板厚度大一個(gè)數(shù)量級(jí)，在激光光斑中心處，可近似認(rèn)為是一維傳熱問(wèn)題。

假定溶化后液態(tài)材料密度ρq和固態(tài)材料密度ρs相等，即ρ0=ρs=ρ，則固液界面條件如式(3)所示

式中：Lm為熔化潛熱。式（3）可求得界面位置Zm。

激光輻照過(guò)程中，熔化最先出現(xiàn)在材料表面z= 0 處，則方程的初始條件為

為求解上述問(wèn)題，進(jìn)行合理化假設(shè)：當(dāng)熔化層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板厚時(shí)，可認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)熔化，即固-液界面以恒定的速度向固態(tài)區(qū)運(yùn)動(dòng)，液態(tài)一旦形成立即移走，激光束始終照射在固態(tài)表面上，即Zm界面上。

則熔化速度Um為

固-液界面位置Zm，即熔化深度為

1.3 燒穿時(shí)間估算

為了描述平板材料在強(qiáng)激光輻射下的燒穿時(shí)間，R.J.Harrach 在一維溫度分布T(z,t)情況下，用熱平衡積分法（HBBIM）描述了不透明板在激光（102～107W/cm2）輻照下的熱響應(yīng)[19]。

在R.J.Harrach研究中進(jìn)行了簡(jiǎn)化假設(shè)，并引入無(wú)量綱（量綱一）參數(shù)

式中：κ=；tb為激光束完全燒穿平板所需的輻照時(shí)間，即由T(l,tb)=Tm條件求得；l為靶板厚度；Λ0為靶板表面吸收率；Tv為汽化溫度。

根據(jù)其研究成果，在汽化前，燒蝕時(shí)間可由式（9）表示

在汽化后，且tl＜tv，燒蝕時(shí)間可由式（10）表示

2 激光輻照試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中所使用的激光輻照系統(tǒng)包括連續(xù)波激光器、雙色輻射測(cè)溫儀、攝像機(jī)、漫反屏、穿透時(shí)間探測(cè)器和總控系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 激光輻照系統(tǒng)Fig.1 Laser irradiation system

試驗(yàn)中，連續(xù)波激光器為光纖激光器，用于產(chǎn)生高能激光束，并通過(guò)調(diào)焦準(zhǔn)直鏡變換，實(shí)現(xiàn)激光束大小的調(diào)整。雙色輻射測(cè)溫儀用于測(cè)量激光輻照位置處試驗(yàn)靶板的動(dòng)態(tài)溫度值。攝像機(jī)用于觀測(cè)輻照過(guò)程中靶板的損傷破壞過(guò)程。穿透時(shí)間探測(cè)器接收透過(guò)靶板、被置于靶板之后的漫反屏反射的激光能量，用于準(zhǔn)確獲得靶板的穿透時(shí)間。通過(guò)雙色輻射測(cè)溫儀和穿透時(shí)間探測(cè)器，可以準(zhǔn)確得到穿透時(shí)刻靶板輻照區(qū)域的溫度值?？偪叵到y(tǒng)完成對(duì)激光器、雙色輻射測(cè)溫儀、穿透時(shí)間探測(cè)器、攝像機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和顯示，并控制光纖激光器和各個(gè)測(cè)量裝置之間的時(shí)序，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的同步性和可靠性。

2.2 試驗(yàn)測(cè)量方法

本試驗(yàn)中，分別獲得了激光輻照過(guò)程中靶板的損傷過(guò)程、激光輻照中心點(diǎn)處的溫度變化以及靶板穿透時(shí)間。

（1）靶板輻照區(qū)損傷過(guò)程測(cè)量

靶板輻照區(qū)損傷過(guò)程通過(guò)攝像機(jī)測(cè)量。試驗(yàn)中，為降低激光束的影響，在攝像機(jī)前端安裝相應(yīng)的濾光片，減小激光束對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

測(cè)量過(guò)程具體如下：將相機(jī)固定在三腳架上，相機(jī)與試驗(yàn)靶板中心等高，在不阻擋激光光路的前提下，相機(jī)光軸與激光光軸的夾角盡量小；調(diào)整相機(jī)三腳架，使得試驗(yàn)靶板表面的紅光光斑（激光器的指示光）位于相機(jī)視野的中央；將帶有刻度的十字坐標(biāo)紙粘在試驗(yàn)靶板表面紅光光斑位置，使得紅光光斑中心和坐標(biāo)紙?jiān)c(diǎn)基本重合，坐標(biāo)紙兩個(gè)軸分別沿著水平方向和豎直方向；觀測(cè)靶板輻照區(qū)損傷過(guò)程。

