激光加工物理基础

2015-01-13 12:54 作者:管理员11 来源:未知 浏览: 字号:

摘要:激光加工物理基础 金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加 工,其前提是激光被加工材料所吸收并转化为热能。 在不同功率密度激光束的照射下,材料表面区域将发 生各种不同的变化,这些变化包括表面温度升高、熔 化、汽化、形成小孔以及产生光致等离子体

激光加工物理基础
    金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加
工,其前提是激光被加工材料所吸收并转化为热能。
在不同功率密度激光束的照射下,材料表面区域将发
生各种不同的变化,这些变化包括表面温度升高、熔
化、汽化、形成小孔以及产生光致等离子体等。如图
31.1-1所示为不同功率密度激光辐射金属材料时的几
个主要物理过程。
    当激光功率密度I小于10的4次方W/cm²数量级时,金
属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高,但维持
固相不变。这一阶段主要用于零件的表面退火和相变
硬化处理。
    当激光功率密度I在10的4次方~10的6次方W/cm²数最级之间
时,材料表层将发生熔化。这一阶段主要用于金属的
表面重熔、合金化、熔理和热传导型焊接。
不同功率密度激光辐射金属材料的主要物理过程
    当激光功率密度I达到10的6次方w/cm²数量级时,材
料表面在激光束的照射下强烈汽化,在汽化膨胀压力
作用下,液态表面向下凹陷形成深熔小孔,与此同
时,金属蒸气在激光束的作用下电离产生光致等离子
体。这一阶段主要用于激光深熔焊接、切割和打孔
等。
    当激光功率密度I大于10的7次方W/cm²数盆级时,光
致等离子体将逆着激光束的人射方向传播,形成等离
子体云团,出现等离子体对激光的屏蔽现象。这一阶
段一般只适用于采用脉冲激光进行诸如打孔、冲击硬
化等加工工艺。
    上述功率密度范围只是一个粗略的划分。在不同
条件下,不同波长激光照射不同金属材料,每一阶段
的功率密度的具体数值会存在一定的差异,特别是第
四个阶段,其差异可能非常大。在不同功率密度激光
作用下,材料表面区域物理状态的不同变化反过来又
将极大的影响激光与被加工材料之间的相互作用。当
激光功率密度小于材料的汽化阅值时,金属对激光的
吸收率很低,大部分激光能量被材料表面反射,加工
效率极低。一旦激光功率密度超过汽化闻值,材料对
激光的吸收和焊接深度都将急剧增加。而当激光功率
密度大于等离子体的屏蔽阂值时,吸收率和加工效率
又将降低。
1材料对激光吸收的一般规律
    当激光从一种介质传播到折射率不同的另一种介
质时,在介质之间的界面将出现反射和折射。从光学
薄材料,如空气或材料加工时的保护气氛(其折射
率接近于1),到具有折射率为na=n+ik的材料的垂
直人射光.在界面处的反射率R为

但是当激光束倾斜人射时,偏振对吸收的影响变得非
常重要。
    如图31.1-2所示为非透明材料吸收率与偏振和
入射角度的依赖关系。对于平行偏振光,吸收率与入
射角的依赖关系表现为在布儒斯特角时吸收率具有最
大值,而在0°和90°时有最小值。垂直偏振光则相
反.随着入射角的增大,吸收率持续下降。
非透明材料吸收率与偏振和入射角度的依赖关系
    (1)金属对激光的吸收
    光在材料表面的反射、透射和吸收,本质上是光
波的电磁场与材料中自由电子或束缚电子相互作用的
结果。金属中存在大童的自由电子,这些自由电子在
激光电磁波的作用下强迫振动而产生次波。这些次波
形成强烈的反射波和较弱的透射波。C02和YAG等
红外激光照射到金属材料表面时。由于光子能童小,
通常只对金属中的自由电子发生作用,也就是说能量
的吸收是通过金属中的自由电子这个中间体,然后电
子通过碰撞将能量传递给晶格。
    当激光的波长较短(<0.5μm)时,由于激光光
子的能全较大,激光除与自由电子发生相互作用之
外,还可与金属中的束缚电子发生作用,引起价带电
子向导带电子的跃迁,从而使金属的反射能是降低,
透射能量增强,金属对激光的吸收率增大。
    (2)金属吸收率随沮度的变化
    当温度升高时,金属中电子的热运动加剧,直流
电阻率增大,因此随着温度升高,如果不存在带间吸
收,也就是说针对红外激光,金属的固有吸收率增大。
    当金属从固相转变成液相时,每个金属原子的导
电电子数、金属密度以及金属的直流电阻率同时改
变,因此,可以预期在金属的熔点处,从固态转变成
液态时金属的吸收率有一个台阶增长。
    (3)反常吸收效应
    在强激光作用下,金属对激光的吸收出现突然增
大的现象,其数值远远超过金属吸收率由沮度依赖关
系所决定的数值,这一现象称为金属的反常吸收,它
与材料的熬发和光致等离子体的形成有关。
2金属的激光加热
    如前所述,金属吸收激光是通过自由电子这一中
间体,然后通过电子与晶体点阵的碰搜将多余能童转
变为晶体点阵的振动。电子和晶体点阵碰撞总能盘的
弛豫时间的典型值为10的-13次方s,因此,可以认为材料吸
收的光能向热能的转变是在一瞬间发生的。由于金属
中的自由电子数密度很高,金属对光的吸收系数很
大,约为10的5次方~10的6次方cm-1。从波长为0.25μm的紫外光
到波长为10.6μm的红外光这个波段内的测盆结果表
明,光在各类金属中的穿透深度仅为10nm数盘级,
也就是说,透射光波在金属表面一个很薄的表层内被
吸收。因此,金属吸收的激光能盘使表面金属加热,
然后通过热传导,热最由高温区向低温区传递。
3激光辐射下金属的蒸发及小孔效应
    激光照射金属材料表面时,一部分能里将在一个
很薄的表层内被吸收并转换成热,使表面温度升商。
当激光功率密度大于材料燕发所需的临界功率密度
时.原来为凝聚态物质的燕发是重要的效应。相比之
下,在薄的加热层中所含的能盆是很小的,几乎所有
供给的能量都用于使物质蒸发,然后使气体加热并加
速。蒸发过程以传播速度D向前推进,同时燕气的
反冲作用在材料表面产生一定的反冲压力,如图
31.1-3所示。
激光照射下材料蒸发时蒸汽温度T、密度ρ和速度ν的分布
    可见,金属的燕发作用在材料表面的压力正比于
激光强度和材料对激光的吸收率。由于材料的蒸发在
材料表面产生反冲压力,使熔融金属表面下陷.并形成
小孔,如图31.1-4所示。
    小孔的形成对于焊接具有重要的意义。一般来
说,激光加工时激光束通常垂直于试样表面,吸收面
为试样的上表面,按照平面的法线法则,激光的人射
角为零,这种情况下。金属对激光的吸收率通常很
低。一旦形成小孔,激光束不再是直接作用在试样上
表面,而是作用在小孔侧壁,通过小孔壁的多次反射
吸收,从而可以使进入小孔内的激光能童几乎100%
地被吸收。
蒸汽压力作用下形成小孔
(责任编辑:laugh521521)
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