光束質(zhì)量對(duì)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(diǎn)特性（焦點(diǎn)位置、焦點(diǎn)大小、焦深）光束質(zhì)量對(duì)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(yīng)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(diǎn)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(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)地概括光束特性對(duì)加工質(zhì)量的影響。1.1 激光加工光束特性參數(shù)及其評(píng)價(jià)指標(biāo)高功率CO2激光加工過(guò)程中，影響激光熱加工的因素很多，對(duì)于激光束，其中主要是焦點(diǎn)功率密度、焦斑形狀、光強(qiáng)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(lài)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(duì)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(jìn)行分類(lèi)1。圖1.1這些光束特性參數(shù)并不是獨(dú)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(diǎn)就越小，焦點(diǎn)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(diǎn)和較大的焦點(diǎn)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(duì)光束能量分布、聚焦焦點(diǎn)大小、功率密度大小等重要參數(shù)有很大影響，是評(píng)價(jià)激光制造系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，它不僅標(biāo)志了激光制造系統(tǒng)的可加工能力，還對(duì)激光材料加工過(guò)程產(chǎn)生重要的影響。1.2 光束質(zhì)量任何旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的激光

3、束具有三個(gè)參數(shù)特點(diǎn)：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(guò)簡(jiǎn)單計(jì)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(gè)激光傳輸區(qū)域守恒。例如，通過(guò)安裝透鏡或擴(kuò)束鏡來(lái)改變光束直徑，將會(huì)影響光束的發(fā)散角。因此，光束參數(shù)積用來(lái)衡量光束聚焦能力。只有在使用像差或孔徑效應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)才會(huì)影響外光路的光束參數(shù)積。模式模式是激光的光場(chǎng)分布，對(duì)于用于材料加工的高功率激光而言，通?？紤]激光的橫模，記為T(mén)EMpl,TEM表示橫向電磁場(chǎng)，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(dāng)p=l=0時(shí)，TEM00模光場(chǎng)

4、呈高斯分布，稱(chēng)為基模。對(duì)于圓形孔徑反射鏡諧振腔，模式花樣及其光場(chǎng)分布如圖1.3所示。a、模式花樣b、光場(chǎng)分布1.2.1 光束特性對(duì)焊接質(zhì)量的影響(1)能量特性對(duì)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(duì)于激光焊接，普遍認(rèn)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(gè)臨界功率密度閾值，只有激光焦點(diǎn)的功率密度值超過(guò)這個(gè)閾值，才能形成“小孔效應(yīng)”，獲得深熔焊接9,因?yàn)榻饘俨牧蠈?duì)于波長(zhǎng)10.6微米的CO2激光束是強(qiáng)烈反射的，只有形成了小孔效應(yīng)，材料對(duì)激光束的吸收機(jī)理才能由金屬表面吸收變?yōu)樾】孜?/p>

5、收，提高材料對(duì)激光束的吸收率。目前對(duì)激光焊接的計(jì)算主要集中于溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)解析解101112,這種方法可以獲得溫度場(chǎng)分布的近似解，隨著數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，有限元在模擬激光焊接結(jié)果的應(yīng)用上也越來(lái)越廣泛13。文獻(xiàn)14提供了激光焊接304不銹鋼時(shí)，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(duì)熔深的影響考慮的不夠，限制了其應(yīng)用；另外，對(duì)小孔形成機(jī)理的研究越來(lái)越深人，有關(guān)小孔的形成機(jī)理主要有兩種理論，一種認(rèn)為小孔主要靠液體金屬的蒸發(fā)而形成的15161718,另一種認(rèn)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(gè)脈沖形成的小孔有可能除去前