（2）靶板輻照區(qū)溫度測(cè)量

溫度測(cè)量采用美國(guó)福祿克的E2RL-F2-L-0-0 型雙色輻射測(cè)溫儀。測(cè)量過(guò)程具體如下：將雙色輻射測(cè)溫儀固定在三腳架上，測(cè)溫儀置于試驗(yàn)靶板后側(cè)等高位置，與激光光軸呈一定角度；測(cè)量測(cè)溫儀和試驗(yàn)靶板背面中心的距離，將測(cè)溫儀前焦距旋鈕調(diào)至對(duì)應(yīng)位置刻度；測(cè)量靶板輻照區(qū)溫度。

（3）靶板穿透時(shí)間測(cè)量

穿透時(shí)間測(cè)量采用美國(guó)thorlabs的APD410A/M光電探測(cè)器。測(cè)量過(guò)程具體如下：將漫反屏置于試驗(yàn)靶板的后側(cè)，以紅光光斑為指示，調(diào)節(jié)漫反屏位置和高度，使紅光光斑位于漫反屏中央位置；將穿透時(shí)間探測(cè)器固定在三腳架上，調(diào)節(jié)三腳架，使得穿透時(shí)間探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)漫反屏上的紅光光斑中心；根據(jù)光強(qiáng)度變化獲得穿透時(shí)間。

2.3 試驗(yàn)工況

本文中，充分考慮了LY12-CZ 鋁合金材料的厚度、激光光斑直徑大小以及激光功率密度等變量，見表1。系統(tǒng)性研究LY12-CZ鋁合金的激光輻照毀傷特性。從表1的6種試驗(yàn)工況中，工況1～工況3對(duì)比光斑直徑大小的影響，工況1、工況4、工況5 對(duì)比激光功率密度影響，工況1、工況6 對(duì)比材料厚度的影響。其中工況1（激光光斑直徑30mm，功率密度200W/cm2，靶板厚度2mm，輻照時(shí)間30s）為基準(zhǔn)工況。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Experimental parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 LY12-CZ鋁合金激光輻照毀傷分析

以表1中的工況1作為基本工況，開展三次激光輻照研究，通過(guò)APD410A/M 光電探測(cè)器獲得鋁合金靶板擊穿時(shí)間，并通過(guò)雙色輻射測(cè)溫儀獲得靶板穿透點(diǎn)10mm 內(nèi)平均溫度。圖2給出了鋁合金靶板背面的毀傷情況?？擅黠@觀察到靶板背面加熱和軟化引起的鼓包形成過(guò)程，以及靶板被擊穿后形成的孔洞和冒煙等現(xiàn)象。

圖2 靶板背面損傷過(guò)程Fig.2 Damage process on the back of the target

采用雙色測(cè)溫儀獲得的靶板穿透點(diǎn)處的平均溫度如圖3所示。因?yàn)樵摐y(cè)溫儀測(cè)溫范圍≥250℃，因此在6s左右，溫度—時(shí)間曲線存在跳躍。在連續(xù)激光束的輻照下，前28s內(nèi)升溫曲線光滑，靶板處于激光加熱、熔化階段，同時(shí)在攝像機(jī)內(nèi)，可看到該階段靶板表面的形態(tài)變化明顯，逐漸出現(xiàn)軟化引起的鼓包現(xiàn)象，形成類似于水滴狀的變形。到28.82s處，溫度急劇上升，在鼓包的上端開始形成擊穿小孔，表明重力的作用導(dǎo)致熔化的靶板材料向下流動(dòng)，導(dǎo)致鼓包上端率先形成小孔，同時(shí)攝像機(jī)觀察到靶板材料燃燒形成的冒煙、飛濺等現(xiàn)象，表明部分鋁合金出現(xiàn)升華。在擊穿處可能存在鋁合金靶板的燃燒等情況，導(dǎo)致溫度急劇升高再降低。之后小孔沿鼓包的上邊緣迅速擴(kuò)大，形成肉眼可見的穿孔。

圖3 靶板背面穿透點(diǎn)10mm內(nèi)平均溫度Fig.3 Average temperature within 10mm of penetration point on the back of the target

