高功率激光焊接光致等离子体的形成机理研究_唐霞辉

收稿日期:1995-08-23.
唐霞辉,男,1963年生,讲师;武汉,华中理工大学激光加工国家工程研究中心(430074).*国家“八五”重点攻关项目.
高功率激光焊接光致等离子体
的形成机理研究*
唐霞辉　朱海红　朱国富　李家矪(激光加工国家工程研究中心)
摘　要　采用理论分析和试验研究相结合的方法,深入探讨了高功率激光焊接过程中光致等离子体的形成过程以及等离子体导致激光能量损失的机理,结果表明:等离子体的产生与入射激光能量密度有关,激光能量的损失主要表现为吸收和散射两种方式,其大小与入射激光波长有关.关键词　激光焊接;等离子体;形成机理分类号　T N 249;O 53
1　光致等离子体的产生及其特点
1.1　等离子体的产生
当激光功率密度超过106
W /cm 2
时,被辐照的金属材料表面强烈气化,产生金属蒸气.蒸气中的起始自由电子通过反韧致辐射吸收激光能量而被加速,直至有足够的能量碰撞电离材料和周围气体,使电子密度雪崩地增长而形成等离子体.电子密度n e 由以下速率方程所决定:d n e /d t =R i -R diff -R rec ,式中,R i 为电离速率;R d iff 为扩散速率;R r ec 为复合速率.决定电子平均能量E 的方程为:
　n e d E /d t =K a I -P c -R i (E i +E )+R ee (E i -E e +E ),
(1)
式中,K a 为等离子体对激光的吸收系数;I 为激光强度;P c 为电子弹性碰撞的功率损失;E i 为电离能;E e 为激发能;R ee 为电子、离子、原子三体碰撞复合速率.例如采用107
W/cm 2的CO 2激光辐照F e 表面时,由式(1)计算出的平均电子能量随着辐照时间的加长而急剧增长至一个常数约1eV ,然后产生雪崩式电离,电子密度急剧上升,电子密度最后达到的数值与复合速率有关[1]
.1.2　等离子体的基本特点
1.2.1　等离子体振荡　等离子体振荡是等离子体的最基本特点,其振荡频率X p =[e 2
n e /
(E 0m e )]1/2
,式中,e 为电子电荷;m e 为电子质量.主
要有两种振荡形式,即等离子体电子振荡和离子振荡.两者仅由电离子的密度及其质量所决定.因为电子质量仅为离子的10-4
倍,故电子振荡频率
远比离子高得多,通常只考虑前者.
1.2.2　等离子体冲击波　等离子体的宏观特征表现为强烈蓝光和冲击波.若入射激光强度I 1足
够大,材料表面在极短瞬间吸收极高能量,则所产生的等离子体物质冲击波速度大于声音冲击波速度,并导致相当多的金属蒸气物质冲击,此种类型等离子体冲击波归结为激光维持的爆发波;当激光强度I 3相对较低时,则材料冲击波速度低于声音冲击波速度,即以亚音速度传播,并具有较小的金属蒸气物质冲击,其冲击波能量来自于等离子体吸收激光后产生的等离子体辐射,这叫做激光维持燃烧波;当激光强度I 2处于I 3<I 2<I 1时,所产生的等离子体物质冲击波,与声音冲击波具有相近的传播速度,称之为激光维持弱爆发波[2].同样条件下,等离子体冲击波的大小主要与入射激光强度有关.激光维持的燃烧波有利于焊接过程的进行,而爆发波使焊接过程无法进行,必须加以控制.
2　关于激光能量损失的试验研究
2.1　等离子体对激光的吸收
等离子体对激光的吸收的基本机理是反韧致辐射吸收,即光子-电子相互作用[3]
.
2.1.1　试验依据　根据等离子体物理理论,反韧致辐射吸收系数
K a =z 2e 6n e n i ln +
3X 2c E 30(2P m e kT )3/2[1-(X pe /X )2]1/2,
(2)
式中,n i 为离子密度;z 为离子价数;c 为光速;E 0为
第24卷第6期 华　中　理　工　大　学　学　报 V o l.24　No.61996年　6月 J.Huazhong U
介电常数;k为玻尔兹曼常数;T为等离子体温度;X为入射激光角频率;X pe为等离子体电子振荡角频率;ln+为库仑对数.
由式(2)可知,激光波长一定时,K a可表示为n i,n e和T的函数关系,即K a=f(n i,n e,T),而n i和n e仅与T有关,故最终通过测量等离子体温度来求得K a.
a.　温度测量方法　由于等离子体体积小,温度高,常规方法无法测量,本文采用间接测量等离子体的光谱强度来测量温度.其温度可由公式
ln I nm K n m
g n A n m
=-
E n
kT
+ln
N0hc
Z(T)
(3)
求得,式中,N0为原子密度;E n为n能级的激发能;K nm为n能级跃迁至m能级的辐射光波长;I nm 为光谱强度;A nm为n→m能级的跃迁几率;g n为n 能级的统计质量;Z(T)为原子部分函数.根据式(3),采用最小回归分析法,将试验结果代入函数关系ln(I nm K nm)/(g n A nm)～E n所得出的曲线称为玻尔兹曼曲线,从其斜率即可求得温度T.
b.电子密度计算　某一原子谱线的强度I a 和离子谱线强度I i可分别表示为:
I a=n a(g a/z a)A a h M a ex p(-E a/(kT));(4)
I i=n i(g i/z a)A a h M i exp(-E i/(kT)).(5)将式(4)和(5)代入Saha方程[4],即可求得
　n e=I a g i A i M i
I i g a A a M a
2(2P m e kT)1/2
h3
ex p[(E a-
E i-V)/(kT)],(6)式中,下标a和i分别表示原子、离子;M为谱线频率;V为电离能;其余符号与式(2)和(3)同.
