（机械制造及其自动化专业论文）激光深熔焊接光致等离子体温度分布的测量.pdf

硕 学位论文 摘要 小孔效应是激光深熔焊接的本质特征，对于小孔机理的研究是激光焊接领域的研究 热点和难点。由于小孔内、外密布着光致等离子体，对于光致等离子体的探测有助于小 孔机理的进一步研究，同时也对实际的焊接应用有着指导意义。温度是等离子体最重要 的参数之一，其它物性参数都可以写为等离子体温度和电子密度的函数。本文设计了多 通道光谱测量系统。通过测量小孔内、外等离子体温度分布来研究光致等离子体的内部 状况。 创新设计了以多通道光纤组件为探测元件的测量系统，通过该探测系统测量等离子 体光强的线积分曲线，利用a b e l 逆变换计算 ：导到孔内、外等离子体温度的二维分布。 通过正交试验研究了焊接参数对于孔外等离子体温度分布的影响，设计“三明治”焊接 试验首次以试验方式获得了孔内等离子体温度的二维分布。 试验结果表明：孑l 外等离子体温度在1 0 0 0 0 k 以下，随着高度的增加，平均温度减 小；孔外等离子体温度分布不均匀且不稳定，随着高度的增加，温度变化量减小且更稳 定：孔内等离子体对于孔外等离子体的影响较大；孔外等离子体温度分布呈现出中间区 域的下陷，焊接前沿温度多高于后沿的主要特征；不同的焊接参数对于孔外等离子体温 度分布有着不同程度的影响。孔内等离子体最高温度在1 5 0 0 0 k 以上，中间区域光强弱， 温度高于四周。孔内包括了固态、液态、气态和等离子体四态，并在焊接小孔的前后沿 有着不同的变化趋势。 关键词：激光深熔焊接；光致等离子体；温度分布；a b e l 逆变换；多通道光谱测量系统； 光纤探测组件 鍪垄垂丝堡堡耋鍪兰塞二丝堡些坌查竺型量 a b s t r a c t k e y h o l ee f f e c ti st h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i co fd e e p - p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g ，t h e r e s e a r c ho fk e y h o l em e c h a n i s mi st h eh o ta n dd i f f i c u l tp o i n ti nl a s e rw e l d i n gf i e l d l a s e r i n d u c e dp l a s m ad e n s e l yc o v e rt h ek e y h o l e ，s od e t e c t i n gl a s e ri n d u c e dp l a s m ai sv e r yh e l p f u l f o rk e y h o l em e c h a n i s mr e s e a r c ha n dh a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o no fl a s e r w e l d i n g 。t e m p e r a t u r ei s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r so fp l a s m a , a n yo t h e r p a r a m e t e r sc a l lb ee x p r e s s e db yp l a s m at e m p e r a t u r ea n de l e c t r o nd e n s i t y t h ea r t i c l ed e s i g n sa m u l t i c h a n n e ls p e c l f f a lm e a s u r e m e n ts y s t e mt or e s e a r c ht h es t a t u si n s i d el a s e ri n d u c e dp l a s m a b ym e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp l a s m ai n s i d et h ek e y h o l ea n da b o v et h e w o r k p i e e es u r f a c e c r e a t i v ed e s i g n sam e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nm u l t i - c h a n n e lo p t i c a lf i b e rd e t e c t i n g a s s e m b l y , m e a s u r e sl i n ei n t e g r a lc u r v eo fp l a s m ai n t e n s