6、一個(gè)脈沖形成的氣孔，在適當(dāng)?shù)拿}沖參數(shù)下可減少氣孔率21,近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)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(jī)理非常復(fù)雜，目前還未取得滿(mǎn)意的結(jié)果。(2)模式特性對(duì)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(diǎn)的能量分布，對(duì)激光加工具有重要的影響。文獻(xiàn)22研究了不同光束模式對(duì)焊接質(zhì)量的影響，如圖1.4所示，激光束為基模時(shí)，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(xiàn)23通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了具有不同焦點(diǎn)光束參數(shù)積(BP?的激光束對(duì)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(xiàn)24指出材料形成“小孔效應(yīng)”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(duì)于功率一定，半徑相同的聚焦焦點(diǎn)，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(duì)激光焊接的影響(3)焦點(diǎn)特性對(duì)焊接的影響光束的焦點(diǎn)特性包括焦點(diǎn)的位置、大小、焦深和發(fā)散角。激光加工中，焦點(diǎn)附近的光斑尺寸變化較大，不同的焦點(diǎn)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(duì)焊縫質(zhì)量的影響很大。文獻(xiàn)25通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同焦點(diǎn)位置對(duì)不銹鋼焊接的焊縫形狀的影響，當(dāng)焦點(diǎn)為負(fù)離焦12mm時(shí)，焊接效果最好，負(fù)離焦比正離焦的焊接效果好。文獻(xiàn)26

8、采用不同焦距聚焦鏡進(jìn)行了激光焊接實(shí)驗(yàn)，如圖1.6所示，可見(jiàn)負(fù)離焦比正離焦更易獲得較大熔深，負(fù)離焦1mm左右熔深最大（圖中負(fù)值表示焦點(diǎn)在工件表面下方，稱(chēng)為負(fù)離焦）。文獻(xiàn)27通過(guò)實(shí)驗(yàn)也得到了類(lèi)似的結(jié)果。Miyamoto和Arata等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)位置的變化將引起焊縫的突變現(xiàn)象28,認(rèn)為焦點(diǎn)位置的突變是由于焦點(diǎn)位置變化到一定的位置，到達(dá)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(shí)在不銹鋼上進(jìn)行了工件距透鏡距離與透鏡焦距的比值對(duì)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(fù)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(yīng)選擇的材料厚度。在進(jìn)行激光加工時(shí)，對(duì)于某一加工深度有著一個(gè)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(jiàn)，當(dāng)加工速度一定時(shí)，隨著B(niǎo)PP值的減小，最佳聚焦角也減小，還可見(jiàn)，BPP一定時(shí)，隨著聚焦角減小，熔深增大，因此可采用較長(zhǎng)焦距的聚焦鏡，使加工條件和質(zhì)量得以改善?？偟膩?lái)說(shuō)，有關(guān)光束特性對(duì)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(yīng)用日益增多，有關(guān)光束特性對(duì)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(jìn)一步研究。番數(shù)定義（公式）優(yōu)點(diǎn)局限性適用場(chǎng)合煙子(1-L6)能在物理上客觀反映光束運(yùn)場(chǎng)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(zhǎng)激光束旗量之同的比較荻戶(hù)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(qiáng)的空間分布簡(jiǎn)單了解光束特性Bi-19)表征了光束的相干性不能反映光強(qiáng)的空間分布顯示照的止*13)按照包含光怩能見(jiàn)的865%定義束寬引入波長(zhǎng)參數(shù).不適用不同波長(zhǎng)滿(mǎn)光束質(zhì)量之風(fēng)的比較戶(hù)(1-22)僅僅需要?jiǎng)t年夕一個(gè)參數(shù)6可變換,標(biāo)潛光束選取不統(tǒng)非穗腔as光光束醺量評(píng)價(jià)STREHL比(1-23)熊客觀地反映軸上峰值此強(qiáng)不能反映光強(qiáng)的空何分布大氣光學(xué)以及光學(xué)雷達(dá)SQ值(124)反映了光束遠(yuǎn)場(chǎng)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(píng)價(jià)等13(125)實(shí)除光束強(qiáng)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