光束質(zhì)量對激光加工的影響

1、高功率CQ激光光束參數(shù)：1、能量特性（激光束功率及功率密度偏振特性、連續(xù)/脈沖）2、光束模式（光束質(zhì)量、異形光束、模式特性）3、焦點特性（焦點位置、焦點大小、焦深）光束質(zhì)量對激光加工的影響高功率激光在切割、焊接、表面熔覆與合金化、表面熱處理、新材料制備等方面得到了廣泛應用，具光束特性是影響激光加工質(zhì)量最重要的因素之一。重點介紹影響激光加工質(zhì)量的光束特性參數(shù)和光束質(zhì)量的評價指標，系統(tǒng)地概括光束特性對加工質(zhì)量的影響。1.1 激光加工光束特性參數(shù)及其評價指標高功率CO2激光加工過程中，影響激光熱加工的因素很多，對于激光束，其中主要是焦點功率密度、焦斑形狀、光強分布和焦斑漂移等這些參數(shù)不僅與激光輸出功

2、率有關(guān)，而且更依賴于光束模式的分布和穩(wěn)定性。1.1.1 激光加工光束特性參數(shù)按照激光光束對激光加工的影響，可以把激光加工光束特性參數(shù)按圖1.1所示形式進行分類1。圖1.1這些光束特性參數(shù)并不是獨立的，而是相互影響的。同樣功率的激光束，光束質(zhì)量越好，聚焦焦點就越小，焦點的功率密度就越大。同一束激光，采用短焦距聚焦鏡，可得到較小的聚焦焦點和較大的焦點功率密度。光束質(zhì)量作為光束特性中最重要的參數(shù)之一，對光束能量分布、聚焦焦點大小、功率密度大小等重要參數(shù)有很大影響，是評價激光制造系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，它不僅標志了激光制造系統(tǒng)的可加工能力，還對激光材料加工過程產(chǎn)生重要的影響。1.2 光束質(zhì)量任何旋轉(zhuǎn)對稱的激光

3、束具有三個參數(shù)特點：光腰位置Z0、光束束多種具有特征化的值被用于描述激光束的質(zhì)量：K因子、光束質(zhì)量因子(2M)及光束參數(shù)積(BP?23,這些特征值通過簡單計算能相互直接轉(zhuǎn)換。光束參數(shù)積是00和30的乘積，在整個激光傳輸區(qū)域守恒。例如，通過安裝透鏡或擴束鏡來改變光束直徑，將會影響光束的發(fā)散角。因此，光束參數(shù)積用來衡量光束聚焦能力。只有在使用像差或孔徑效應的光學系統(tǒng)時才會影響外光路的光束參數(shù)積。模式模式是激光的光場分布，對于用于材料加工的高功率激光而言，通?？紤]激光的橫模，記為TEMpl,TEM表示橫向電磁場，p為橫模沿輻角方向的節(jié)線數(shù)目、l為橫模沿徑向的節(jié)線數(shù)目，當p=l=0時，TEM00模光場

4、呈高斯分布，稱為基模。對于圓形孔徑反射鏡諧振腔，模式花樣及其光場分布如圖1.3所示。a、模式花樣b、光場分布1.2.1 光束特性對焊接質(zhì)量的影響(1)能量特性對焊接的影響激光束的能量特性包括光束白功率與功率密度、連續(xù)/脈沖輸出和激光束的偏振等。對于激光焊接，普遍認為，焊接深度基本上與激光功率成線性關(guān)系78。激光焊接中，起主要作用的是激光功率密度值，這是由于不同的材料都有一個臨界功率密度閾值，只有激光焦點的功率密度值超過這個閾值，才能形成“小孔效應”，獲得深熔焊接9,因為金屬材料對于波長10.6微米的CO2激光束是強烈反射的，只有形成了小孔效應，材料對激光束的吸收機理才能由金屬表面吸收變?yōu)樾】孜?/p>

5、收，提高材料對激光束的吸收率。目前對激光焊接的計算主要集中于溫度場的穩(wěn)態(tài)或準穩(wěn)態(tài)解析解101112,這種方法可以獲得溫度場分布的近似解，隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展，有限元在模擬激光焊接結(jié)果的應用上也越來越廣泛13。文獻14提供了激光焊接304不銹鋼時，焊接熔深與激光功率、焊接速度的理論關(guān)系，但有關(guān)焊接材料、焦距與光束質(zhì)量對熔深的影響考慮的不夠，限制了其應用；另外，對小孔形成機理的研究越來越深人，有關(guān)小孔的形成機理主要有兩種理論，一種認為小孔主要靠液體金屬的蒸發(fā)而形成的15161718,另一種認為小孔是由于金屬蒸汽的反沖壓力形成的1920。采用脈沖CO2激光焊接，由于后一個脈沖形成的小孔有可能除去前