i t yo fp l a s m aa n dc o m p u t e s2 - d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ep l a s m ai n s i d et h ek e y h o l ea n da b o v et h ew o r k p i e c es u r f a c eb y a b e li n v e r t e d t r a n s f o r m a n a l y z i n gi n f l u e n c e o fw e l d i n gp a r a m e t e r st ot e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na b o v et h ew o r k p i e c es u r f a c eb yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，a n df i r s tg e t st h e2 - 1 ) t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ep l a s m ai n s i d et h ek e y h o l eb ye x p e r i m e n t a lm e t h o db a s e d0 1 1 “s a n d w i c h ”m e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tp l a s m at e m p e r a t u r ea b o v et h ew o r k p i e c es u r f a c ei sb e l o w1 0 0 0 0 k , a n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r ed e c r e a s ew i t hh e i g h ti n c r e a s i n g ；t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f p l a s m aa b o v et h ew o r k p i e c es u r f a c ei sl i o n - u n i f o r ma n du n s t a b l e ，a n dt h et e m p e r a t u r ec h a n g e i ss m a l l e ra n dm o r es t a b l e ；t h ep l a s m ai n s i d et h ek e y h o l eh a sm u c he f f e c to np l a s m aa b o v e t h ew o r k p i e c es u r f a c e ；t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sl o wi nm i d d l ea r e aa n df r o n to f w e l d i n g a r e ai s a l w a y sh i g ht h a nb a c k ；d i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r sh a v ed i f f e r e n te f f e c to nt h e 1 1 1 t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp l a s m a t h ep l a s m am a x i m u mt e m p e r a t u r ei n s i d et h ek e y h o l ei s a b o v e1 5 0 0 0 k ，t h ei n t e n s i t yo f m i d d l ea r e ai sw e a k ，b u tt e m p e r a t u r ei sm u c hh i g h e r t h es t a t e i n s i d ek e y h o l ei n c l u d i n gs o l i d ，l i q u i d ，g a sa n dp l a s m a , a n dh a sd i f f e r e n tt r e n db e t w e e nf r o n t a n db a c ko f t h ew e l d i n g k e y h o l e k c y w o r d s ：d e e p p e n e t r a t i o nl a s e rw e l d i n g ：l