能量耦合系數對激光加工過程的影響

來源:榮格激光

發布時間:2019年6月17日上午 12:06:33

激光加工是利用激光與物質相互作用的特性,將激光 束聚焦到細小的空間,利用高密度的激光能量,對 材料實施加工。因此,激光加工工藝研究的基礎是 激光與物質相互作用研究。

激光加工是利用激光與物質相互作用的特性,將激光 束聚焦到細小的空間,利用高密度的激光能量,對 材料實施加工。因此,激光加工工藝研究的基礎是 激光與物質相互作用研究。

在激光加工中,非常關注輻照到工件上的激光能量有 多大份額被工件吸收,這個份額通常被稱為能量耦合系數。 考慮到激光切割和焊接的工件大部分是金屬,本文主要介紹 金屬的能量耦合系數的相關概念、影響因素,最后討論激光 加工工藝中對能量耦合系數的利用。

一、金屬對激光的能量耦合系數

當光從空氣正入射到固體表面時,反射率 R(反射光強 與入射光強之比)可以表示為:

(1)

其中折射率 n 和消光系數 分別對應該固體復折射率的 實部和虛部。對于不透明材料,被吸收的激光能量份額由 決定, 通常稱為能量耦合系數或熱耦合系數。

由光學相關定律,對于金屬,在 假設下,有 ,其中, 是直流電導率,是 真空介電常數, 是入射光的圓頻率。這時表面反射率可近似為:

(2)

能量耦合系數為 :

(3)

圖 1 銀、銅、鋁、鎳、炭鋼的反射率隨波長的變化 圖 2 低碳鋼、鐵等金屬的能量耦合系數隨溫度的變化

可見,金屬導電性能越好,即電導率 越大,其耦合 系數越小,甚至接近于 0,即絕大部分光沒有被吸收,而是 被反射回去了。

式(3)還給出了 的關系,這是在 假設下 的關系。實際情況下耦合系數 η 隨波長 λ 的變化更復雜。 銀、銅、鋁等材料的反射率隨激光波長的變化曲線見圖 1。

由圖 1 可以看出:對一般的金屬而言,在 0.3um~10um 波段(激光加工常用光源均位于這個波段),耦合系數總體 而言是隨著波長的增大而減小。

二、工件特性對能量耦合系數的影響

前面討論材料對激光的反射和吸收是基于非常理想的情 形,然而實際情況有很大的差別。材料的溫度變化、表面狀 況及表面出現的熔化、氣化等對能量耦合系數都會帶來較大 的影響。

1、溫度的影響

(3) 式表明,金屬材料對激光的能量耦合系數 η 與其電 導率 有著深刻的內在聯系, 與溫度有關,從而導致 能量耦合系數也與溫度有關。在室溫以上相當寬的溫度變化 范圍內,金屬材料的電阻率(即電導率的倒數 )隨溫度的增加線性增加,可表示為:?

(4)

這里 為室溫 下的電阻率。據 (3) 式,對大多數金屬來說,反射率都隨溫度的升高而減小,即能量耦合系數隨溫度 的升高而增大。低碳鋼、鐵等金屬對 10.6μm 激光的能量耦合系 數隨溫度的變化曲線見圖 2。

圖 2 低碳鋼、鐵等金屬的能量耦合系數隨溫度的變化

2、表面狀況的影響

實際材料中通常含有雜質、缺陷,其表面也非理想表面, 表面涂層、表面氧化層及表面粗糙度等因素對其能量耦合 系數會有很大的影響。對金屬而言,光的反射與吸收只發 生在一非常薄的表層內,表面層對其能量耦合系數的影響 是很大的。

