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                                              解讀激光光束特性對激光加工質量的影響

                                              信息來源于:互聯網 發布于:2022-03-28

                                                激光加工過程首先是一個熱變化過程,激光器發出的能量聚焦于很小的靶區,并將熱量傳遞給被加工的材料,激光加工過程高度依賴于材料所能吸收的能量。加工過程的效率往往是輻照度的平方或立方的函數。因而可以斷定,工件上的焦斑總能量和能量空間分布是加工過程的成功關鍵,而且 對激光束空間能量分布形狀的變形是非常敏感的。在激光焊接中,零件之間的間隙必須控制非常精準,這就需要把激光束的能量始終對準相同的靶區而不發生焦斑漂移。如果進行高速焊接,不良光束結構可以引起焊縫不良的問題。在激光切割中,光束的質量和聚焦能力對切口本身的質量非常關鍵。質量低劣的光束可以造成零件報廢或返修而增加成本。
                                                1. 激光加工光束特性參數及其評價指標
                                                高功率激光加工過程中,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,這些參數不僅與激光輸出功率有關,而且更依賴于光束模式的分布和穩定性。
                                                1.1激光加工光束特性參數
                                                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分成三類:功率特性(激光功率、功率密度、連續或脈沖)、光束特性(光束模式、光束質量、異形光束)、焦點特性(焦點大小、焦點位置、焦深)。
                                                這些光束特性參數并不是獨立的,而是相互影響的。同樣功率的激光束,光束質量越好,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,但是造成像差大,鏡片加工困難,短聚焦也容易造聚焦鏡污染。采用長焦距聚焦鏡,可得到較大的焦斑和較長的焦深,光斑偏移對激光加工的質量影響相對較小。光束質量作為光束特性中最重要的參數之一,對光束能量分布、聚焦焦點大小、功率密度大小等重要參數有很大影響,是評價激光制造系統的關鍵參數,它不僅標志了激光制造系統的可加工能力,還對激光材料加工過程產生重要的影響。
                                                1.2光束質量
                                                任何旋轉對稱的激光束具有三個參數特點:光腰位置 Z0、光束束腰半徑 ω0和遠場發散角(半角)θ0。
                                                (1) 光束質量的特征值
                                                多種具有特征化的值被用于描述激光束的質量:K因子、 光束質量因子(M2)及光束參數積(BPP),這些特征值通過簡單計算能相互直接轉換。光束參數積是θ0和ω0的乘積,在整個激光傳輸區域守恒。例如,通過安裝透鏡或擴束鏡來改變光束直徑,將會影響光束的發散角。因此,光束參數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時才會影響外光路的光束參數積。
                                                (2) 模式 模式是激光的光場分布,對于用于材料加工的高功率CO2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線數目、l 為橫模沿徑向的節線數目,當 p=l=0 時,TEM00模光場呈高斯分布,稱為基模。對于圓形孔徑反射鏡諧振腔,
                                                2、光束特性對焊接質量的影響
                                                2.1能量特性對焊接的影響
                                                激光束的能量特性包括光束的功率與功率密度、連續/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系。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,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為小孔吸收,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態或準穩態解析解,這種方法可以獲得溫度場分布的近似解,隨著數值計算方法的發展,有限元在模擬激光焊接結果的應用上也越來越廣泛。
                                                文獻提供了激光焊接304不銹鋼時,焊接熔深與激光功率、焊接速度的理論關系,但有關焊接材料、焦距與光束質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而形成的,另一種認為小孔是由于金屬蒸汽的反沖壓力形成的。采用脈沖激光焊接,由于后一個脈沖形成的小孔有可能除去前一個脈沖形成的氣孔,在適當的脈沖參數下可減少氣孔率,近年來,國內外開展了脈沖激光焊消除氣孔的研究工作,但由于氣孔產生機理非常復雜,目前還未取得滿意的結果。
                                                2.2模式特性對焊接的影響