a s e ri n d u c e dp l a s m a ；t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n ；i n v e r t e da b e lt r a n s f o r m ：m u l t i - c h a n n e ls p e c t r a lm e a s u r e m e n t s y s t e m ：o p t i c a lf i b e rd e t e c t i n ga s s e m b l y i v 丝垄堡丝堡堡丝丝篁窒l 丝墅丝坌至墼型茎 插图索引 图1 1 激光深熔焊接激光能量的吸收过程 图1 2 激光深熔焊接中的d q l 效应和等离子体一 图1 3 激光功率密度与焊接模式之间的关系 图1 4 两种激光焊接模式的比较 图1 5 激光输出光斑示意图 图1 6 “三明治”试验 l 2 j z i 6 ”l l 图1 7 试验原理图及不同延迟时间下的等离子体电子温度一1 2 图3 1a b e l 逆变换原理示意图 图3 2 对称部分a b e l 逆变换结果 图3 3x = 0 处的a b e l 逆变换结果2 4 图3 4 二维计算变换示意图 图3 5 计算解与精确解 图3 6y = 0 处的分布情况 图3 7 计算误差分析 “2 5 “2 5 ”2 5 - 2 6 图4 1 孔外及孔内等离子体温度分布测量示意图“2 7 图4 2 孔外等离子体探测示意图” 图4 3 孔内等离子体探测示意图“ 图4 4 激光器及其光学模式 图4 5 国产g g l 7 玻璃及其光谱 “2 8 - 2 8 2 9 - 2 9 图4 6p y r e x 玻璃的透过率曲线3 0 图4 7 多通道光谱仪与c c d 图4 8p i x i s ：4 0 0 f 探测器 图4 9p i x i s ：4 0 0 f 响应曲线一3 3 图4 1 0 孑l 外等离子体探测光纤 图4 1 1 孔内等离子体探测光纤 图4 1 2 光纤夹具实物图- 图4 1 3 数控二维电动位移台 图4 1 4 光栅的响应曲线图 图5 1 孔外等离子体温度分布测量装置图 ”3 5 3 8 图5 2 不锈钢焊接正交试验结果及多通道光谱图一4 2 图5 3 孔外等离子体光强拟合曲线 图5 4 孔外等离子体面温度分布图“4 3 图5 5 等离子体温度变化量示意图一4 4 图5 6 不同高度的等离子体光强分布 图5 7g g l 7 玻璃相对光强图4 7 图5 8 孔内等离子体温度分布测量试验装置图 图5 9 “三明治”焊接试验结果 图5 。l o 孔内多通道等离子体光谱强度图 图5 1 1 孔内等离子体光强拟合曲线 图5 1 2 发射系数分布图 4 7 4 7 二4 8 图5 1 3 孔内等离子体温度分布图4 9 v i i l 丝丝堡垒堡垄垄丝篁童至丝堡垄坌至墼墼星 附表索引 表1 1 主要焊接方法能量密度比较 表1 2 不同焊接方法的比能对比 表1 3 不同焊接方法之间的比较 2 2 表4 ir o f l nd c 0 2 5 激光器主要技术参数2 9 表4 2p y r e x 和g g l 7 化学成份对比 表4 3g g l 7 玻璃的物理化学性能 表4 4s p e e t r a p r o - - 2 3 5 6 主要技术指标” 表4 5p i x i s ：4 0 0 f 主要技术指标 表4 6p s a 系列主要技术指标 表4 7s c 3 0 0 主要技术指标 表4 8 选用铁谱线的相关参数 一3 0 ”3l 3 2 - 3 2 表4 9 选用铝谱线的相关参数 表4 1 0 不锈钢激光焊接的正交试验表 表4 1 1 激光深熔焊接孔内测量参数表 表5 1 不同焊接条件下的等离子体温度 表5 2 不同条件下等离子体的温度分布情况 表5 3 极差法分析结果， 3 9 3 9 3 9 4 1 表5 4 不同高度等离子体温度分布情况”4 5 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 聚如 日期：岬年，2 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 弘吟日期：伽9 年，2 月，日 导师签名：f z 臣笨日期：弘。7 年陟月 日 硬j 。学位论文 第1 章绪论 激光的发明是2 0 世纪中期一项划时代的成就，对人类社会文明产生了极其深远的影 响。人们把激光和原子能、半导体、计算机并称为2 0 世纪的“新四大发明”。激光的出 现不但引起了光学革命性的发展，冲击了整个物理学，并且对其它学科如化学、生物学 和技术及应用学科如机电工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响。近年来， 它已经广泛应用于工业生产、科学研究、国防建设、社会文化等各个领域，对国民经济、 国防实力及社会文化的进步与发展做出了卓越的贡献”。