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解讀激光光束特性對激光加工質(zhì)量的影響

信息來(lái)源于:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布于:2022-03-28

  激光加工過(guò)程首先是一個(gè)熱變化過(guò)程,激光器發(fā)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(guò)程高度依賴(lài)于材料所能吸收的能量。加工過(guò)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(guò)程的成功關(guān)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(fā)生焦斑漂移。如果進(jìn)行高速焊接,不良光束結構可以引起焊縫不良的問(wèn)題。在激光切割中,光束的質(zhì)量和聚焦能力對切口本身的質(zhì)量非常關(guān)鍵。質(zhì)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(jià)指標
  高功率激光加工過(guò)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(diǎn)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(guān),而且更依賴(lài)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(lèi):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(zhì)量、異形光束)、焦點(diǎn)特性(焦點(diǎn)大小、焦點(diǎn)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(zhì)量越好,聚焦焦點(diǎn)就越小,焦點(diǎn)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(diǎn)和較大的焦點(diǎn)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(cháng)焦距聚焦鏡,可得到較大的焦斑和較長(cháng)的焦深,光斑偏移對激光加工的質(zhì)量影響相對較小。光束質(zhì)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(diǎn)大小、功率密度大小等重要參數有很大影響,是評價(jià)激光制造系統的關(guān)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(guò)程產(chǎn)生重要的影響。
  1.2光束質(zhì)量
  任何旋轉對稱(chēng)的激光束具有三個(gè)參數特點(diǎn):光腰位置 Z0、光束束腰半徑 ω0和遠場(chǎng)發(fā)散角(半角)θ0。
  (1) 光束質(zhì)量的特征值
  多種具有特征化的值被用于描述激光束的質(zhì)量:K因子、 光束質(zhì)量因子(M2)及光束參數積(BPP),這些特征值通過(guò)簡(jiǎn)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(gè)激光傳輸區域守恒。例如,通過(guò)安裝透鏡或擴束鏡來(lái)改變光束直徑,將會(huì )影響光束的發(fā)散角。因此,光束參數積用來(lái)衡量光束聚焦能力。只有在使用像差或孔徑效應的光學(xué)系統時(shí)才會(huì )影響外光路的光束參數積。
  (2) 模式 模式是激光的光場(chǎng)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(chǎng),p為橫模沿輻角方向的節線(xiàn)數目、l 為橫模沿徑向的節線(xiàn)數目,當 p=l=0 時(shí),TEM00模光場(chǎng)呈高斯分布,稱(chēng)為基模。對于圓形孔徑反射鏡諧振腔,
  2、光束特性對焊接質(zhì)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(xiàn)性關(guān)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(gè)臨界功率密度閾值,只有激光焦點(diǎn)的功率密度值超過(guò)這個(gè)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(cháng)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?yōu)樾】孜?,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?chǎng)的穩態(tài)或準穩態(tài)解析解,這種方法可以獲得溫度場(chǎng)分布的近似解,隨著(zhù)數值計算方法的發(fā)展,有限元在模擬激光焊接結果的應用上也越來(lái)越廣泛。
  文獻提供了激光焊接304不銹鋼時(shí),焊接熔深與激光功率、焊接速度的理論關(guān)系,但有關(guān)焊接材料、焦距與光束質(zhì)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(lái)越深人,有關(guān)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(fā)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(gè)脈沖形成的小孔有可能除去前一個(gè)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(lái),國內外開(kāi)展了脈沖激光焊消除氣孔的研究工作,但由于氣孔產(chǎn)生機理非常復雜,目前還未取得滿(mǎn)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(zhì)量、光束模式以及光束的橫截面能量分布。光束模式?jīng)Q定了聚焦焦點(diǎn)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(zhì)量的影響,如圖 5所示,激光束為基模時(shí),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(fā)散,焊接質(zhì)量越差。文獻通過(guò)實(shí)驗研究了具有不同焦點(diǎn)光束參數積(BPP)的激光束對激光焊接質(zhì)量的影響,如圖6所示,光束的BPP值越大,光束質(zhì)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(guān),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(diǎn),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(zhì)量不同。