當金屬表面附有表面膜層時,激光入射到膜層上,產生透射、 反射,并會形成多次反射波的干涉。當膜層厚度 d 與波長 λ 滿 足一定條件時,將出現吸收峰。

表 1 材料拋光處理前后反射率的變化

能量耦合系數與材料表面的粗糙度也有很大關系。當表面 粗糙度大于入射激光波長時,光在峰-谷側壁產生多次反射, 某些條件下會形成干涉,導致強烈的吸收。當表面粗糙度小于 入射激光波長時,光線幾乎形成鏡面反射,吸收相對較小。表 1 給出了幾種金屬材料表面拋光前后反射率的變化。

3、表面熔化和氣化的影響

在激光與金屬表面相互作用的過程中,輻照處金屬的特性變化是很劇烈的。溫度從室溫升高到溶點、沸點,其電導率隨 著溫度的變化而急劇地變化。所以,金屬表面的反射率也隨著 發生急劇的變化。這種變化是很復雜的,目前從理論上尚未得 出滿意的結論。只能用典型的實驗曲線作一些定性分析。

圖 3 脈沖激光輻照過程中銀的相對反射率隨時間的變化

圖 3 是激光能量密度為 7.5×103 J/cm2 、峰值功率密度為 6×107 W/cm2 的單脈沖激光作用于銀表面時,相對反射率隨時 間的變化。圖中虛線表示激光脈沖的波形。在 ab 段, 輻照處 的溫度從室溫急劇升高,反射率快速下降。從理論上計算,b 點的溫度約為 900 ~ 1000℃,正好與銀的熔點相吻合。因此可 認為曲線中的 bc 段反射率保持不變,對應于金屬表面達到熔點 后,處于從固態變成液態的相變過程中。反射率曲線上的 cd 段, 是反射率進一步急劇下降部分。這是由于金屬表面熔化后,表 面溫度又從熔點繼續升高,并急劇地變化到沸點,所以,反射 率繼續下降。由于金屬表面氣化,金屬蒸氣大量地吸收激光輻 射能。從而使反射率急劇地降低到極小而達到 d。脈沖激光峰 值過后,由于金屬表面溫度逐漸降低,金屬反射率又重新緩慢 地升高。

三、激光加工中對能量耦合系數的利用

基于對能量耦合系數的認識,激光加工中有時會對光源或 工件做某些選擇或改變,以期獲得更好的加工效能。例如:

(1)選擇單模光纖激光器來加工高反射材料

根據圖 1,對于銅鋁,當表面比較干凈時,對 1.0um 附近激 光的反射非常強,即能量耦合系數很小。當激光器總功率有限時, 就需要使得輻照到工件表面的激光能量足夠集中,即光束質量 足夠好,才能融化輻照區域的材料,即俗語所謂“好鋼用在刀 刃上”。

對于強的反射光,要用相應的技術手段去處理,否則會破 壞光學器件。因此,適于加工高反材料的單模光纖激光器的技 術難度要遠大于同等功率的多模光纖激光器。湖南大科激光有 限公司通過對相關物理瓶頸問題的深入研究,推出的千瓦級單 模光纖激光器在加工高反射材料方面性能尤其出色。

(2)選擇合適波長的激光來加工

根據圖 1,對于某些材料,綠光或紫外波段的能量耦合系數 比 1.0um 處要高出好幾倍。這種情況下,可以考慮使用非線性 變頻晶體,將 1.0um 的激光變頻為短波激光。雖然變頻效率有限, 但考慮變頻后耦合系數的顯著提高,可能取得更好的加工效果。

(3)改變工件表面狀態以提高能量耦合系數

前文提到,表面涂層、表面氧化層及表面粗糙度等因素對 工件能量耦合系數會有很大的影響。因此,對于反射很強的工 件,可以通過涂黑漆涂層等方法改變表面狀態以提高能量耦合 系數。

另外,加工某些金屬,例如激光焊接鋁質工件的過程中, 當融化發生時,耦合系數會有顯著的提高,工藝研究時要針對 這種變化做相應處理,以取得良好的焊接效果。

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作者:江厚滿,湖南大科激光有限公司供稿

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