进入2 0 世纪以来，激光技术 对于汽车制造行业的影响更是巨大，激光加工已经成为一种标准工艺广泛应用于实际生 产。由于激光具有方向性好、能量密度高、单色性好和相干性强”等一系列优点，自 6 0 年代初问世以来，就开始应用于焊接技术，并且发展迅速，取得了可喜的成绩。与此 同时人们对激光焊接机理的认识也越来越深入，特别是高功率c 0 2 激光器的发展，使得 激光深熔焊接成为可能。当激光焊接金属材料时，在形成小孔的同时必然产生了大量高 电子密度的等离子体，小孔效应和光致等离子体的存在使得激光与材料相互作用的过程 变得复杂，如图1 1 ，d , ：f l 的出现大大的提高了激光能量的吸收率，而等离子体对于激光 能量的吸收则扮演着双重角色：一方面，孔外等离子体对于激光能量的传输有着不同程 度的阻隔；另外，孔内等离子体有助于工件对于激光能量的吸收。目前，对于激光焊接 的研究主要集中在深熔焊接小孔效应以及伴随产生的光致等离子体上。 围1 1 激光深熔焊接激光能量的吸收过程 激光潍熔爿接光敏等禽了休温度分布j 勺；0 1 f 量 1 1 激光深熔焊接概述 小孔效应和光致等离子体的产生是激光深熔焊接的主要特征。深熔焊接时由于材料 的瞬时熔化与汽化，会形成一个“匙孔”即所谓的焊接“小孔”。焊缝深宽比可达到 1 2 ：l ( d e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g ) 嘲，并且焊接过程中伴随着高电子密度和高发射光强的光 致等离子体，如图1 2 。 激光束 工件 围1 2 激光深熔焊接中的小孔效应和等离子体 表1 1 主要焊接方法能量密度比较 焊接方法 电弧焊 等离子体焊激光或电子束焊 功率密度( w c e m 2 ) 5 1 0 2 1 0 45 x 1 0 2 1 0 6 1 0 6 1 0 5 表1 2 不同焊接方法的比能对比 焊接方法氧炔焊手工电弧焊氩弧焊埋弧焊电子束焊激光焊 比能 2 0 0 0 5 0 0 03 0 0 4 5 0 05 0 0 1 2 l o o 2 5 03 0 5 04 0 7 0 ( j m m 2 ) 随着激光深熔焊接小孔的出现，工件对激光能量的吸收率大大的提高，结合激光本 身的能量分布特点( 见表1 1 和表1 r 2 ) ，使得激光焊接相对于传统的焊接技术而言有着 e 盱显的优势嘲，由表i 3 可见，激光焊接更加适合高精度、高自动化和环保的现代化加 工。 表1 3 不同焊接方法之间的比较“” 焊接方法 参数指标 l be b g 1 - ag m ar w 2 硬 学位论支 焊接效率00 _ + 高深宽比 + 小热影响区+ 0 高焊接速度+ + 焊缝形状+ 0 00 在大气中焊接+ + 焊接商反射率材料 + 添加填料0 + 自动化+ + 0+ 资本投入 + 加工成本 0o+ 可靠性+ + 装夹精度 + + ，好；一差；0 ，中；l b ，激光焊接；e b 电子束焊接；g t a ，钨极氩弧焊；g m a ，气体保护 金属极焊；r w ，电阻焊； 1 1 1 激光焊接的两种模式 大功率激光焊接时，通常根据是否产生匙孔( k e y h o l e ) 将焊接过程分为两种模式： 热传导焊接( c o n d u c t i o nw e l d i n g ) 和深熔焊接( k e y h o l ew e l d i n g ) 。这两种焊接模式有着 完全不同的能量耦合机制、焊缝形成机理和焊接效果。图1 3 反映了不同激光功率密度 下的焊接情况。 加热舟瀑熟传导焊接深熔撵按簪离子潍脯阻焉 1 0 a l m zl o 悻c a 2 一 图1 3 激光功率密度与焊接模式之间的关系 在激光功率密度较低时( 功率密度l | 0 4 w c m 2 ) ，金属表面所吸收的激光能量使得 材料温度由表及里升高，但维持固相不变。此时，金属对激光的吸收主要取决于激光波 长和材料的热物理特性等因素。随着激光功率密度的提高( 功率密度，提高到 1 0 5 w c m 2 1 0 6 w c m 2 ) 。材料表面开始熔化，局部区域产生轻微蒸发；材料对激光的吸 激光深熔焊接光敏等离了体温度分布的删譬 收率有一定幅度提高，在此状态下进行的激光焊接即为热传导焊接，如图1 4 。传统激 光熔覆加工也是热传导焊接的一个特例。在热传导焊接模式中，激光束主要是在工件表 面为金属材料所吸收，然后通过热传导以及熔化金属的对流把热能传向材料内部，熔化 区不断扩大而形成焊缝。在激光束的作用下，材料主要是被熔化，而不发生明显的汽化， 所得焊缝宽而浅，横断面呈半圆形，熔深小。对同一波长的激光束而言，金属材料在固 体和液体时对激光的吸收率有着较大的差异，因此这种形式的焊接存在着不稳定的因 素。例如，固态不锈钢对于c 0 2 入射激光吸收率只有5 左右，但当金属材料熔化时， 材料对激光的吸收率能提高到5 0 。材料对c 0 2 激光吸收率的这种突变，使得c 0 2 激 光的热传导焊接很不稳定；研究结果表明，当功率密度提高到可以熔化金属材料时，极 易形成小孔，表现为介于热传导焊接和深熔焊接之间的一种不稳定的过渡焊接形式。 