激光深熔焊接光致等离子体的控制
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抑 制光 致等 离子 体 。唐霞 辉 等人【利 用 同轴双 层 ’ ６ 】 喷 嘴 辅 助 气 体 对 等 离 子 体 进 行 控 制 ． 发 现 用 Ｈ ＋ ５ ｒ混 合 气 体 作 保 护 气 体 能 显 著 改 善 熔 ｅ １％Ａ 深 ．并 且 随着外 层 喷嘴环 形 气体 压力 的增 大 可 以 很 好地 控制 等离 子 体 。李 国华等 人【研究 了大功 ７ １
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｄｕ ｉ ｇ ｌｓ ｒ ｅ ｅ ｒ ｔ ｎ ｗｅｄ ｎ ｌ ｓ ｒｉ ｄ ｃ ｄ ｐａ ｍａｈ ｂ ｉ ｕ ｈ ｅｄ ｎ ｆｅ ｔ ｎ ｌ ｅ ｎ ｒ ｙ ａ ｄ ｓｒ ｃ ： ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｌ ｉ ｇ， ａ ｅ ｕ ｅ ｌ ｎ ａ ｐ ａ ｏ ｎ ｓ ａ ｏ ｖｏ ｓｓ ｉ ｌ ｉ ｇｅ ｃ ａ ｒｅ ｅ ｇ ｎ ｓ ｏ ｓ ａ ｅ ｔ ｌ ｉ ｇ ｑ ａｉ ｉ ｎ ｆ ａ ｔ ．Ｔ ｅ ｅ ｏ ｅ ｈ ｏ ｔ ｌｔｃ ｎ ｌ ｇ ｆ ｐａ ｍａ ｂ ｃ ｍｅ ｅ ｆ ｌｓ ｒｐ ｎ ｔ ｔ ｎ ｆ ｃｓ ｗｅｄ ｎ ｕ ｌ ｙ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｌ ｔ ｉ ｙ ｈ ｒ ｆ ｒ ，ｔ ｅ ｃ ｎｒ ｅ ｈ ｏ ｏ ｏ ｙ ｏ ｌ ｓ ｅ ｏ ｓ ａ ｋ ｙ ｏ ｅ ｅ ｅ ｒ ｉ ａ ａｏ ｗｅ ｄｎ ． ｅ ｍｅ ｏ ｓｔ ｏ ｔ ｌ ｅｐ ａ ｍａａ ｅ ｓ ｍｍ ａ ｉｅ ｎ ｏ ａ ｅ ． ｅ ｖ ｃ ｕ ｌ ｅ ｌ ｉ ｇ ｉ ｉｔｏ ｕ ｅ ｎ ｌ ｉ ｇ Ｔｈ ｔ ｄ ｃ ｎ ｏ ｌ ｈ ｏ ｒ ｔ ｈ ｓ ｒ ｕ ｒ ｄ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒ ｄ Ｔ ａ ｕ ｍ ｚ ｈ ｓ ａ ｒ ｗｅｄ ｎ ｎ ｄ ｃ ｄ ｉ ｓ ｒ ｄ ｔｉ ． ｅ ｌ ａ ｓ
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焊 接 ・ 割 （ 切 ６ ）
值 及维持 阈 值成正 比 ； 激光 光斑 直径越 小 ． 等离 子 体 就越难 以形 成 。 （ ） 焊 接环 境 而 言 ， 境压 力 、 ２就 环 环境 气 体 及 气 体流量 都 会对等 离 子体产 生 影响 。环境 压 力越 低， 蒸气 密度 及 电子密 度就 会越 低 ， 而 等离 子体 从 越 不易 产生 ； 环境 气体 电离 能越 低 、 导热 性越 差越 容 易形 成等 离子 体 ： 境气 体流 量越 大 ． 环 等离 子体 体 积就越 小 ． 但是 其流 量过 大会 使匙 孔扩 大 、 化 熔
激 光深熔焊 接过程 中 。 入射光束 的能量 密度较
近年来 ，国内外对等 离子体进 行 了深入研 究 。 起初人们 认为 。 离子体对 激光 的屏蔽作 用是 由于 等 激 光深熔 焊 接 中的光 致等 离子 体 吸收 了部 分激 光 能 量致使 工 件表 面 的能量 密度 小 于深熔 焊 接 阈值 所致 。后经 国外 大量研究 得 出 。 等离子 体对激 光的 折射行 为才是 引起等离子 体屏蔽 的主要原 因。 在激 光深熔 焊接过程 中 。 等离子 体对激 光 的折 射作用 大 大 降低 了耦合 到工件表 面的能 量密度 。 并且 导致激 光 实际聚焦位 置 比正常 聚焦位置偏 低［１ ４。 ． ６