假设等离子体蒸气为一个大气压下的理想气体,根据Saha方程,可以求得总粒子数密度n0,则离子密度为n i=n0-n e.
2.1.2　试验条件　本试验采用峰值功率密度为1×107W/cm2、脉宽为10m s、波长为10.6L m 的CO2激光照射纯铁材料表面,形成表面高度约为8mm的等离子体.试验装置如图1所示,被测
图1　等离子体光谱强度测量装置示意图1—工作台,2—试样,3—等离子体,4—等离子
体光谱,5—透镜,6—光隙,7—光导纤维,8—耦
合镜,9—单色光谱仪,10—光电倍增器
点高约为5～6m m,整个试验系统置于封闭环境中,以防外界光信号干扰.
2.1.3 试验结果及分析　将测得的谱线强度及有关物理量代入式(3),结果如图2所示,通过
图2　光谱强度的玻尔兹曼曲线
计算得温度T= 2.1×104K.进一步通过式(6)求得电子密度为n e=1023m-3.通过式(2)求得吸收系数K a=20cm-1,这意味着激光在等离子体中行进1cm就有20%的能量被损失.从而影响激光在熔池小孔中穿透深度即熔深.
2.2　等离子体对激光的散射
通过试验测试和理论计算,均可知实际焊缝热输入量远低于入射激光能量与吸收损失之差,因此必定存在其他能量损失.等离子体具有致密的电子层,对激光具有散射作用.
2.2.1　试验条件　试验装置如图3所示,将被
图3　散射激光强度测量装置示意图
散射激光经聚焦后,穿过波长为10.6L m的相干滤光镜,再经光电二极管转化成电信号.用双踪示波器同步观察入射激光及散射激光的动态波形.所采用激光束及试样与吸收试验相同.
2.2.2　试验结果及分析　入射激光波形如图4
(a)所示,图4(b)为散射激光的强度变化波形.可见被散射激光滞后于入射激光,其滞后时间正好为等离子体的产生时间.一旦等离子体形成,散射激光强度开始显著增加并保持较高值,直至入射激光衰减.改变入射激光功率密度,则等离子体浓度发生变化,散射激光强度也相应变化.
等离子体对激光散射的机理分析比较复杂,有关文献已证实,散射是由于等离子体形成时金属蒸气原子凝聚后形成的超细微粒子(U FP)所
55
第6期 唐霞辉等:高功率激光焊接光致等离子体的形成机理研究
图4　入射激光(a)与散射激光(b)强度变化波形致[5],粒子的平均尺寸远低于入射激光的波长.图4所观察到的现象是由于UFP导致的Rayleigh 散射,散射强度由下列方程决定:
I散射I入射=
2P2v2
r2K4
E-E0
E0
2
(1+cos2<),(7)
式中,v为粒子体积;r为粒子之间距离;<为散射角;E为粒子介电常数;K为入射激光波长.散射损失的定量分析目前尚难做到.
3　激光能量的损失与波长的关系
根据式(7),将散射损失折算成吸收损失时的吸收系数
K as=[8P3nv2/(3K4)](E-E0)2/E20,(8)式中,n为UFP的总粒子数密度;其余符号意义与式(7)同.可见散射损失反比例于波长的4次方.对于同样尺寸的UFP,激光波长越短,越易被散射.所以YAG激光在等离子体中能被强烈地散射.从式(2)可知,反韧致辐射吸收系数是电离粒子密度、等离子体温度、激光波长的函数,研究表明,其综合影响与激光波长成正比.图5说明在一定的等离子体温度和粒子尺寸条件下,光
图5　入射激光能量损失与激光波长的关系曲线致等离子体导致激光能量的损失与激光波长的函数关系[6].可见,能量损失在长波长时主要是吸收,短波长时主要是散射.
参考文献
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On the Formation Mechanism of Laser-Induced Plasma
in High-Power Laser Welding
T ang X iahui　Zhu H aihong　Zhu Guof u　L i J iar ong
Abstract　The for matio n m echanism o f laser-induced plasm a and the mechanism of the laser energ y loss caused by plasma in high-po wer laser w elding are investig ated theo retically and ex perimentally. The results show that the plasma generation is determined by the po wer density of imping ing laser beam and the laser energ y loss caused by plasm a is m ainly m anifested in the form of absorptio n and scattering,w ith the mag nitude of loss depending on the w avelength o f the im ping ing laser beam. Key words:　laser w elding;plasm a;form ation mechanism
Tang Xiahui,　lect.;Natio nal Eng ineering Research Center fo r Laser Pro cessing,HU ST,Wuhan 430074,China.
56 华　中　理　工　大　学　学　报 1996年。