激光焊接原理 等离子体云 2 ，熔化材辑 3 焊接小孔 4 焊接熔滚 热传导焊接啼小孔潍熔挥接 激光焊接基奉琢理 图1 4 两种激光焊接模式的比较 当功率密度，到达1 0 6 w c m 2 5 x1 0 7 w c m 2 ，材料表面发生汽化，材料表面附近的 汽化物微弱地电离形成等离子体，同时被焊材料在较大的汽化膨胀压力下产生了小孔， 这有助于材料对激光能量的吸收，进入小孔的激光能量几乎被全部吸收，在小孔的侧壁 和底部产生剧烈的蒸发。小孔依靠材料汽化压力与表面张力、熔化金属静态压力之间的 压力平衡而存在，在该状态下进行的激光焊接为深熔焊接，如图1 4 。在激光深熔焊接 的模式中，激光束的能量可以通过小孔、小孔孔内的金属蒸汽以及小孔孔内的等离子体 传向材料的深处，所得深熔焊的焊缝窄而深，深宽比高于4 ：1 ，且熔深随工艺参数的不 同可以在较大范围内变化。就金属材料对激光的吸收而言，小孔的出现是一个激光热传 导焊接和深熔焊接最本质的区别。在出现小孔之前，材料表面对激光的吸收率仅随着表 面温度的升高而缓慢变化；而一旦材料出现汽化并形成等离子体和小孔，材料对激光的 吸收则将会发生突变，其吸收率几乎不再与激光波长、金属特性和材料表面状态有关， 而主要取决于等离子体与激光的相互作用和小孔效应等因素。提高激光功率密度，达到 4 硕f 学位论变 5x1 0 7 w c m 2 以上，激光辐射使材料强烈汽化，并使得金属蒸汽和周围气体发生较高程 度的电离，形成致密的等离子体云。致密的等离子体云对激光束产生反射、散射和离焦， 阻隔激光束的传播，从而出现熔深不足，过烧，焊缝形状波动而不规则，甚至损伤聚焦 镜片。严重时，等离子体云对激光辐射的屏蔽最终将导致小孔的崩溃和焊接过程的终止。 1 1 2 激光深熔焊接的特点及影响因素 激光特殊的产生机理使得激光深熔焊接在焊接领域具有独特的优点： 1 焊缝深宽比大，热影响区小 通过聚焦透镜可以将激光发生器产生的激光束聚焦到很小的区域，从而获得高的功 率密度，导致工件表面强烈的气化形成小孔，由于激光能量通过小孔往工件的深处传输， 较少横向扩散，熔化金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延伸，因而焊接小孔深而窄。同 时，因为源腔温度很高，溶化过程发生得极快，输入工件热量极低，热变形和热影响区 很小，因此激光焊接特别适合精密、热敏感部件的焊接，并常可免去焊接后矫形等加工 工艺。 2 焊接无需特殊环境，无污染 激光通过电磁场，光束不会偏移，激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊。 见表1 1 和表1 2 所示，就功率密度和比能而言，激光焊接与电子束焊接相似，但是激 光焊接可以在大气中进行，这一点是电子束焊接所无法比拟的。激光还可以焊接难以接 近的部位，进行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在y a g 激 光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。除 此以外，由于激光属于光加工，除了少量光辐射外，对环境基本没有污染。 3 焊接无须刚性夹紧 激光加工属于非接触加工，对于工件不会有直接应力作用，所以加工过程中无须刚 性夹紧装置，只需局部的定位夹紧装置，提高了加工的精度，相对于其它的加工方式避 免了由于加工力作用导致的工件变形或定位精度下降的问题。 4 可实现商效、精密焊接，易于实现柔性自动化 与传统焊接装备相比，激光焊接系统的前期投资成本要高许多；但是由于激光焊接 速度高，单位时间熔合面积大、焊接效率高，可靠性好，可以减少再加工的费用，因此 考虑到运行成本和投资收益，激光焊接还是比较经济的焊接方法。此外，由于采用了光 加工的方式，激光束经聚焦后可获得很小的光斑，可对光束强度与精细定位进行有效控 制，便于实现高的柔性和自动化。激光束可按时间与空间对光束分光，能进行多光束同 时加工及多工位加工，为微型焊接、精密焊接提供了条件。因为光束容易传输和控制， 又不需要经常更换焊具，大大减少了停机辅助时间，所以显著提拓了生产效率；光纤技 术的介入大大提高了激光焊接的柔性，是激光加工未来发展的趋势。 5 一般不加填充金属 激定深熔焊接光敏等离了体温度分布的删量 相对于传统的焊接方式，无须填料是激光焊接的优点之一，在惰性气体的保护下， 焊缝不受大气污染。 6 焊缝性能好 激光深熔焊接充满高温蒸汽的小孔有利于焊接熔池搅拌和气体逸出，实现无气孔熔 透焊接；焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化。激光焊接具有溶池净化效应，能纯 净焊缝金属。因此，激光焊缝组织均匀，晶粒很小，气孔少，夹杂缺陷少，在机械性能、 抗蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。 