中图 分 类 号 ： Ｇ４ ６７ Ｔ ５． 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １３ １ （０ ７ ０ －０ ６０ １ ０ ．８ ４ ２ ０ ） １ ８ ． ３Βιβλιοθήκη Baidu０
Ｃｏ ｒ ｌ ｆＬａ ｅ ｎ ｎｔ ｏ ｓ ｒＩ ｄｕｃ ｄ ａ ｍ ａ Ｄｕｒｎｇ Ｌａ ｅ ｎ ｔ ａ ｉ ｎ Ｗ ｅ ｄ ｎｇ ｏ ｅ Ｐｌ ｓ ｉ ｓ ｒＰｅ ｅ ｒ ｔｏ ｌ ｉ
（ ） 光摆 动法 （ Ｓ Ｗ ） 该 法 是 由 Ｙ Ａ ａ １激 ＬＳ ｒｔ ａ 提 出 的。在焊 接 过程 中 ，激 光束 沿 焊接方 向来 回 摆 动 ． 匙孔 出现 后 而等离 子体 形成 以前 。 光斑 在 将 瞬 时移 至熔池 的后 缘 ， 等离 子体 来不 及扩 展 ， 光束 又 向前 移动形 成新 的小 孔 ． 如此 周 而复始 。 种方 这 法 能获得 比脉 冲激光 焊接更 深 和更 大深 宽 比的焊 缝 ． 是这 种方 法在实 际操 作 中不 易控 制 。 但 （ ）脉 冲激光 焊接 法 ２ 通 过 调整 激光 的脉 冲 频率 ．使 激光 的辐 照时 间小 于等 离子 体 的形成 时 间 ． 而 抑制等 离 子体 的产 生 。 这种 方法 容 易引 从 但 起焊 缝 的波 动【 ６ 】 。 （ ）外加 电磁 场控 制法 由于等 离子 体是 被 ３ 电离 的气体 ， 它是 由电子 、 离子 和 中性粒 子 ３种 成
ＬＩ Ｋｕ ， Ｕ ｉ — ＺＨＯＵ ａ ２ Ｕ ｎ ＬＩ Ｊｎ ｈｅ， Ｃｈ ｎｇ
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Ｓ ｉ ｃ ｎ ｎｉｅｒ ｇ Ｎ ￣ ｗ ｓ ｒ ｏ ｔｃｎｃ！ ｎｖｒ ｔＸ ＂ １０ ２ Ｃ ｉ￣ ｃ ｎ ｅ ｄＥ ｇｎｅｉ ， ｏ ｈ ｅｔ ｎ ｌ ｅｈ ｉ Ｕ ｉｅ ｉ ，ｉ ｎ７ ０ ７ ， ｈｍ ＂ ｅ ａ ｎ ｅ Ｐｙ ａ ｓｙ ａ ２ＸｉｎＡ ｒ－ｎｉｅＧｏｐ Ｌｄ， ｉ ｎ７０ ２ ， ｈｎ） ． ＇ ｅｏｅｇｎ（ ｒｕ） ｔ．Ｘ ＇ １０ ｌＣ ｉ ａ ａ ａ
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焊 接 ・ 割 （ 切 ６ ）
激光深熔焊 接光致等 离子体 的控制
刘 锟 。 刘金 合 ・周 畅 ： 。
（． 北 工 业 大 学 材 料 学 院 ， 西 西安 ７０ ７ ； ． 安航 空 发 动机 （ 团） 限公 司， 西 西 安 ７０ ２ ） １西 陕 １０ ２ ２西 集 有 陕 １０ １ 摘 要 ： 光 深 熔 焊 接 过 程 中 ， 致 等 离 子 体 对 激 光 能 量 有 显 著 的屏 蔽 作 用 ， 重 影 响 了焊 接 质 量 ， 此 ， 激 光 严 因 对
低 了焊 接 质量阎
作用 ， 低激 光 的功 率和热 源 的集 中程度 ． 而影 降 从 响熔 深 。 产生 焊接 缺 陷 ， 重 时使激 光 焊接 无法 正 严 常 进行 。 因此 。对等 离子 体 的控制 是 激光 深熔 焊
接 的关 键【 ］ Ｉ。 ＇ ２
１ 光 致等 离子 体 的 形 成 及 分 类
吸 收激 光能 量 ，影 响和改 变激 光 同材 料 间的相 互
２ 等 离 子体 在 能 量 传 输 中的 作 用
