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1、激光与材料相互作用基础,激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。是一个极为广泛的概念，既包括复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、光电效应、气体击穿等）。一、激光与材料相互作用的物理过程 1 能量变化过程 激光与材料相互作用时，两者的能量转化遵守能量守恒定律 E0=E反射+E吸收+E透过 E0入射到材料表面的激光能量；E反射被材料反射的能量；E吸收被材料吸收的能量；E透过激光透过材料后仍保留的能量。,上式可转化为：1=E反射/E0+E吸收/E0+E透过/E0 即：1=R+T 其中：R反射系数;吸收系数;T透射系数 当材料对激
2、光为不透明时E透过=0，则 1=R+激光入射到距离材料表面X处的激光强度为：（布格定律）表明：1、随激光入射到材料内部深度的增加，激光的强度将以几何 级数减弱；2、激光通过厚度为1/的物质后，激光的强度减少1/e，说明 材料对激光的吸收能力应归结为吸收系数的大小。,2、激光与材料相互作用引起的物态变化 激光与材料相互作用过程中，材料将吸收光获得能量，获得的能量可以转化成热能、电能、化学能、不同波长的光能。影响因素主要包括：激光的波长、能量密度、材料的特性及作用时间等因素。激光照射下，随着材料对激光吸收的增加，作用区材料温度升高，当E入=E出时，作用区的温度才能保持不变。材料温度变化的特征：（1
3、）相同作用时间下，能量差（E入-E出）越大，升温速度越快；（2）光束波长短，吸收率高，升温速度快；（3）相同能量差的条件下，材料的比热越小，作用区的温度越高；（4）相同照射条件，材料导热系数越小，作用区与邻近区的温度梯度 越大。,材料在激光作用下的不同状态a)固态加热 b)表层熔化 c)表层熔化，形成增强吸收等离子体云 d)形成小孔及阻隔激光的等离子体云,温度升高-熔化-汽化-形成小孔、等离子体,激光与材料相互作用下的物态变化：相变态液态气态等离子态,3、材料对激光能量的吸收影响吸收率的因素：激光的波长：波长短，吸收率高；导电性：导电性好，吸收率低（Al、Cu、Au、Ag）；表面粗糙度和涂层（
4、氧化锆、氧化钛、石墨及磷酸盐）；材料的温度：温度越高，吸收率越高，这与材料的直流电阻率有关.,温度对吸收率的影响,金属汽化，形成匙孔,金属蒸汽以及保护气体一部分起始自由电子被加速,碰撞蒸汽粒子和保护气体使其电离,电子密度便雪崩式增长形成致密等离子体,二、等离子体行为,1、等离子体的形成,等离子体吸收的光能可通过以下不同渠道传至工件：,等离子体与工件接触面的热传导,等离子体辐射易为金属材料吸收的短波场光波,材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。,如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失，则增强工件对激光能量的吸收。反之，减弱工件对激光的吸收。,2、激光维持吸收波
5、,较强的激光束辐照于工件表面，使得金属蒸汽或工件表面附近的环境气体发生电离以致击穿，形成一个激光吸收区。等离子体的一部分能量将以辐射方式耗散，被凝聚态材料或周围气体介质所吸收。这种吸收激光的气体或等离子体的传播运动，通常称为激光维持吸收波。主要的激光吸收区最终是在环境气体中形成。,1700W,1800W,1900W,激光维持燃烧波对焊缝成形的影响,3、等离子体的周期性,4、等离子体在能量传输中的作用,等离子体位于熔池上方的激光传输通道上，它对激光会产生反射、散射以及吸收，还会对激光产生负透镜效应。,1、致密的光致等离子体通过吸收和散射入射光，影响了激光的能量传输效率，大大减少了到达工件的激光能
6、量密度，导致熔深变浅；2、由于等离子体对入射激光的折射，使得激光通过等离子时波前发生畸变，改变了激光能量在工件上的作用区。,1）等离子体对激光的折射 等离子体的基本构成是正离子、自由电子和中性原子，整体上呈电中性。等离子体振荡是等离子体的最基本特点，其振荡频率为：,等离子体中电子密度，真空介电常数 电子质量，电子电量。,当角频率为 的激光在等离子体中传播时，光速和波长发生变化，而其角频率 不变，其频率 和波数 满足色散关系：,等离子体频率；在等离子体中传播的激光角频率；波数()真空中的传播速度,相应电磁波可以在等离子体中传播,相应电磁波不能进入等离子体中传播,实验室及一般工业加工条件下，等离子