7 可焊接难焊材料和异性材料 激光束可以通过聚焦获得能量密度很高的光斑，几乎可以气化所有的材料，适用于 相同或不同材质、厚度的金属问的焊接，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相 差很大的金属焊接特别有利。激光焊接为铝合金、镁合金、钛、石英等难焊接材料开辟 了新的空间。例如，用传统焊接方法很难焊接的a 7 0 0 0 系列，采用激光焊接可以获得 高强度的焊缝和良好的可成形性。 激光焊接存在极其复杂的作用机理，主要影响因素有以下几个方面： 1 激光功率及激光功率密度 激光功率密度是激光深熔焊接最重要的参数之一，主要决定于入射光束功率和光斑 直径，其中入射光束功率主要决定于激光器，而光斑直径取决于焦数的大小，因此可以 通过提高激光器的功率和减小焦数来获得高的激光功率密度，而焦数的减小可以通过缩 短聚焦镜的焦距或扩大光束直径来实现。另外，激光器产生的激光光束特性对激光功率 密度的影响很大，科学实验已经证明只有高光束质量的激光束才能在聚焦后获得极细的 聚焦光斑。激光束的光束质量通常由光束横模来表示，即光束的横截面的能量分布，如 图1 5 。光束模式决定了激光聚焦焦点处的能量分布，对激光焊接时小孔的形成有着重 要的影响。 t e m 0 0程m l i饨0t e m l 3 图1 5 激光输出光斑示意图 2 焊接速度 激光深熔焊接时，熔深几乎与焊接速度成反比。在一定的激光功率下，提高焊接速 度，线能量( 单位长度焊缝输入能量) 下降，熔深减小，因而适当降低焊接速度可加大熔 深，但是速度过低，熔深不会再增加，而焊缝变宽，这是由于线能量增加，熔化区加大， 同时小孔区的温度上升，等离子体的浓度增加，对激光的吸收系数增加，速度低至一定 值，穿透等离子体到达小孔底部的激光功率密度过小，不足以气化材料，蒸汽压力不足 6 珂! i 学位论文 以维持小孔，致使4 , - t l 崩溃，焊接过程蜕变为传导型。 3 离焦量 离焦量不仅影响工件表面光斑直径的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝 形貌和熔深有较大影响。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正 离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负焦量相等时，所对应平面上功率密度近 似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。 4 保护气体种类及流量 激光深熔焊接时，常采用同轴或侧吹保护气体。保护气体的主要作用有三点，一是 保护镜片不受污染，二是排除空气，避免焊缝氧化；三是抑制焊接区域金属蒸汽等离子 体的产生，同时吹除焊接过程中产生的等离子体。其中第三点尤为重要，它避免了外界 对焊接过程的干扰，提高了焊接质量，确保焊接熔深和焊缝形成的稳定。 5 光致等离子体 激光深熔焊接过程中可能形成的光致等离子体有材料蒸汽等离子体和周围气体等离 子体。一般地，光致等离子体会降低焊接过程的效率，其影响程度与过程参数，特别是 激光功率密度和焊接速度有关。功率密度越大，焊速越低，金属蒸汽密度和电子密度越、 大，对焊接过程的影响越大。致密的等离子体云对激光束产生反射、散射和离焦，阻隔 激光束的传播。另一方面，激光深熔焊接时，位于小孔孔内的孔内等离子体却对激光与 材料的能量耦合起着非常重要的作用，对于这一点，将在本文的以后章节中作进一步详：毫 细的阐述。 另外，材料对激光能量的吸收决定了激光焊接的效率，它也是激光焊接热传输计算 的基础。金属对光束的吸收率越大，激光焊接越易进行。材料对激光束的吸收主要取决 于激光的波长、材料电阻系数和材料的表面状态。 。 1 1 3 激光深熔焊接光致等离子体 激光束作用于加工工件表面产生的等离子体称作光致等离子体。根据等离子体所在 工件的不同位置可分为孔外等离子体和孔内等离子体。不同密度、体积和状态的等离子 体会对经过的激光束造成不同程度的影响。由于等离子体的出现，使得激光能量存在两 种吸收机制：菲涅尔( f r e s n e l ) 吸收和逆韧致辐射吸收。小孔形成以后，激光直接入射 到小孔内部，并在小孔孔壁上发生多次反射，每次反射都有部分激光能量被小孔孔壁所 吸收，如此经过孔壁的多次反射吸收，使得工件材料对激光的吸收大大增强，这个过程 叫菲涅尔吸收。反过来，菲涅尔吸收的过程又影响着小孔孔壁吸收激光的能量密度分布， 从而影响小孔的形状。小孔形状的改变将最终有利于孔壁更好地吸收激光的能量。逆韧 致辐射吸收是指自由电子对激光能量的吸收，激光深熔焊接过程中主要是指光致等离子 体对激光能量的吸收，包括孔内和孔外光致等离子体对激光能量的吸收。 激艺深熔焊接光效等离了体温琏分布的删嚣 1 1 3 1 光致等离子体对激光能量耦合的影响因素 激光加工过程能量的耦合机制和激光能量密度、激光波长、偏振态、激光入射角以 及材料的性质有关，而在激光深熔焊接中，一般采用圆偏振光垂直入射的方式。