3.2 激光光斑大小影響分析

功率密度為200W/cm2，材料厚度為2mm，激光輻照時(shí)間為30s條件下，不同光斑直徑下的穿透時(shí)間和穿透時(shí)的溫度數(shù)據(jù)見表2?？煽吹?，當(dāng)光斑直徑為20mm時(shí)，在30s的輻照時(shí)間內(nèi)，靶板均未穿透；光斑直徑分別為30mm 和40mm時(shí)，靶板均穿透損傷。隨著激光光斑直徑的增加，在相同的激光功率密度下，材料靶板的穿透時(shí)間是減小的，同時(shí)穿透點(diǎn)附近的平均溫度增大。對(duì)比激光輻照9s 時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的溫度，其變化趨勢(shì)與穿透時(shí)刻溫度值一樣。

表2 不同激光光斑大小的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of different laser spot sizes

在第1 節(jié)的理論分析中，基于一維傳熱模型得到燒穿時(shí)間的表達(dá)式。其無(wú)法分析光斑直徑對(duì)燒蝕時(shí)間的影響，需要開展二維/三維傳熱模型的研究，分析光斑直徑與靶板燒蝕時(shí)間的關(guān)系。

3.3 激光功率密度影響分析

光斑直徑為30mm，材料厚度為2mm，激光輻照時(shí)間為30s條件下，不同平均功率密度下的穿透時(shí)間和穿透時(shí)的溫度數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同激光功率密度的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of different laser power densities

由此可以看到，激光功率密度大于200W/cm2時(shí)，靶板均被穿透。同時(shí)，隨著激光功率的增大，穿透時(shí)間平均值逐漸減小，穿透點(diǎn)附近的平均溫度以及激光輻照9s時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸增大。從式（8）和式（9）得到如圖4 所示曲線，可以看到，靶板穿透時(shí)間與激光功率密度的負(fù)相關(guān)，理論與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。本文試驗(yàn)中，試驗(yàn)工況不夠充足，若想得到進(jìn)一步的結(jié)果，仍需開展大量的試驗(yàn)進(jìn)行分析。

圖4 穿透時(shí)間與功率密度的關(guān)系Fig.4 The relationship between penetration time and power density

3.4 靶板厚度影響分析

光斑直徑為30mm，功率密度為200W/cm2，輻照時(shí)間為30s條件下，不同材料厚度的穿透時(shí)間和穿透時(shí)的溫度數(shù)據(jù)見表4。

從表4 中可知，所有厚度的LY12-CZ 鋁合金平板均被穿透。同時(shí)，隨著激光功率的增大，穿透時(shí)間平均值明顯減小，激光輻照7s 時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的溫度明顯增大。從式（8）和式（9）得到如圖5 所示曲線，可看到，靶板穿透時(shí)間與靶板厚度的平方正相關(guān)，理論與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。同時(shí)試驗(yàn)中的靶板穿透時(shí)間略大于理論分析結(jié)果，說(shuō)明激光燒蝕靶板的過(guò)程中存在一定的對(duì)流散熱等熱量損耗方式。

圖5 穿透時(shí)間與靶板厚度的關(guān)系Fig.5 The relationship between penetration time and thickness

表4 不同材料厚度的試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of different material thicknesses

4 結(jié)論

本文基于理論和試驗(yàn)研究，給出了激光毀傷試驗(yàn)及測(cè)量方法，分析了LY12-CZ 鋁合金激光輻照毀傷特性，并系統(tǒng)性研究了激光光斑大小、激光功率密度以及靶板厚度對(duì)激光輻照的影響。得到以下結(jié)論：

（1）在激光輻照下，靶板剛開始處于激光加熱、熔化階段，靶板表面逐漸出現(xiàn)軟化引起的鼓包現(xiàn)象，形成類似于水滴狀的變形。在重力的作用影響下，熔化的靶板材料向下流動(dòng)，隨著溫度進(jìn)一步上升，在鼓包的上端開始形成擊穿小孔，形成冒煙、飛濺等現(xiàn)象，之后小孔沿鼓包的上邊緣迅速擴(kuò)大，形成肉眼可見的穿孔。

（2）激光光斑越大、激光功率密度越高、靶板厚度越小，靶板的穿透時(shí)間越短，同時(shí)穿透點(diǎn)附近的平均溫度增大。其中，靶板穿透時(shí)間與激光功率密度負(fù)相關(guān)，但與靶板厚度的平方正相關(guān)。

（3）針對(duì)考慮激光屬性和靶板屬性的典型金屬材料激光毀傷研究，因材料表面狀態(tài)加工的分散性，需提高材料加工的一致性，并通過(guò)大量試驗(yàn)開展進(jìn)一步研究。