激光深熔焊接过程中等离子体的PIC模拟

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近几十年来,激光焊接因其注入能量易控、影响范围小及焊接速度快等特点,逐渐成为材料焊接的重要手段。但在焊接过程中材料表面产生的等离子体,会与激光发生强相互作用,进而降低焊接质量。研究激光焊接过程中等离子体的相互作用,特别是等离子体对激光的能量吸收,在激光应用上具有重要意义。本文采用激光焊接实验中典型的物理参数,利用开源SMILIEI程序采用Particlein-cell(PIC)方法近似求解弗拉索夫-麦克斯韦系统,模拟等离子体对激光逆韧致吸收的物理过程。开展包括等离子体温度、密度、激光强度等关键物理量对等离子体吸收激光能量的影响。本论文的结构安排如下:第一章介绍了激光的发展及激光焊接技术的应用,及介绍目前在实验和理论上国内外对深熔焊接情况下等离子体影响激光焊接效率的研究现状。并阐述本文对研究激光与等离子体相互作用的重要意义。第二章首先介绍了等离子体的基本物理特征,及激光在等离子体中传播时应满足的条件。在高激光强度脉冲下激光的有质动力会把激光经过的区域的电子向外排出,部分电子被加速。此外介绍逆韧致吸收的理论基础,并对比改变不同密度和温度下两种常见近似的逆韧致吸收系数的差异。第三章采用粒子模拟方法编写的SMILIEI程序来模拟激光与等离子体相互作用下激光能量损失的物理过程,通过求解弗拉索夫-麦克斯韦方程组可以得到等离子体一些基本参数随时间的演化。本章介绍物理模型包括入射的激光包络模型和激光与等离子体相互作用的二维物理模型,及模拟电子和离子的碰撞模块。第四章首先验证SMILIEI程序准确性,对等离子体电场进行傅里叶变换分析,可以得到等离子体频率,与理论计算值相符;在无碰撞基础上加入库仑碰撞模块,来研究逆韧致吸收对激光能量的影响,并将模拟结果与逆韧致吸收系数的理论公式进行对比。模拟结果表明吸收系数与激光强度较小时相近,但是在激光强度较大时与理论结果存在较大差异。激光强度较小时,逆韧致系数随库仑对数、激光波长及电子密度的变化与理论公式基本相符,即随库仑对数,激光波长和电子密度的增加而增加,与理论预期不同的是,等离子体温度对逆韧致吸收的影响较小,随等离子体温度升高,逆韧致吸收减少,这一结果定性符合逆韧致吸收理论。本研究加深了对逆韧致吸收过程的理解,并对后续的研究打下基础。
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