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解读激光光束特性对激光加工质量的影响


  激光加工过程首先是一个热变化过程,激光器发出的能量聚焦于很小的靶区,并将热量传递给被加工的材料,激光加工过程高度依赖于材料所能吸收的能量。加工过程的效率往往是辐照度的平方或立方的函数。因而可以断定,工件上的焦斑总能量和能量空间分布是加工过程的成功关键,而且 对激光束空间能量分布形状的变形是非常敏感的。在激光焊接中,零件之间的间隙必须控制非常精准,这就需要把激光束的能量始终对准相同的靶区而不发生焦斑漂移。如果进行高速焊接,不良光束结构可以引起焊缝不良的问题。在激光切割中,光束的质量和聚焦能力对切口本身的质量非常关键。质量低劣的光束可以造成零件报废或返修而增加成本。
  1. 激光加工光束特性参数及其评价指标
  高功率激光加工过程中,影响激光热加工的因素很多,对于激光束,其中主要是焦点功率密度、焦斑形状、光强分布和焦斑漂移等,这些参数不仅与激光输出功率有关,而且更依赖于光束模式的分布和稳定性。
  1.1激光加工光束特性参数
  按照激光光束对激光加工的影响,可以把激光加工光束特性参数分成三类:功率特性(激光功率、功率密度、连续或脉冲)、光束特性(光束模式、光束质量、异形光束)、焦点特性(焦点大小、焦点位置、焦深)。
  这些光束特性参数并不是独立的,而是相互影响的。同样功率的激光束,光束质量越好,聚焦焦点就越小,焦点的功率密度就越大。同一束激光,采用短焦距聚焦镜,可得到较小的聚焦焦点和较大的焦点功率密度,但是造成像差大,镜片加工困难,短聚焦也容易造聚焦镜污染。采用长焦距聚焦镜,可得到较大的焦斑和较长的焦深,光斑偏移对激光加工的质量影响相对较小。光束质量作为光束特性中最重要的参数之一,对光束能量分布、聚焦焦点大小、功率密度大小等重要参数有很大影响,是评价激光制造系统的关键参数,它不仅标志了激光制造系统的可加工能力,还对激光材料加工过程产生重要的影响。
  1.2光束质量
  任何旋转对称的激光束具有三个参数特点:光腰位置 Z0、光束束腰半径 ω0和远场发散角(半角)θ0。
  (1) 光束质量的特征值
  多种具有特征化的值被用于描述激光束的质量:K因子、 光束质量因子(M2)及光束参数积(BPP),这些特征值通过简单计算能相互直接转换。光束参数积是θ0和ω0的乘积,在整个激光传输区域守恒。例如,通过安装透镜或扩束镜来改变光束直径,将会影响光束的发散角。因此,光束参数积用来衡量光束聚焦能力。只有在使用像差或孔径效应的光学系统时才会影响外光路的光束参数积。
  (2) 模式 模式是激光的光场分布,对于用于材料加工的高功率CO2激光而言,通常考虑激光的横模,记为 TEMpl,TEM 表示横向电磁场,p为横模沿辐角方向的节线数目、l 为横模沿径向的节线数目,当 p=l=0 时,TEM00模光场呈高斯分布,称为基模。对于圆形孔径反射镜谐振腔,
  2、光束特性对焊接质量的影响
  2.1能量特性对焊接的影响
  激光束的能量特性包括光束的功率与功率密度、连续/脉冲输出和激光束的偏振等。对于激光焊接,普遍认为,焊接深度基本上与激光功率成线性关系。激光焊接中,起主要作用的是激光功率密度值,这是由于不同的材料都有一个临界功率密度阈值,只有激光焦点的功率密度值超过这个阈值,才能形成“小孔效应”,获得深熔焊接,因为金属材料对于波长10.6微米的CO2激光束是强烈反射的,只有形成了小孔效应,材料对激光束的吸收机理才能由金属表面吸收变为小孔吸收,提高材料对激光束的吸收率。目前对激光焊接的计算主要集中于温度场的稳态或准稳态解析解,这种方法可以获得温度场分布的近似解,随着数值计算方法的发展,有限元在模拟激光焊接结果的应用上也越来越广泛。
  文献提供了激光焊接304不锈钢时,焊接熔深与激光功率、焊接速度的理论关系,但有关焊接材料、焦距与光束质量对熔深的影响考虑的不够,限制了其应用;另外,对小孔形成机理的研究越来越深人,有关小孔的形成机理主要有两种理论,一种认为小孔主要靠液体金属的蒸发而形成的,另一种认为小孔是由于金属蒸汽的反冲压力形成的。采用脉冲激光焊接,由于后一个脉冲形成的小孔有可能除去前一个脉冲形成的气孔,在适当的脉冲参数下可减少气孔率,近年来,国内外开展了脉冲激光焊消除气孔的研究工作,但由于气孔产生机理非常复杂,目前还未取得满意的结果。
  2.2模式特性对焊接的影响
  光束的模式特性包括光束质量、光束模式以及光束的横截面能量分布。光束模式决定了聚焦焦点的能量分布,对激光加工具有重要的影响。文献研究了不同光束模式对焊接质量的影响,如图 5所示,激光束为基模时,可以获得最大的焊缝深度与深宽比,光束模式的阶次越高,激光束的能量分布越发散,焊接质量越差。文献通过实验研究了具有不同焦点光束参数积(BPP)的激光束对激光焊接质量的影响,如图6所示,光束的BPP值越大,光束质量就越差,焊缝的深宽比就越小。文献指出材料形成“小孔效应”的功率密度不仅与平均功率密度有关,而主要取决于最大功率密度,对于功率一定,半径相同的聚焦焦点,横截面能量分布不同,虽然平均功率密度相同,但最大功率密度不同,焊接质量不同。
