激光焊接過程的激光工作原理

2018-02-13

激光焊接是采用高能量的激光束聚焦在工件表面,使待焊接的表面快速融化而焊接起來.而其中的激光的工作方式以下做簡要的叙述:


激光焊接過程中存在着兩種氣體動力學機制不同的吸收波。一種是激光維持燃燒波,其前面運動的沖擊波對激光是透明的,後面的等離子體區才是激光吸收區,以亞音速度傳播,典型速度是每秒幾十米,依靠熱傳導、熱輻射和擴散等輸運機制使其前方冷氣體加熱和電離,維持激光吸收波及其前方沖擊波的傳播,波後是等離子體區,其等離子體溫度為1~3eV。另一種是激光維持爆發波,這裡沖擊波陣面就是激光吸收區,被吸收的激光能量支持沖擊波前進,激光維持爆發波相對于波前介質超聲速運動,其速度可達每秒幾十米至上百千米,等離子體溫度為10eV至幾十電子伏。 發生激光維持燃燒波或激光維持爆發波現象,與激光功率密度範圍相對應。發生加熱和電離,形成激光維持燃燒波,這是仍有部分激光通過等離子體區入射到工件表面,工件附近等離子體的輻射有助于增強激光與材料的熱耦合,随着等離子體逆着光束方向離去,這種耦合受到削弱,逐漸形成對材料的屏蔽。光強繼續增大,激光維持燃燒波吸收區運動加快,直至與前方沖擊波彙合,形成激光維持爆發波,構成對入射激光的完全吸收。選擇适當的環境氣體及光束聚焦透鏡,可以縮短激光維持爆發波的壽命,提高激光與材料之間的耦合效率。

 激光的基本物理特性 激光顯著的特性是:單色性好,方向性好、亮度高,相幹性好。

 1)單色性 激光中單色性好的是氣體激光器産生的激光。如He-Ne激光器産生的632.8nm譜線,線寬隻有10-9nm。相比而言,在普通光源中單色性好的用 來作為長度基準器的氪燈(Kr86),其譜線寬度為4.7×10-3nm。顯然,激光的單色性比一般光要高出106~107倍以上。 

2)方向性好、亮度高 從光源發出的激光平行傳播的程度稱為方向性。由于諧振腔對光束方向的選擇作用,激光器輸出的光束發散角度很小,可以小于或等于10-3~10- 5rad。考慮到光的波動性,即使是理想的平面波,在通過直徑為D的孔徑時 ,由于激光衍射也會産生一定的發散。對于相同的光束直徑,波長越小其方向 性越好。 

激光的方向性帶來兩個結果,即光源表面的亮度高,被照射的地方光的照度大。一個具有10mw功率的He-Ne激光器可産生比太陽高幾千倍的亮度,這樣亮的光源可在屏幕上形成面積很小但照度極大的光斑。

 3)相幹性好 以适當的方法将同一光源發出的光分成兩束,再使兩束光重合便産生明暗相間的條紋,這就是光的幹涉。無論是激光還是電波,或是白熾燈光和太陽光,從本質上來說,它們都是電磁波。然而,激光與白熾燈光和太陽光有較大不同,其中之一就是激光具有很好相幹性。白熾燈光(或太陽光)的光波是由無數的原子或分子發射的,故産生波長各不相同的雜亂光。即使将這些光合成後也會産生不規則的振動,所以不能形成整齊有序的大振幅的光波。

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