因此下 文着重从激光能量密度、波长、和材料及环境气体的性质角度讨论光致等离子体对激光 能量耦合的影响。 1 激光能量密度 当激光能量密度在1 0 6 l o7 w c m 2 时，使加工金属蒸发后，马上导致电离形成附于 工件表面上的金属蒸汽等离子体，吸收机制由菲涅尔吸收变为逆韧致辐射吸收，能量的 吸收过程加快，致使等离子体的局部压强急剧增加，在工件表面形成毛细小孔。焊接机 制由热传导转向深熔焊。焊缝深宽比迅速变大。激光的反射率降低，大部分能量耦合到 工件上。此时，材料的性质( 如吸收率) 及激光的波长对能量的耦合影响不大。 当激光能量密度超过1 07 w c m 2 时，由于金属等离子体吸收的能量大于损失的能量， 势必导致等离子体向功率密度较小的区域做反冲运动，即沿着激光传播的逆向运动，高 速运动造成的冲击波压缩环境气体使其电离。随着激光能量密度的不同，这种扩张等离 子体将飘浮于工件上方形成激光维持等离子体( l s p ) 或以亚音速传播的激光维持燃烧波 ( l s c ) 和以超音速传播的激光维持爆破波( l s d ) ，当等离子体吸收能量大于损失能量时， 便会产生波动，即所谓的等离子体维持吸收波，强烈影响加工过程的效率。吸收波从工 件表面出发向光束传播逆向运行，这种运动和温度以及压强分布相关联。 2 波长 激光能量在光致等离子体中主要有两种损失机制：一种是光致等离子体中的自由电 子对光子的逆韧致吸收，另一种是金属汽羽中的超精细粒子对光子的瑞利散射。二者和 激光波长的依赖关系如式“”： 逆韧致吸收系数： 瑞利散射的等效吸收系数： k = 弋8 r 3 n r v 2 ( 三) ： ( 1 2 ) q 式中：z 为离子价数；e 为电子荷数；为电子密度：为离子密度；i n a 为电荷库 仑对数；口为入射光角频率；c 为光速；岛为介质的介电常数：为电子质量；为玻 尔兹曼常数；为等离子体温度：为等离子体电子振荡角频率；为离子的数密度； v 为粒子体积；丘为入射光波长：s 为粒子的介电常数。 由式可见，激光能量在等离子体或者金属汽羽中的损失和激光波长有密切关系。对 8 于长波激光( 如c 0 2 激光) ，其能量损失主要是由于等离子体中的自由电子对激光光子的 逆韧致吸收：而对于短波长激光来说，激光在金属汽羽中的损失主要是超精细粒子对激 光的瑞利散射。逆韧致吸收系数是离子密度、电子密度、等离子体温度和波长的函数， c 0 2 激光加工过程中形成的等离子体的中心温度在1 0 4 k 以上，而y a g 激光加工过程中 的金属汽羽的温度约在3 0 0 0 5 0 0 0 k ，这主要是由于y a g 激光加工过程中，金属汽羽 的逆韧致吸收系数较小的缘故“”。 3 材料及环境气体的性质 这里主要讨论加工材料和环境气体形成的等离子体，以及形成等离子体后对激光的 影响。一般说来，高沸点高反射率的金属难以进行激光深熔焊接，但是，一旦金属蒸发 以后，在波长确定的情况下，决定等离子体电子密度的主要因素是环境气体和金属蒸汽 的电离能，其关系满足沙哈方程“。气体的电离能越低，形成的等离子体的电子密度越 高，相应的吸收系数越大，折射率越小，对激光能量的衰减和光斑半径的扩展也越严重。 气体的导热性也是影响激光在等离子体中能量衰减和能量密度重新分布的一个原因，导 热性好的气体形成的等离子体温度较低，吸收系数和折射率较小，对激光能量的影响也 较小。此外，气体流量的影响可归结到等离子体的对流项内，单位时问的气体流量和流 速越大，等离子体温度和高度越低，它对激光能量的影响也越小。 1 1 3 2 光致等离子体的控制 随着光致等离子体对于激光焊接的影响越来越被人们意识到，更多的学者开始研究 怎么对等离子体进行控制。通过改变激光波长、激光功率密度、光斑大小和聚焦状态、 激光脉冲宽度、材料性质、环境气体及压力、气体流量、焊接速度等因素对等离子体进 行控制，以减小或消除它对激光的干扰，并通过试验研究进行比较“”，当然还有新发展 的外加磁场来对等离子体的控制“”，目前主要应用的控制方法有以下几种“”： ( 1 ) 激光尖峰焊法( l s s w ) ( 2 ) 脉冲激光焊接法 ( 3 ) 真空焊接法 ( 4 ) 侧吹辅助气法 值得一提的是光致等离子体的控制不仅直接关系到激光焊接的质量，从加工的角度 来说，致密的等离子体会导致激光加工上的困难，如激光焊接难于设计随动装置，因为 等离子体会严重干扰随动传感器的正常工作，尤其体现在三维激光焊接上，这也是目前 激光加工中的一个难点。 1 2 激光深熔焊接光致等离子体温度测量的研究现状 温度和电子密度是等离子体最重要的两个参数，其它物性参数都可以写为等离子体 温度和电子密度的函数1 ，因此，研究中通常通过监测等离子体温度和电子密度变化来 9 激光深熔焊接光毁等离了体温度分布的测量 监测焊接过程。 1 2 1 等离子体的信号特征及诊断方法 激光焊接等离子体产生与维持过程中伴随有强烈的特征信号，归结为声音冲击波、 强烈蓝光辐射、高温强热、非平衡电场等。