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激光焊接机焊接过程中出现的等离子体
发布时间:2021-05-17 阅读次数:

     在高功率密度条件下进行激光焊接加工时会出现等离子体。 等离子体的产生是物质原子或分工受能量激发电离的结果,任何物质在接收外界 能量而温度升高时,原子或分子受能量(光能、热能、电场能等)的激发都会产 生电离,从而形成由自由运动的电子、带正电的离子和中性原子组成的等离子体。 等离子体通常称为物质的第四态,在宏观上保持电中性状态。激光焊时,形成等离子体的前提是材料被加热至气化。 

 
    金属被激光加热气化后,在熔池上方形成高温金属蒸气。金属蒸气中有一定的自由电子。处在激光辐照区的自由电子通过逆韧致辐射吸收能量而被加速,直 到其有足够的能量来碰撞、电离金属蒸气和周围气体,电子密度从而雪崩式地增 加。这个过程可以近似地用微波加热和产生等离子体的经典模型来描述。 
 
    在107W/cm2的功率下,平均电子能量随辐照时间的加长急剧增加到一个常值(约1cV)。在这个电子能量下,电离速率占有优势,产生雪崩式电离,电子密 度急剧上升。电子密度最后达到的数值与复合速率有关,也与保护气体有关。 
 
    激光加工过程中的等离子体主要为金属蒸气的等离子体,这是因为金属材料 的电离能低于保护气体的电离能,金属蒸气较周围气体易于电离。如果激光功率 密度很高,而周围气体流动不充分时,也可能使周围气体离解而形成等离子体。 
 
    等离子体的行为高功率 激光深熔焊时,位于熔池上方的等离子体会引 起光的吸收和散射,改变焦点位置,降低激光功率和热源的集中程度,可影响焊 接过程。 
 
    等离子体通过逆韧致辐射吸收激光能量,逆韧致辐射是等离子体吸收激光能 量的重要机制,是由于电子和离子之间的碰撞所引起的。简单地说就是:在激光 场中,高频率振荡的电子在和郭碰撞时,会将其相应的振动能变成无规则运动能, 结果激光能量变成等离子体热运动的能量,激光能量被等离子体吸收。 
 
    等离子体对激光的吸收率与电子密度和蒸气密度成正比,随激光功率密度和 作用时间的增长而增加,并与波长的平方成正比。同样的等离子体,对波长10.6μ的CO2激光焊的吸收率比对波长1.06μ 的YAG激光的吸收高两个数量级。 由于吸收率不同,不同波长的激光产生等离子体所需的功率密度阈值也不同。YAG 激光产生等离子体阈值功率密度比CO2 激光的高出约两个数量级。也就是说, 用CO2 激光进行加工时,易产生等离子体并受其影响,而用YAG 激光加工,等离子体的影响则较小。 
 
    激光通过等离子体时,改变了吸收和聚焦条件,有时会出现激光束的自聚焦现象。等离子体吸收的光能可以通过不同渠道传至工件。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成工件接收光能的损失,则等离子体反而增强了工件对激光能量的吸收,这时,等离子体也可看作是一个热源。

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