  2.3焦点特性对焊接的影响
  光束的焦点特性包括焦点的位置、大小、焦深和发散角。激光加工中,焦点附近的光斑尺寸变化较大,不同的焦点位置将使作用在材料表面的激光功率密度变化很大,从而对焊缝质量的影响很大。文献通过实验研究了不同焦点位置对不锈钢焊接的焊缝形状的影响,当焦点为负离焦1~2mm时,焊接效果最好,负离焦比正离焦的焊接效果好。文献采用不同焦距聚焦镜进行了激光焊接实验,如图7所示,可见负离焦比正离焦更易获得较大熔深,负离焦1mm左右熔深最大(图中负值表示焦点在工件表面下方,称为负离焦)。文献通过实验也得到了类似的结果。Miyamoto和Arata等人通过研究发现焦点位置的变化将引起焊缝的突变现象,认为焦点位置的突变是由于焦点位置变化到一定的位置,到达工件表面的光束尺寸变大,功率密度下降,小于阈值功率密度,不能使材料表面蒸发。同时在不锈钢上进行了工件距透镜距离与透镜焦距的比值对焊缝熔深、熔宽以及焊缝截面积的影响的研究,结果表明负离焦的焊接效果好于正离焦。
  焦斑大小和形状影响激光焊接的焊缝宽度,而焦深主要影响焊接所应选择的材料厚度。在进行激光加工时,对于某一加工深度有着一个最佳焦距fopt和最佳聚焦直径dopt,如何匹配最佳的光束聚焦系统,是决定加工质量的好坏以及激光器是否处于最佳工作状态的重要因素,图8给出了在一定条件下,最佳聚焦角βopt为0.05rad。而
  图9表明了BPP与βopt的关系,可见,当加工速度一定时,随着BPP值的减小,最佳聚焦角也减小,还可见,BPP一定时,随着聚焦角减小,熔深增大,因此可采用较长焦距的聚焦镜,使加工条件和质量得以改善。
  总的来说,有关光束特性对激光焊接质量影响的研究已作了很多工作,但随着激光加工的发展,一些特殊材料的应用日益增多,有关光束特性对特殊材料焊接质量的影响以及光束质量与焊接质量之间的理论关系还有待于进一步研究。
  3、光束质量对激光束传输和聚焦特性的影响
  利用激光作为辐射源来解决各种问题时,通常都要使用光学系统对激光束进行传输变换。对于面向制造工业应用的高功率激光,尤其是CO2激光传输特性的研究较少。文献[27]提出了基于附加相移大功率CO2激光光束传输与聚焦理论,研究了光束质量对多模激光束传输、聚焦光束变换以及光束加工范围的影响,强调了附加相移在混合模激光束传输中对光束横截面强度分布状态的作用。由于波长的原因,YAG激光可以采用光纤进行传输,CO2激光采用镜组进行传输,这就要求CO2激光束具有良好的传输特性,以保证激光束从激光器出光口经过十几个反射镜的传输到达加工位置后的光束的模式和能量分布的稳定性。理论上,激光束的传输都是依双曲线规律从中心向外扩展,光束质量首先影响到的就是激光束的传输。图10简单表示了束腰相同,光束质量不同时激光束的传输特性。可以看出,光束质量较好时,激光束发散角小,瑞利长度长,可以传输很远而不明显发散,最大限度的利用光学系统。
  另外,在激光材料加工的实际应用中,为了获得高能量密度,都要将激光束进行聚焦。图11所示为采用同一个聚焦镜,聚焦得到的焦斑大小。可以看出,光束质量越好,得到的聚焦焦斑越小;当需要获得相同大小的焦斑时,光束质量越好,可采用的聚焦镜的焦距越长(图12)。远程激光焊接(Remote LaserWelding,RLW)的实现就是体现激光束良好的聚焦特性的一个例子。RLW 将光束聚焦到 2.5m 远的距离,通过振镜的精确转动形成扫描激光束,使激光深熔焊接过程在更大面积和更远的距离完成,这种良好的聚焦特性正是由于激光束的高光束质量决定的。
  4、光束模式的测量方法
  空间光束能量分布分析是一种测量方法,它把构成光束的所有变量合成为一目了然的图象。这个方法适用于一切激光器,而不仅仅是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烧蚀法。这个方法把未聚焦的光束引向一个丙烯酸靶块,光束能量使丙烯酸材料气化蒸发,而且焦斑轮廓与光束本身的空间能量分布成正比。材料气化形成的轮廓描述了激光束在照射丙烯酸靶块过程中(一般持续若干秒)的空间能量分布。
  尽管这个方法已广为应用,但是精度和重复精度在很大程度上依赖于操作者的技巧,还在车间里产生大量的易燃有毒蒸气,必须抽吸出去。而且,采用这个方法无法测量激光束在光路上的瞬时反应,例如可能掩盖了过程最开始时的变化。因此,模式烧蚀法最多只能算是近似描述激光光束的性能。
  在过去10年中开发出了一些效果各异的半电子诊断法,其中大多数方法试图对未聚焦的光束取样,也就是将一小部分有代表性的光束引向某种传感器,以此获得主光束的空间能量分布图。就高功率激光应用而论,取样不是采用细小空心管上的微米级小孔,就是采用细金属丝末端的小反射镜,将一小部分原始光束引向一个热电式单元素传感器,然后由这个传感器把吸收的能量转换为比例电信号。
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