激光与材料相互作用课件.ppt

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1、激光与材料相互作用基础激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用。是一个极为广泛的概念，既包括复杂的微观量子过程，也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象（激光的反射、吸收、折射、衍射、干涉偏振、光电效应、气体击穿等）。一、激光与材料相互作用的物理过程1．能量变化过程激光与材料相互作用时，两者的能量转化遵守能量守恒定律E0=E反射+E吸收+E透过E0—入射到材料表面的激光能量；E反射—被材料反射的能量；E吸收—被材料吸收的能量；E透过—激光透过材料后仍保留的能量。上式可转化为：1=E反射/E0+E吸收/E0+E透过/E0即：1=R++T其中：R—

2、反射系数;—吸收系数;T—透射系数当材料对激光为不透明时E透过=0，则1=R+激光入射到距离材料表面X处的激光强度为：（布格定律）表明：1、随激光入射到材料内部深度的增加，激光的强度将以几何级数减弱；2、激光通过厚度为1/的物质后，激光的强度减少1/e，说明材料对激光的吸收能力应归结为吸收系数的大小。2、激光与材料相互作用引起的物态变化激光与材料相互作用过程中，材料将吸收光获得能量，获得的能量可以转化成热能、电能、化学能、不同波长的光能。影响因素主要包括：激光的波长、能量密度、材料的特性及作用时间等因素。激光照射下，随着材料对激光吸收的增加，作

3、用区材料温度升高，当E入=E出时，作用区的温度才能保持不变。材料温度变化的特征：（1）相同作用时间下，能量差（E入-E出）越大，升温速度越快；（2）光束波长短，吸收率高，升温速度快；（3）相同能量差的条件下，材料的比热越小，作用区的温度越高；（4）相同照射条件，材料导热系数越小，作用区与邻近区的温度梯度越大。材料在激光作用下的不同状态a)固态加热b)表层熔化c)表层熔化，形成增强吸收等离子体云d)形成小孔及阻隔激光的等离子体云温度升高---熔化----汽化-----形成小孔、等离子体熔化金属激光束激光束激光束激光束熔池稀薄等离子体致密等离子体熔池激光

4、与材料相互作用下的物态变化：相变态液态气态等离子态3、材料对激光能量的吸收影响吸收率的因素：—激光的波长：波长短，吸收率高；—导电性：导电性好，吸收率低（Al、Cu、Au、Ag）；—表面粗糙度和涂层（氧化锆、氧化钛、石墨及磷酸盐）；—材料的温度：温度越高，吸收率越高，这与材料的直流电阻率有关.ABCDEA.银B.铜C.铝D.镍E.碳钢1.00.80.60.40.20.00.20.40.61.024681020波长，μm反射率温度对吸收率的影响金属汽化，形成匙孔金属蒸汽以及保护气体一部分起始自由电子被加速碰撞蒸汽粒子和保护气体使其电离电子密度便雪

5、崩式增长形成致密等离子体二、等离子体行为1、等离子体的形成等离子体吸收的光能可通过以下不同渠道传至工件：等离子体与工件接触面的热传导等离子体辐射易为金属材料吸收的短波场光波材料蒸汽在等离子体压力下返回凝聚于工件表面。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成的工件接收光能的损失，则增强工件对激光能量的吸收。反之，减弱工件对激光的吸收。2、激光维持吸收波较强的激光束辐照于工件表面，使得金属蒸汽或工件表面附近的环境气体发生电离以致击穿，形成一个激光吸收区。等离子体的一部分能量将以辐射方式耗散，被凝聚态材料或周围气体介质所吸收。这种吸收激光的气体或等

6、离子体的传播运动，通常称为激光维持吸收波。主要的激光吸收区最终是在环境气体中形成。1700W1800W1900W激光维持燃烧波对焊缝成形的影响3、等离子体的周期性等离子体喷发出匙孔形成羽状等离子云羽状等离子云吸收光束能量匙孔内光束能量减少，等离子体的产生作用减弱，同时匙孔熔深减小羽状等离子云逐渐消散匙孔内光束能量增加，等离子体的产生作用增加，同时匙孔熔深增大。4、等离子体在能量传输中的作用等离子体位于熔池上方的激光传输通道上，它对激光会产生反射、散射以及吸收，还会对激光产生负透镜效应。1、致密的光致等离子体通过吸收和散射入射光，影响了激光的能量传输效

7、率，大大减少了到达工件的激光能量密度，导致熔深变浅；2、由于等离子体对入射激光的折射，使得激光通过等离子时波前发生畸变，改变了激光能量在工件上的作用区。激光束等离子体工件1）等离子体对激光的折射等离子体的基本构成是正离子、自由电子和中性原子，整体上呈电中性。等离子体振荡是等离子体的最基本特点，其振荡频率为：等离子体中电子密度，真空介电常数电子质量，电子电量。当角频率为的激光在等离子体中传播时，光速和波长发生变化，而其角频率不变，其频率和波数满足色散关系：等离子体频率；在等离子体中传播的激光角频率；波数()真空中的传播速度相应电磁波可以在等离子体中传播

8、相应电磁波不能进入等离子体中传播实验室及一般工业加工条件下，等离子体电子密度处于范围，相应的数量级处于Hz范