6、一個脈沖形成的氣孔，在適當?shù)拿}沖參數(shù)下可減少氣孔率21,近年來，國內(nèi)外開展了脈沖激光焊消除氣孔的研究工作，但由于氣孔產(chǎn)生機理非常復雜，目前還未取得滿意的結(jié)果。(2)模式特性對焊接的影響光束的模式特性包括光束質(zhì)量、光束模式以及光束的橫截面能量分布。光束模式?jīng)Q定了聚焦焦點的能量分布，對激光加工具有重要的影響。文獻22研究了不同光束模式對焊接質(zhì)量的影響，如圖1.4所示，激光束為基模時，可以獲得最大的焊縫深度與深寬比，光束模式的階次越高，激光束的能量分布越發(fā)散，焊接質(zhì)量越差。文獻23通過實驗研究了具有不同焦點光束參數(shù)積(BP?的激光束對激光焊接質(zhì)量的影響，如圖1.5所示，光束的BPP值越大，光束質(zhì)量就

7、越差，焊縫的深寬比就越小。文獻24指出材料形成“小孔效應”的功率密度不僅與平均功率密度有關(guān)，而主要取決于最大功率密度，對于功率一定，半徑相同的聚焦焦點，橫截面能量分布不同，雖然平均功率密度相同，但最大功率密度不同，焊接質(zhì)量不同。圖1.4激光束模式對激光焊接的影響(3)焦點特性對焊接的影響光束的焦點特性包括焦點的位置、大小、焦深和發(fā)散角。激光加工中，焦點附近的光斑尺寸變化較大，不同的焦點位置將使作用在材料表面的激光功率密度變化很大，從而對焊縫質(zhì)量的影響很大。文獻25通過實驗研究了不同焦點位置對不銹鋼焊接的焊縫形狀的影響，當焦點為負離焦12mm時，焊接效果最好，負離焦比正離焦的焊接效果好。文獻26

8、采用不同焦距聚焦鏡進行了激光焊接實驗，如圖1.6所示，可見負離焦比正離焦更易獲得較大熔深，負離焦1mm左右熔深最大（圖中負值表示焦點在工件表面下方，稱為負離焦）。文獻27通過實驗也得到了類似的結(jié)果。Miyamoto和Arata等人通過研究發(fā)現(xiàn)焦點位置的變化將引起焊縫的突變現(xiàn)象28,認為焦點位置的突變是由于焦點位置變化到一定的位置，到達工件表面的光束尺寸變大，功率密度下降，小于閾值功率密度，不能使材料表面蒸發(fā)。同時在不銹鋼上進行了工件距透鏡距離與透鏡焦距的比值對焊縫熔深、熔寬以及焊縫截面積的影響的研究29,結(jié)果表明負離焦的焊接效果好于正離焦。焦斑大小和形狀影響激光焊接的焊縫寬度，而焦深主要影響焊

9、接所應選擇的材料厚度。在進行激光加工時，對于某一加工深度有著一個最佳焦距fopt和最佳聚焦直徑dopt23,如何匹配最佳的光束聚焦系統(tǒng)，是決定加工質(zhì)量的好壞以及激光器是否處于最佳工作狀態(tài)的重要因素，圖1.7給出了在一定條件下，最佳聚焦角Bopt為0.05rad。而圖1.8表明了BPP與（3opt的關(guān)系，可見，當加工速度一定時，隨著BPP值的減小，最佳聚焦角也減小，還可見，BPP一定時，隨著聚焦角減小，熔深增大，因此可采用較長焦距的聚焦鏡，使加工條件和質(zhì)量得以改善?？偟膩碚f，有關(guān)光束特性對激光焊接質(zhì)量影響的研究已作了很多工作，但隨著激光加工的發(fā)展，一些特殊材料的應用日益增多，有關(guān)光束特性對特殊材

10、料焊接質(zhì)量的影響以及光束質(zhì)量與焊接質(zhì)量之間的理論關(guān)系還有待于進一步研究。番數(shù)定義（公式）優(yōu)點局限性適用場合煙子(1-L6)能在物理上客觀反映光束運場發(fā)散用和高階模含量*可以解析地表小光束傳輸變換關(guān)系閭引人波管蓼散.不適用不同波長激光束旗量之同的比較荻戶二階矩定義的光;束束寬和發(fā)散笫，光束戌性傳輸領(lǐng)域等31/1)我征了用束發(fā)散程度不能反映光強的空間分布簡單了解光束特性Bi-19)表征了光束的相干性不能反映光強的空間分布顯示照的止*13)按照包含光怩能見的865%定義束寬引入波長參數(shù).不適用不同波長滿光束質(zhì)量之風的比較戶(1-22)僅僅需要則年夕一個參數(shù)6可變換,標潛光束選取不統(tǒng)非穗腔as光光束醺量評價STREHL比(1-23)熊客觀地反映軸上峰值此強不能反映光強的空何分布大氣光學以及光學雷達SQ值(124)反映了光束遠場焦施上的能量集中度桶中功率可以由不同的光束能瞰分而得到非檢腔激光光束質(zhì)量評價等13(125)實除光束強度分布偏離理想高斯光束魄度分布的鼠度不具普遍性空間相干性或相干度(1-26)反映光束空間相干