激光焊接機焊接過程中出現(xiàn)的等離子體
發(fā)布時間：2021-05-17 閱讀次數(shù)：
在高功率密度條件下進行激光焊接加工時會出現(xiàn)等離子體。 等離子體的產(chǎn)生是物質(zhì)原子或分工受能量激發(fā)電離的結(jié)果，任何物質(zhì)在接收外界 能量而溫度升高時，原子或分子受能量（光能、熱能、電場能等）的激發(fā)都會產(chǎn) 生電離，從而形成由自由運動的電子、帶正電的離子和中性原子組成的等離子體。 等離子體通常稱為物質(zhì)的第四態(tài)，在宏觀上保持電中性狀態(tài)。激光焊時，形成等離子體的前提是材料被加熱至氣化。
金屬被激光加熱氣化后，在熔池上方形成高溫金屬蒸氣。金屬蒸氣中有一定的自由電子。處在激光輻照區(qū)的自由電子通過逆韌致輻射吸收能量而被加速，直 到其有足夠的能量來碰撞、電離金屬蒸氣和周圍氣體，電子密度從而雪崩式地增 加。這個過程可以近似地用微波加熱和產(chǎn)生等離子體的經(jīng)典模型來描述。
在107W/cm2的功率下，平均電子能量隨輻照時間的加長急劇增加到一個常值（約1cV）。在這個電子能量下，電離速率占有優(yōu)勢，產(chǎn)生雪崩式電離，電子密 度急劇上升。電子密度最后達到的數(shù)值與復合速率有關(guān)，也與保護氣體有關(guān)。
激光加工過程中的等離子體主要為金屬蒸氣的等離子體，這是因為金屬材料 的電離能低于保護氣體的電離能，金屬蒸氣較周圍氣體易于電離。如果激光功率 密度很高，而周圍氣體流動不充分時，也可能使周圍氣體離解而形成等離子體。
等離子體的行為高功率 激光深熔焊時，位于熔池上方的等離子體會引 起光的吸收和散射，改變焦點位置，降低激光功率和熱源的集中程度，可影響焊 接過程。
等離子體通過逆韌致輻射吸收激光能量，逆韌致輻射是等離子體吸收激光能 量的重要機制，是由于電子和離子之間的碰撞所引起的。簡單地說就是：在激光 場中，高頻率振蕩的電子在和郭碰撞時，會將其相應的振動能變成無規(guī)則運動能， 結(jié)果激光能量變成等離子體熱運動的能量，激光能量被等離子體吸收。
等離子體對激光的吸收率與電子密度和蒸氣密度成正比，隨激光功率密度和 作用時間的增長而增加，并與波長的平方成正比。同樣的等離子體，對波長10.6μ的CO2激光焊的吸收率比對波長1.06μ 的YAG激光的吸收高兩個數(shù)量級。 由于吸收率不同，不同波長的激光產(chǎn)生等離子體所需的功率密度閾值也不同。YAG 激光產(chǎn)生等離子體閾值功率密度比CO2 激光的高出約兩個數(shù)量級。也就是說， 用CO2 激光進行加工時，易產(chǎn)生等離子體并受其影響，而用YAG 激光加工，等離子體的影響則較小。
激光通過等離子體時，改變了吸收和聚焦條件，有時會出現(xiàn)激光束的自聚焦現(xiàn)象。等離子體吸收的光能可以通過不同渠道傳至工件。如果等離子體傳至工件的能量大于等離子體吸收所造成工件接收光能的損失，則等離子體反而增強了工件對激光能量的吸收，這時，等離子體也可看作是一個熱源。
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