各种特征信号在时间上、频率和幅值上均密 切相关，而等离子体振荡贯穿于所有信号之中。这些信号从不同的角度直接或间接地反 映了等离子体的某些特征，通过它们可以对等离子体进行检测与诊断，从而获得等离子 体的相关信息。 1 声音信号法 激光与材料相互作用时，当激光功率密度超过一定阙值后，材料表面即开始产生稳 定而稀薄的等离子体，称之为激光维持的燃烧波，其直观的特征信号为浅蓝色及高频声。 当激光功率密度继续增加到某程度时，等离子体发出强烈蓝光和声音冲击波，称之为激 光维持的爆破波，其检测方法是采用声音传感器。文献。“通过对0 7 5 m m 厚的镀锌板的 研究发现深熔焊接时声谱在高频带( 1 0 2 0 k h z ) 与未产生小孔时声谱相差较大，同时运 用小波分析的方法，提取出了焊接过程声音信号的波动曲线。 2 光信号法 该方法是目前使用较多的一种测量方法。由于等离子体的内部存在着各种各样复杂 的运动，其电磁波辐射十分丰富，而且与等离子体内部运动状态密切相关，所以利用其 辐射特性来对等离子体进行研究己成为一种被广泛采用的方法。根据研究手段的不同， 该方法又可分为以下三种： 1 ) 光谱分析法 等离子体产生的辐射有热电子辐射、逆韧致辐射和光电子辐射。其中热电子辐射、 逆韧致辐射产生连续光谱，光电子辐射产生线光谱，主要分布在可见蓝光范围内。通过 测定谱线的绝对强度、相对强度和轮廓，可以确定等离子体中的电子密度、电子温度等， 由于光谱测量准确稳定，不会对光源产生影响，并且光谱测量技术已相当的成熟，使用 相当的广泛，如文献啪1 利用光谱分析法对光致等离子体的温度和电子密度进行了测量计 算。 2 ) 干涉、衍射法 近代激光技术的发展，特别是激光作为相干光源所具有的高单色性和高光强的特性， 为等离子体的诊断带来了更广阔的前景，如全息干涉法嘲、阴影法、一纹影法、激光散斑 照相法等。这些方法的特点是信息量大、灵敏度高，并且是非接触测量，对等离子体的 影响较小。 3 ) 直接成像法 在许多情况下，等离子体在可见光范围内辐射的电磁波有足够的光强，因此可以用 照相技术来记录其光辐射。利用所拍摄的等离子体照片结合计算机图象处理技术，可以 i o 硕i + 学位论文 定性确定等离子体照片上二维温度分布概况。如苏红雨”结合面阵c c d 成像技术和数 字图象处理方法研制出新的成像光谱数字图象温场检测装置。此外，还有微波法、探针 法、激光全息法、软x 射线“。等。 1 2 2 光谱法测量等离子体温度的研究现状 光谱分析法利用材料在激光辐照下能级跃迁后发射出的光波测量等离子体温度和电 子密度，同时通过发射的光谱监测焊接过程中的缺陷。与其它方法相比而言，光谱分析 可以在不干扰等离子体原始态的情况下测量等离子体的参数，同时，基于光谱信息计算 等离子体温度的相关理论已很完整，并可进行相应的误差分析，使得光谱分析法成为等 离子体温度测量最常用的方法。 目前，国内外对于等离子体温度的测量主要集中在化学分析、托卡马克等离子体以 及电弧放电领域，而针对激光深熔焊接光致等离子体温度测量的研究较少，主要集中在 孔外等离子体的温度测量。 文献”1 中作者通过闪光灯泵浦的燃料激光器辐射铝靶，通过测量a i i i i 在1 8 0 7 6 0 r i m 的光谱，采用相对光强法计算得到等离子体在工件表面1 2 7 m m 处的温度为8 0 0 0 k , 应用 s t a r k 展宽机制计算了等离子体电子密度为3 0 x1 0 ”c m - 3 。 _ 籍毫l嚣囊毒曩i 豢量懈护气磐毳螭童蕾l# 毫f 量i 彳耋 蘸鸶 辨” 虹- _ l _ 日 量耐n n r 幻 d ， l”0 h j i 2”ll1 ，217h j t 7 o j 02 j”， l j” l1l j，i j垃 ， o j- l”2 l e “l”l ，“ “ 7止 t “ l2 j】 ll 廿 il jo廿l4h u“il l j ， ”2 4 图1 6 “三明治”试验 对于孔内等离子体温度的测量，由于小孔周围的不透光性制约，研究难度较大。湖 南大学的张屹采用“三明治”的方法利用单通道光谱仪对激光深熔焊接小孔孔内等离 子体的光谱进行了测量，如图1 6 ，计算得到孔内等离子体的电子温度和电子密度，得到 孔内电子温度在1 4 0 0 0 k 1 8 0 0 0 k 之间，电子密度从1 2 x 1 0 1 7 c m 3 到2 5 x 1 0 7 c m - 3 之间变 化。 随着研究的深入，简单的单点等离子体温度结果逐渐无法满足要求，获得时间分辨 温度和温度分布场成为了研究趋势，但直接获得二维甚至三维的温度场又受到试验条件 的限制，于是研究者通过发展算法对一维的光谱信号进行了二维处理，其中以a b e l 逆 变换应用最为广泛。 在假设柱对称的前提下，人们对a b e l 逆变换做了相当多的研究。通过图解法、数值 激光深熔焊接光敏等葛了体温度分布的测薹 方法和数据近似方法等。每种方法都对径向分佰函数a ( r ) 做了一些数学上的假设，给出 a b e