激 光深 熔 焊接过 程 中产 生 的等离 子 体对 入射 激 光 具有屏 蔽 作用 ， 响正 常焊 接过 程 。 离子体 影 等 的吸 收和散 射作 用影 响 了激 光 的传输 效 率 ，降低 了到 达工件 上 的激 光能 量 ；而 等离子 体 的 负透镜 效 应 扩大 了激 光能 量在 工件 上 的作用 区 。从 而 降
辅助 气体 能更 有 效 的控 制 等离 子体 。通 常使 用 的 辅 助 气 体 中氦 气 控 制 等 离 子 体 的效 果 最 好 ［ １ ３ １ Ｂｃ ｅｋ等 人【 发现 ， Ａ ： ｅ＝ ： 合 时抑 制 等 离 ４ ］ 当 ｒ Ｈ ｌ ３混 子体 的 效果 最好 。张林 杰 等 人【分析 指 出对 流冷 ５ １ 却 作 用 是 侧 吹 气 体 能 够 抑 制 等 离 子 体 的重 要 原
等 离 子 体 的 控 制 技 术 成 为 研 究 的 热 点 。 本 文 在 简 要 介 绍 等 离子 体 形 成 、 类 的基 础 上 ， 分 系统 归 纳 了 国 内 外 几 种 控 制 等 离 子 体 的 方 法 ， 对 这 几 种 方 法 进 行 了 比较 。其 中 ， 细介 绍 了真 空 焊 接 法 并 详 关 键 词 ： 光 深 熔 焊 接 ； 致 等 离 子体 ： 制 ： 激 光 控 真空
作者 简 介 ： 刘锟 （９４． ， ， 西 西 安 人 ， 士 研 究 生 ； １８ ）女 陕 硕
电话 ：３ ４ ２ ８ ３ ； － ｉ：ａｌ２ ０ ＠ｙｈ ｏｔｍ． １６ ９ ５ ４ ｌ Ｅｍａ ｆｙｋ ０ ３ ａｏ ． ｃ ｌ ｏ ｎ
加 工工 艺》２０ ０ ７年 第 ３ ６卷第 ２ ３期
Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｅ ｅ ｅｒ ｔ ｎｗｅｄ ｎ ； ａ ｅ ｄ ｃ ｄｐ ａ ｍａ ｃ ｎ ｒ ｌ ｖ ｃ ｕ ｙｗｏ ｄ ：ｌ ｒ ｎ ｔ ｉ ｌ ｉ ｇ ｌｓ ｒ ｎ ｕ ｅ ｌｓ ； ｏ ｔｏ ； ａ ｕ ｍ ｓ ｐ ａｏ ｉ
在激 光深 熔焊 接过 程 中 ，金属 会很 快 蒸发 电 离并 产 生等离 子 体 。等离 子 体会折 射 、散 射 以及
金 属 飞溅 。
应用 较少 ， 有待 进 一步检 验 。 （） ４ 吹辅助 气体 法 在 激光 焊接 过程 中 ． 吹保 护 气 体是 利用 保护 气体 流 动的能 量将 金 属蒸 汽和 等离 子体从 激 光光路 吹 除 ， 或通过 增 加 电子 、 子 离
和 中性 原 子 三体 碰 撞 来 增加 电子 的 复合 速 度 ． 以 降低 等离 子体 的 电子 密度 。 导热 性 好 、 电离能 高 的
另 外 ，焊接 速度 及材 料性 质也 会对 等离 子体 产生影 Ｉ ｔ１ ￣７ 。 ］・ ８
４ 光 致等 离子 体 的控 制 方法
人们通 过 改变影 响等 离子 体 的 因素 来对 等离 子体进 行控 制 ．以期 达 到减小 或 消除 它对 激光 干
扰 的 目的。
因 ，优 化 的侧吹 喷 嘴高度 和侧 吹 流速 可 以有 效 地
率 Ｃ 光焊 在 不 同侧 吹 气体 流 量 下 ， 吹气 流 Ｏ激 侧
方 向 不 同 对 其 焊 接 过 程 稳 定 性 和 焊 缝 成 形 的影
响 。结果 表 明 ，随着侧 吹气 体 流量 的增 加熔 深增
加． 当气 流方 向与 焊接 方 向相 反时 ， 获得更 稳 定 可 的焊 接过 程 和更 大的熔 深 。 光焊接 过 程 中 ， 激 吹辅 助 气体 控 制等 离 子 体 的 方法 相 对 灵 活且 简 单 ， 可 以 同时 起 到 控 制等 离 子 体 和 保 护 熔 池 的 双 重 作
