第3章激光材料加工基本原理.ppt

CO2激光焊接光致等离子体折射效应 测量光致等离子体对激光束造成的偏转 激光束发生偏转 位置不同，发生偏转的角度不同 发生偏转 CO2激光焊接光致等离子体折射效应 CO2激光焊接光致等离子体折射效应 CO2激光焊接光致等离子体折射效应 Beck等人假设等离子体为椭球形、具有类高斯的温度分布，结合Saha方程和激光束在等离子体中传输的色散关系，采用有限差分法直接求解波动方程来计算激光束在等离子体中的传输。 结论：等离子体可使激光束产生严重散焦 一个高4mm的表面金属蒸汽等离子体可使光束直径扩大2.5倍－－激光功率密度下降5倍多 CO2激光焊接光致等离子体折射效应 左铁钏等实验测量光致等离子体对激光聚焦形态的影响 原理：高功率激光焊接时，激光移开后，等离子体仍然存在，采用纸记录等离子体形态 发现： 光斑变大，焦点下移 等离子体对激光的散射 Malsunnawa研究YAG激光辐照Ti靶形成的蒸汽羽 光散射是由蒸发原子的重聚形成的超细微粒造成的 超细微粒尺寸与气压有关，平均大小可达80nm，远远小于入射光波长 低气压时，超细微粒较小，散射大大减弱 金属蒸汽对激光存在较强光散射 发现： 等离子体对激光的散射 球形粒子引起的瑞利散射强度： 空间随机分布的多个粒子引起的瑞利散射的等效吸收系数为： 散射损失反比于波长的4次方 波长越短，散射越大 对于YAG激光，虽然由于波长短，不易形成等离子体，吸收小，但散射损耗大，仍然要控制等离子体 等离子体对激光的散射 等离子体对激光的散射 CO2激光，未见散射报道 波长长，散射小 激光深熔焊接过程中形成的光致等离子体对焊接质量有很大影响。具有两重性, 这取决于等离子体的存在状态。 当等离子体处于蒸发沟槽之内或为表面薄层状时, 等离子体可以强化吸收； 而当等离子体变成云团时, 将对激光散射和折射，阻碍激光与材料的耦合。 激光焊接的等离子体行为 激光焊接中的光致等离子体 从温度看，激光焊接光致等离子体属低温等离子体 从空间位置和等离子体的强弱来看，在不同的激光功率密度条件下，可以将激光等离子体分为三类： 等离子体呈周期性变化 等离子体非常稀少并附在工件表面 等离子体在工件上方形成稳定的近似球形的云团 激光焊接的等离子体行为 20kW射频激励快速轴流CO2激光器焊接铸造铝合金 激光深熔焊接过程中产生的等离子体云团对入射激光具有屏蔽作用，影响正常焊接过程。等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；而等离子体的负透镜效应（折射）扩大了激光能量在工件上的作用区，从而降低了焊接质量。 激光焊接中的光致等离子体 等离子体对激光的折射行为是引起等离子体屏蔽的主要原因。在激光深熔焊接过程中，等离子体对激光的折射作用大大降低了耦合到工件表面的能量密度，并且导致激光实际聚焦位置比正常聚焦位置偏低。 等离子体的吸收和散射作用影响了激光的传输效率，降低了到达工件上的激光能量；而等离子体的负透镜效应（折射）扩大了激光能量在工件上的作用区，从而降低了焊接质量。 影响等离子体的因素 激光焊接中的光致等离子体 工艺参数：焊接速度、聚焦光斑大小等 材料性质：热导率、电离能、汽化热等 影响等离子体的因素 激光焊接中的光致等离子体 激光参数：激光功率密度、波长、光斑大小都对等离子体有影响。功率密度越大，等离子体的温度越高，但功率密度过大会导致等离子体不稳定；激光波长越长，等离子体的临界密度越小；激光光斑直径越小，等离子体就越难以形成。 焊接环境：环境压力、环境气体及气体流量都会对等离子体产生影响。环境压力越低，蒸气密度及电子密度就会越低，从而等离子体越不易产生；环境气体电离能越低、导热性越差越容易形成等离子体；环境气体流量越大，等离子体体积就越小，但是其流量过大会使匙孔扩大、熔化金属飞溅。 激光焊接中的光致等离子体 光致等离子体的控制方法：以期达到减小或消除它对激光干扰的目的。 激光摆动法。在焊接过程中，激光束沿焊接方向来回摆动，在匙孔出现后而等离子体形成以前，将光斑瞬时移至熔池的后缘，等离子体来不及扩展，光束又向前移动形成新的小孔，如此周而复始。这种方法能获得比脉冲激光焊接更深和更大深宽比的焊缝，但是这种方法在实际操作中不易控制。 脉冲激光焊接法通过调整激光的脉冲频率，使激光的辐照时间小于等离子体的形成时间，从而抑制等离子体的产生。但这种方法容易引起焊缝的波动。 激光焊接中的光致等离子体 光致等离子体的控制方法： 外加电磁场控制法。由于等离子体是被电离的气体。在外加电磁场的作用下，等离子体中的带电粒子会受到电磁力作用，控制电场和磁场的方向和大小，可以改变等离子体中的带电粒子的分布和运动，达到控制等离子体的目的。利用外加电磁场控制等离子体，方法简单，成本较低，但在实际中难以操作。 Tse 等人研究发现，用