  2.3焦點(diǎn)特性對焊接的影響
  光束的焦點(diǎn)特性包括焦點(diǎn)的位置、大小、焦深和發(fā)散角。激光加工中,焦點(diǎn)附近的光斑尺寸變化較大,不同的焦點(diǎn)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(zhì)量的影響很大。文獻通過(guò)實(shí)驗研究了不同焦點(diǎn)位置對不銹鋼焊接的焊縫形狀的影響,當焦點(diǎn)為負離焦1~2mm時(shí),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(jìn)行了激光焊接實(shí)驗,如圖7所示,可見(jiàn)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(diǎn)在工件表面下方,稱(chēng)為負離焦)。文獻通過(guò)實(shí)驗也得到了類(lèi)似的結果。Miyamoto和Arata等人通過(guò)研究發(fā)現焦點(diǎn)位置的變化將引起焊縫的突變現象,認為焦點(diǎn)位置的突變是由于焦點(diǎn)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(fā)。同時(shí)在不銹鋼上進(jìn)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(jìn)行激光加工時(shí),對于某一加工深度有著(zhù)一個(gè)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(zhì)量的好壞以及激光器是否處于最佳工作狀態(tài)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(guān)系,可見(jiàn),當加工速度一定時(shí),隨著(zhù)BPP值的減小,最佳聚焦角也減小,還可見(jiàn),BPP一定時(shí),隨著(zhù)聚焦角減小,熔深增大,因此可采用較長(cháng)焦距的聚焦鏡,使加工條件和質(zhì)量得以改善。
  總的來(lái)說(shuō),有關(guān)光束特性對激光焊接質(zhì)量影響的研究已作了很多工作,但隨著(zhù)激光加工的發(fā)展,一些特殊材料的應用日益增多,有關(guān)光束特性對特殊材料焊接質(zhì)量的影響以及光束質(zhì)量與焊接質(zhì)量之間的理論關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。
  3、光束質(zhì)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(lái)解決各種問(wèn)題時(shí),通常都要使用光學(xué)系統對激光束進(jìn)行傳輸變換。對于面向制造工業(yè)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(zhì)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(tài)的作用。由于波長(cháng)的原因,YAG激光可以采用光纖進(jìn)行傳輸,CO2激光采用鏡組進(jìn)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(jīng)過(guò)十幾個(gè)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(xiàn)規律從中心向外擴展,光束質(zhì)量首先影響到的就是激光束的傳輸。圖10簡(jiǎn)單表示了束腰相同,光束質(zhì)量不同時(shí)激光束的傳輸特性??梢钥闯?,光束質(zhì)量較好時(shí),激光束發(fā)散角小,瑞利長(cháng)度長(cháng),可以傳輸很遠而不明顯發(fā)散,最大限度的利用光學(xué)系統。
  另外,在激光材料加工的實(shí)際應用中,為了獲得高能量密度,都要將激光束進(jìn)行聚焦。圖11所示為采用同一個(gè)聚焦鏡,聚焦得到的焦斑大小??梢钥闯?,光束質(zhì)量越好,得到的聚焦焦斑越??;當需要獲得相同大小的焦斑時(shí),光束質(zhì)量越好,可采用的聚焦鏡的焦距越長(cháng)(圖12)。遠程激光焊接(Remote LaserWelding,RLW)的實(shí)現就是體現激光束良好的聚焦特性的一個(gè)例子。RLW 將光束聚焦到 2.5m 遠的距離,通過(guò)振鏡的精確轉動(dòng)形成掃描激光束,使激光深熔焊接過(guò)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(zhì)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(gè)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(gè)方法把未聚焦的光束引向一個(gè)丙烯酸靶塊,光束能量使丙烯酸材料氣化蒸發(fā),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(guò)程中(一般持續若干秒)的空間能量分布。
  盡管這個(gè)方法已廣為應用,但是精度和重復精度在很大程度上依賴(lài)于操作者的技巧,還在車(chē)間里產(chǎn)生大量的易燃有毒蒸氣,必須抽吸出去。而且,采用這個(gè)方法無(wú)法測量激光束在光路上的瞬時(shí)反應,例如可能掩蓋了過(guò)程最開(kāi)始時(shí)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(guò)去10年中開(kāi)發(fā)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(gè)熱電式單元素傳感器,然后由這個(gè)傳感器把吸收的能量轉換為比例電信號。
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