激光焊接機(jī)焊接過程中出現(xiàn)的等離子體
發(fā)布時(shí)間：2021-05-17 閱讀次數(shù)：
在高功率密度條件下進(jìn)行激光焊接加工時(shí)會(huì)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(shí)，原子或分子受能量（光能、熱能、電場(chǎng)能等）的激發(fā)都會(huì)產(chǎn) 生電離，從而形成由自由運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(gè)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(shí)間的加長(zhǎng)急劇增加到一個(gè)常值（約1cV）。在這個(gè)電子能量下，電離速率占有優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生雪崩式電離，電子密 度急劇上升。電子密度最后達(dá)到的數(shù)值與復(fù)合速率有關(guān)，也與保護(hù)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?yàn)榻饘俨牧?的電離能低于保護(hù)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(dòng)不充分時(shí)，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(shí)，位于熔池上方的等離子體會(huì)引 起光的吸收和散射，改變焦點(diǎn)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(jī)制，是由于電子和離子之間的碰撞所引起的。簡(jiǎn)單地說就是：在激光 場(chǎng)中，高頻率振蕩的電子在和郭碰撞時(shí)，會(huì)將其相應(yīng)的振動(dòng)能變成無規(guī)則運(yùn)動(dòng)能， 結(jié)果激光能量變成等離子體熱運(yùn)動(dòng)的能量，激光能量被等離子體吸收。
等離子體對(duì)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(shí)間的增長(zhǎng)而增加，并與波長(zhǎng)的平方成正比。同樣的等離子體，對(duì)波長(zhǎng)10.6μ的CO2激光焊的吸收率比對(duì)波長(zhǎng)1.06μ 的YAG激光的吸收高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 由于吸收率不同，不同波長(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)。也就是說， 用CO2 激光進(jìn)行加工時(shí)，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(shí)，改變了吸收和聚焦條件，有時(shí)會(huì)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(qiáng)了工件對(duì)激光能量的吸收，這時(shí)，等離子體也可看作是一個(gè)熱源。
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