收藕 日期 ： ｏ ７ １ － ７ ２ ０ ．０１
３ 影 响等 离子 体 的 因 素
激 光 焊 接 过 程 中影 响 等 离 子体 的 因素 很 多 。
归结 起来 主要 包括 以下 几个 方 面 ：
（） １ 就激 光本 身而 言 ， 光功 率 密度 、 长 、 激 波 光 斑大 小都 对 等离 子体有 影 响 。 功率 密度 越大 。 离 等 子体 的温度 越高 。但 功率 密度 过 大会导 致 等离 子 体不 稳定 ；激 光 波长 的平 方 与等离 子体 的 点火 阈
大． 金属表 面形 成 的金 属蒸汽及 保护气 体 的一部分
自由电子通 过吸收 光子能量 而被加 速 。 至有足 够 直
的能量使 金属蒸汽 及保护气 体电离 ， 从而 导致 电子 密度雪 崩式的增长 ， 成致 密的等离 子体 。 形 激光 焊接 时产 生 的等离 子 体属 于低 温等 离 子 体 。从空 间位 置 和等离 子 体 的强弱 来 看 ，在 不 同 的激 光功 率 密度 条 件 下 ， 以将激 光 等离 子 体 分 可 为三类 ： 当激 光 功 率 密 度 ＜ ０ Ｗ／ 时 。 离 子 １ ｃ ｍ２ 等 体 非 常 稀 少 并 附在 工 件 表 面 ； 当功 率 密 度 处 于 １６ ０ Ｗ／ｍ 围 时 。等 离 子 体 在 工件 上 方 形 ０ ～１ ｃ 范 成稳 定的 近似球 形 的云 团 ； 当功 率密 度增 加 到 ｌ ０ Ｗ／ｍ 以上时 。 离子 体呈 周期 性 变化 【】 ｃｚ 等 ３。 Ｉ ４
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值 及维持 阈 值成正 比 ； 激光 光斑 直径越 小 ． 等离 子 体 就越难 以形 成 。 （ ） 焊 接环 境 而 言 ， 境压 力 、 ２就 环 环境 气 体 及 气 体流量 都 会对等 离 子体产 生 影响 。环境 压 力越 低， 蒸气 密度 及 电子密 度就 会越 低 ， 而 等离 子体 从 越 不易 产生 ； 环境 气体 电离 能越 低 、 导热 性越 差越 容 易形 成等 离子 体 ： 境气 体流 量越 大 ． 环 等离 子体 体 积就越 小 ． 但是 其流 量过 大会 使匙 孔扩 大 、 化 熔
激 光深熔焊 接过程 中 。 入射光束 的能量 密度较
近年来 ，国内外对等 离子体进 行 了深入研 究 。 起初人们 认为 。 离子体对 激光 的屏蔽作 用是 由于 等 激 光深熔 焊 接 中的光 致等 离子 体 吸收 了部 分激 光 能 量致使 工 件表 面 的能量 密度 小 于深熔 焊 接 阈值 所致 。后经 国外 大量研究 得 出 。 等离子 体对激 光的 折射行 为才是 引起等离子 体屏蔽 的主要原 因。 在激 光深熔 焊接过程 中 。 等离子 体对激 光 的折 射作用 大 大 降低 了耦合 到工件表 面的能 量密度 。 并且 导致激 光 实际聚焦位 置 比正常 聚焦位置偏 低［１ ４。 ． ６
中图 分 类 号 ： Ｇ４ ６７ Ｔ ５． 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １３ １ （０ ７ ０ －０ ６０ １ ０ ．８ ４ ２ ０ ） １ ８ ． ３Βιβλιοθήκη Baidu０
