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2020-09-23 11:35:01

激光作用下材料的物态变化

激光被材料吸收后基于光电效应转化为热能。在不同的激光功率密度下,材料的表面状态将发生不同的变化(温度升高、熔化、气化并形成小孔、产生等离子体等)。材料表面状态的变化影响材料对激光的吸收。

钢铁材料表面在激光作用下有几种物态变化如下:

①固态加热

当功率密度较低(<104W/cm2)时,金属吸收的激光能量只能引起材料表层温度的升高,主要用于零件的表面退火和相变硬化。

②表面熔化

当功率密度提高到104~105W/cm2时,材料表面熔化,熔池深度随功率密度的增加和辐射时间的延长而增加,主要用于金属的表面冲重熔、合金化、熔敷和热导焊接。

③表面气化并产生小孔和等离子体

当功率密度达到106W/cm2时,材料表面在激光作用下气化。在蒸气反冲压力作用下,液态表面向下凹陷形成小孔,金属蒸气吸收后续的激光能量而电离产生光致等李字体。这一阶段等离子体的密度较低,可增强材料对激光的吸收,用于激光深熔哈你饿(或激光小孔焊接),可以获得理想的焊缝成形。

④形成阻隔激光的等离子体

当功率密度高达106~107W/cm2时,表面强烈气化,形成密度较高的等离子体,对激光束具有显著的吸收、折射和散射作用,使进入小孔的激光比例减小,因此熔深不会随着功率密度的增大而成比例增加。小孔出口处由于等离子体对工件表面辐射加热,使该处的受热范围扩大。这一阶段用于激光熔深焊接。

⑤形成周期振荡性等离子体

当功率密度进一步提高至107W/cm2时,光致等离子体的温度和电子数密度都很高,激光对工作的辐射被完全屏蔽,工作表面的气化和电离化过程暂时中断,引起等离子体的周期振荡,激光焊接变得很不稳定,必须避免。

以上功率密度范围,是以钢铁材料为加热对象进行划分的。不同的激光波长、不同的金属材料以及不同的工艺条件,每一阶段的功率密度具体数值会有差异。材料对激光加工深度、宽度岁激光功率的变化。在不同功率密度激光的作用下,材料表面物理状态的不同影响激光与被加工材料之间的相互作用。当激光密度小于材料的气化阈值时,金属对激光的反射率较大,大部分激光能量被材料表面反射,加工效率低。一旦激光功率密度超过气化阈值,材料对激光的吸收和焊接深度都将急剧增加。当激光功率大于等离子体的屏蔽阈值,吸收率和加工效率又将降低。


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