                                                光束的模式特性包括光束質量、光束模式以及光束的橫截面能量分布。光束模式決定了聚焦焦點的能量分布,對激光加工具有重要的影響。文獻研究了不同光束模式對焊接質量的影響,如圖 5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散,焊接質量越差。文獻通過實驗研究了具有不同焦點光束參數積(BPP)的激光束對激光焊接質量的影響,如圖6所示,光束的BPP值越大,光束質量就越差,焊縫的深寬比就越小。文獻指出材料形成“小孔效應”的功率密度不僅與平均功率密度有關,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,焊接質量不同。
                                                2.3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,從而對焊縫質量的影響很大。文獻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1~2mm時,焊接效果最好,負離焦比正離焦的焊接效果好。文獻采用不同焦距聚焦鏡進行了激光焊接實驗,如圖7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)。文獻通過實驗也得到了類似的結果。Miyamoto和Arata等人通過研究發現焦點位置的變化將引起焊縫的突變現象,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。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,結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dopt,如何匹配最佳的光束聚焦系統,是決定加工質量的好壞以及激光器是否處于最佳工作狀態的重要因素,圖8給出了在一定條件下,最佳聚焦角βopt為0.05rad。而
                                                圖9表明了BPP與βopt的關系,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,使加工條件和質量得以改善。
                                                總的來說,有關光束特性對激光焊接質量影響的研究已作了很多工作,但隨著激光加工的發展,一些特殊材料的應用日益增多,有關光束特性對特殊材料焊接質量的影響以及光束質量與焊接質量之間的理論關系還有待于進一步研究。
                                                3、光束質量對激光束傳輸和聚焦特性的影響
                                                利用激光作為輻射源來解決各種問題時,通常都要使用光學系統對激光束進行傳輸變換。對于面向制造工業應用的高功率激光,尤其是CO2激光傳輸特性的研究較少。文獻[27]提出了基于附加相移大功率CO2激光光束傳輸與聚焦理論,研究了光束質量對多模激光束傳輸、聚焦光束變換以及光束加工范圍的影響,強調了附加相移在混合模激光束傳輸中對光束橫截面強度分布狀態的作用。由于波長的原因,YAG激光可以采用光纖進行傳輸,CO2激光采用鏡組進行傳輸,這就要求CO2激光束具有良好的傳輸特性,以保證激光束從激光器出光口經過十幾個反射鏡的傳輸到達加工位置后的光束的模式和能量分布的穩定性。理論上,激光束的傳輸都是依雙曲線規律從中心向外擴展,光束質量首先影響到的就是激光束的傳輸。圖10簡單表示了束腰相同,光束質量不同時激光束的傳輸特性??梢钥闯?,光束質量較好時,激光束發散角小,瑞利長度長,可以傳輸很遠而不明顯發散,最大限度的利用光學系統。
                                                另外,在激光材料加工的實際應用中,為了獲得高能量密度,都要將激光束進行聚焦。圖11所示為采用同一個聚焦鏡,聚焦得到的焦斑大小??梢钥闯?,光束質量越好,得到的聚焦焦斑越??;當需要獲得相同大小的焦斑時,光束質量越好,可采用的聚焦鏡的焦距越長(圖12)。遠程激光焊接(Remote LaserWelding,RLW)的實現就是體現激光束良好的聚焦特性的一個例子。RLW 將光束聚焦到 2.5m 遠的距離,通過振鏡的精確轉動形成掃描激光束,使激光深熔焊接過程在更大面積和更遠的距離完成,這種良好的聚焦特性正是由于激光束的高光束質量決定的。
                                                4、光束模式的測量方法
                                                空間光束能量分布分析是一種測量方法,它把構成光束的所有變量合成為一目了然的圖象。這個方法適用于一切激光器,而不僅僅是CO2激光器。 CO2激光器最常用的光束能量分布分析方法是丙烯酸模式燒蝕法。這個方法把未聚焦的光束引向一個丙烯酸靶塊,光束能量使丙烯酸材料氣化蒸發,而且焦斑輪廓與光束本身的空間能量分布成正比。材料氣化形成的輪廓描述了激光束在照射丙烯酸靶塊過程中(一般持續若干秒)的空間能量分布。
                                                盡管這個方法已廣為應用,但是精度和重復精度在很大程度上依賴于操作者的技巧,還在車間里產生大量的易燃有毒蒸氣,必須抽吸出去。而且,采用這個方法無法測量激光束在光路上的瞬時反應,例如可能掩蓋了過程最開始時的變化。因此,模式燒蝕法最多只能算是近似描述激光光束的性能。
                                                在過去10年中開發出了一些效果各異的半電子診斷法,其中大多數方法試圖對未聚焦的光束取樣,也就是將一小部分有代表性的光束引向某種傳感器,以此獲得主光束的空間能量分布圖。就高功率激光應用而論,取樣不是采用細小空心管上的微米級小孔,就是采用細金屬絲末端的小反射鏡,將一小部分原始光束引向一個熱電式單元素傳感器,然后由這個傳感器把吸收的能量轉換為比例電信號。
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