激光焊接过程的激光工作原理

2018-02-13

激光焊接是采用高能量的激光束聚焦在工件表面,使待焊接的表面快速融化而焊接起来.而其中的激光的工作方式以下做简要的叙述:


激光焊接过程中存在着两种气体动力学机制不同的吸收波。一种是激光维持燃烧波,其前面运动的冲击波对激光是透明的,后面的等离子体区才是激光吸收区,以亚音速度传播,典型速度是每秒几十米,依靠热传导、热辐射和扩散等输运机制使其前方冷气体加热和电离,维持激光吸收波及其前方冲击波的传播,波后是等离子体区,其等离子体温度为1~3eV。另一种是激光维持爆发波,这里冲击波阵面就是激光吸收区,被吸收的激光能量支持冲击波前进,激光维持爆发波相对于波前介质超声速运动,其速度可达每秒几十米至上百千米,等离子体温度为10eV至几十电子伏。 发生激光维持燃烧波或激光维持爆发波现象,与激光功率密度范围相对应。发生加热和电离,形成激光维持燃烧波,这是仍有部分激光通过等离子体区入射到工件表面,工件附近等离子体的辐射有助于增强激光与材料的热耦合,随着等离子体逆着光束方向离去,这种耦合受到削弱,逐渐形成对材料的屏蔽。光强继续增大,激光维持燃烧波吸收区运动加快,直至与前方冲击波汇合,形成激光维持爆发波,构成对入射激光的完全吸收。选择适当的环境气体及光束聚焦透镜,可以缩短激光维持爆发波的寿命,提高激光与材料之间的耦合效率。

 激光的基本物理特性 激光显著的特性是:单色性好,方向性好、亮度高,相干性好。

 1)单色性 激光中单色性好的是气体激光器产生的激光。如He-Ne激光器产生的632.8nm谱线,线宽只有10-9nm。相比而言,在普通光源中单色性好的用 来作为长度基准器的氪灯(Kr86),其谱线宽度为4.7×10-3nm。显然,激光的单色性比一般光要高出106~107倍以上。 

2)方向性好、亮度高 从光源发出的激光平行传播的程度称为方向性。由于谐振腔对光束方向的选择作用,激光器输出的光束发散角度很小,可以小于或等于10-3~10- 5rad。考虑到光的波动性,即使是理想的平面波,在通过直径为D的孔径时 ,由于激光衍射也会产生一定的发散。对于相同的光束直径,波长越小其方向 性越好。 

激光的方向性带来两个结果,即光源表面的亮度高,被照射的地方光的照度大。一个具有10mw功率的He-Ne激光器可产生比太阳高几千倍的亮度,这样亮的光源可在屏幕上形成面积很小但照度极大的光斑。

 3)相干性好 以适当的方法将同一光源发出的光分成两束,再使两束光重合便产生明暗相间的条纹,这就是光的干涉。无论是激光还是电波,或是白炽灯光和太阳光,从本质上来说,它们都是电磁波。然而,激光与白炽灯光和太阳光有较大不同,其中之一就是激光具有很好相干性。白炽灯光(或太阳光)的光波是由无数的原子或分子发射的,故产生波长各不相同的杂乱光。即使将这些光合成后也会产生不规则的振动,所以不能形成整齐有序的大振幅的光波。

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