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（ ） 光摆 动法 （ Ｓ Ｗ ） 该 法 是 由 Ｙ Ａ ａ １激 ＬＳ ｒｔ ａ 提 出 的。在焊 接 过程 中 ，激 光束 沿 焊接方 向来 回 摆 动 ． 匙孔 出现 后 而等离 子体 形成 以前 。 光斑 在 将 瞬 时移 至熔池 的后 缘 ， 等离 子体 来不 及扩 展 ， 光束 又 向前 移动形 成新 的小 孔 ． 如此 周 而复始 。 种方 这 法 能获得 比脉 冲激光 焊接更 深 和更 大深 宽 比的焊 缝 ． 是这 种方 法在实 际操 作 中不 易控 制 。 但 （ ）脉 冲激光 焊接 法 ２ 通 过 调整 激光 的脉 冲 频率 ．使 激光 的辐 照时 间小 于等 离子 体 的形成 时 间 ． 而 抑制等 离 子体 的产 生 。 这种 方法 容 易引 从 但 起焊 缝 的波 动【 ６ 】 。 （ ）外加 电磁 场控 制法 由于等 离子 体是 被 ３ 电离 的气体 ， 它是 由电子 、 离子 和 中性粒 子 ３种 成
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激光深熔焊 接光致等 离子体 的控制
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１ 光 致等 离子 体 的 形 成 及 分 类
吸 收激 光能 量 ，影 响和改 变激 光 同材 料 间的相 互
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激 光深 熔 焊接过 程 中产 生 的等离 子 体对 入射 激 光 具有屏 蔽 作用 ， 响正 常焊 接过 程 。 离子体 影 等 的吸 收和散 射作 用影 响 了激 光 的传输 效 率 ，降低 了到 达工件 上 的激 光能 量 ；而 等离子 体 的 负透镜 效 应 扩大 了激 光能 量在 工件 上 的作用 区 。从 而 降
辅助 气体 能更 有 效 的控 制 等离 子体 。通 常使 用 的 辅 助 气 体 中氦 气 控 制 等 离 子 体 的效 果 最 好 ［ １ ３ １ Ｂｃ ｅｋ等 人【 发现 ， Ａ ： ｅ＝ ： 合 时抑 制 等 离 ４ ］ 当 ｒ Ｈ ｌ ３混 子体 的 效果 最好 。张林 杰 等 人【分析 指 出对 流冷 ５ １ 却 作 用 是 侧 吹 气 体 能 够 抑 制 等 离 子 体 的重 要 原
等 离 子 体 的 控 制 技 术 成 为 研 究 的 热 点 。 本 文 在 简 要 介 绍 等 离子 体 形 成 、 类 的基 础 上 ， 分 系统 归 纳 了 国 内 外 几 种 控 制 等 离 子 体 的 方 法 ， 对 这 几 种 方 法 进 行 了 比较 。其 中 ， 细介 绍 了真 空 焊 接 法 并 详 关 键 词 ： 光 深 熔 焊 接 ； 致 等 离 子体 ： 制 ： 激 光 控 真空
作者 简 介 ： 刘锟 （９４． ， ， 西 西 安 人 ， 士 研 究 生 ； １８ ）女 陕 硕
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３ 影 响等 离子 体 的 因 素
激 光 焊 接 过 程 中影 响 等 离 子体 的 因素 很 多 。
归结 起来 主要 包括 以下 几个 方 面 ：
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大． 金属表 面形 成 的金 属蒸汽及 保护气 体 的一部分
自由电子通 过吸收 光子能量 而被加 速 。 至有足 够 直
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