7、体电子密度处于 范围，相应 的数量级处于 Hz范围，对于工业CO2激光，通常不会出现激光被等离子体全部反射的情况。激光在等离子体中传播的色散关系也可用下式表示：,式中，为等离子体折射率。可见，等离子体的折射率与等离子体的振荡频率有关，而等离子体的振荡频率是等离子体电子密度的函数。,由上式可知，可以传播激光的等离子体总满足，此时等离子体折射率小于1。所以激光束从空气入射到等离子体中的过程，是从光密介质进入光疏介质的过程，折射结果使聚焦性变差，对光束起发散作用。激光从折射率大的区域向折射率小的区域传播时，光束会发散，表现为负透镜效应。当入射激光束穿过等离子体时将引起激光束传播方向的改变，其偏转角与
8、等离子体的电子密度梯度和等离子体长度有关，几千瓦至十几千瓦CO2激光诱导的等离子体对激光束的偏传角为10-2rad数量级。,2）等离子体对激光的吸收 等离子体通过多重机制吸收激光能量，使温度升高、电离度增大。正常吸收 逆韧致吸收，是指处在激光电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一定概率与粒子（主要为离子）相互碰撞，把能量交给比较重的粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。逆韧致吸收分为线性（电子速度分布为麦克斯韦分布）和非线性（电子速度分布函数与电场有关）两类，非线性情况发生在极高激光电场场合。反常吸收 指通过多重非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能的过程。这些波所携带的能量，通过
9、各种耗散机制转化为等离子热能。,等离子体对激光的吸收系数：,等离子体温度 平均电离电荷 库仑对数的某种平均值,激光波长一定时，吸收系数是、和 的函数。而、仅与 有关，故最终可通过测量等离子温度来求得等离子体对激光的吸收系数.,5、等离子体的抑制方法,1、激光摆动法：激光加工头沿焊接方向来回摆动，在匙孔出现后等离子体形成以前，将光斑瞬时移至熔池的后缘；2、脉冲激光焊接法：调整激光的脉冲和频率，使激光的辐照时间小于等离子体的形成时间；3、低气压焊接：采用减压焊接，当气压低于某一程度时，材料表面及匙孔内金属蒸气密度较小，等离子体减弱；4、侧吹辅助气体：一种是采用辅助气体吹散等离子体；另一种是用导热性
10、好、电离能高的气体抑制环境气体的电离和压缩金属离子蒸气。,5、等离子体的抑制方法,5 l/min,10 l/min,20 l/min,1、保护气流量,2、保护气种类,P=1400W,P=1600W,P=1800W,P=1900W,Ar气,He气,材料剧烈汽化膨胀产生的压力将熔融金属抛出，形成匙孔。为形成匙孔，汽化压强应平衡表面张力、静水压力和液相材料抛出的流动阻力。孔底汽化压强为：,式中，为孔底处液气界面的表面张力，为孔底处的曲率半径，为液体材料密度，为重力加速度，为孔深，为液体流动阻力产生的压力。,三、匙孔效应,1、匙孔的形成,菲涅耳吸收是匙孔壁对激光的吸收机制，它描述激光在匙孔内多重反射的
11、吸收行为。,功率密度为 的激光束在倾斜角为 的匙孔壁上发生反射时，被匙孔壁吸收的功率密度为Iabs，则菲涅耳吸收可以用下式来表示,为菲涅耳吸收系数,2、匙孔对能量传输的影响,若假设匙孔为圆锥面，锥角。沿圆锥轴线入射的光束经锥面反射直向尖顶并退回，总共反射 次。每反射一次，吸收约13（CO2激光对铁）。设，则在18次反射过程中总吸收率达92。,激光经过匙孔壁的多次反射后到达孔底。孔内等离子体与孔壁均会吸收激光能量。等离子体吸收能量，通过对流和辐射将能量传给孔壁。,匙孔底部激光功率密度对产生一定的汽化压强以维持一定深度的小孔至关重要，决定了加工过程的穿透深度。,等离子体吸收-逆韧致吸收孔壁吸收-菲
12、涅尔吸收,匙孔内部的能量传递,材料对激光能量的吸收过程,3、焊接过程中的匙孔行为,焊接过程，匙孔壁始终处于高度波动状态，匙孔前壁较薄一层熔化金属随壁面波动向下流动，匙孔前壁上的任何凸起位置都会因受到高功率密度激光的辐照而强烈蒸发，产生的蒸汽向后喷射冲击后壁的熔池金属，引起熔池的振荡，并影响凝固过程熔池中气泡的溢出。,焊接过程中匙孔的不稳定性主要是匙孔前壁局部金属的蒸发造成的。气孔的形成：1）局部蒸发引起保护气的侵入；2）合金元素的烧损；3）激光焊接铝及合金时，在冷却过程中由于氢在铝中的溶解度急剧下降会形成氢气孔。,在熔池中存在旋转的涡流构造，且能量较大，有强烈的搅拌力作用。熔池底部产生的较大气泡并非完全依靠上浮力排除熔池，而是靠金属的流动带出熔池。,X射线拍摄到的匙孔波动形态,
