光束质量对激光加工的影响

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1、高功率CO2激光光束参数：1、能量特性（激光束功率及功率密度偏振特性、连续/脉冲）2、光束模式（光束质量、异形光束、模式特性）3、焦点特性（焦点位置、焦点大小、焦深）光束质量对激光加工的影响高功率激光在切割、焊接、表面熔覆与合金化、表面热处理、新材料制备等方面得到了广泛应用，其光束特性是影响激光加工质量最重要的因素之一。重点介绍影响激光加工质量的光束特性参数和光束质量的评价指标，系统地概括光束特性对加工质量的影响。1.1激光加工光束特性参数及其评价指标高功率CO2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

2、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。1.1.1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按图1.1所示形式进行分类[1]。图1.1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。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

3、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(2M)及光束参数积（BPP）[2][3]，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

4、功率激光而言，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，模式花样及其光场分布如图1.3所示。a、模式花样b、光场分布1.2.1光束特性对焊接质量的影响(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[7][8]。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

5、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[9]，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[10][11][12]，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[13]。文献[14]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

6、；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[15][16][17][18]，另一种认为小孔是由于金属蒸汽的反冲压力形成的[19][20]。采用脉冲CO2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[21]，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)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

7、的影响。文献[22]研究了不同光束模式对焊接质量的影响，如图1.4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[23]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1.5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[24]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。图1.4激光束模式对激光