材料在激光加工过程中的反应和激光加工原理

 

材料在激光加工过程中的反应和激光加工原理

原理:将一定功率激光束聚焦于被加工物体上,使激光于物质互相作用。

材料对激光的吸收,材料的加热,材料的熔化和气化,激光等离子体屏蔽现象

激光持续作用:热吸收过程,冲击强化过程,表面融化过程,熔池表面气化产生屏蔽现象,复合过程

1.材料对激光的吸收:激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收,透过材料内部的光能主要对材料起加热作用。
金属对激光的吸收还与温度、表面粗糙度、有无涂层、激光的偏振特性等诸多因素有关。金属与激光相互作用过程中,光斑处温度上升,引起熔化、沸腾和汽化的现象,导致电导率改变,会使得反射率发生很复杂的变化。

2。材料的加热:材料的加热是光能转变为热能的过程。激光对各种金属的穿透深度在10-100nm的数量级。

3.材料的熔化和气化:
材料破坏过程:激光照射引起的材料破坏过程是由于靶材在高功率激光照射下表面达到熔化和气化温度,使材料气化蒸发或熔融溅出,同时靶材内部的微裂纹与缺陷由于受到材料熔凝和其它场强变化而进一步扩展,从而导致周围材料的疲劳和破坏的动力学过程。
功率密度影响:激光功率密度过高,材料在表面气化,不在深层熔化;激光功率密度过低,则能量会扩散到较大的体积内,使焦点处熔化的深度很小。
爆炸性的气化:一般情况下,被加工材料的去除是以蒸汽和熔融状两种形式实现的。如果功率密度过高而且脉冲宽度很窄时,材料会局部过热,引起爆炸性的气化,此时材料完全以气化方式去除,几乎不会出现熔融状态。
金属与非金属:一般地说,非金属的反射率很低,而导热性也很低,因而进入非金属材料内部的激光能量就比金属多得多,热影响区却要小。因此,非金属受激光高功率照射的热动力学过程与金属十分不同。实际激光加工时有脉冲和连续两种工作方式,他们要求的激光输出功率和脉冲特性也不尽相同。

4.激光等离子体屏蔽现象:
定义:激光作用于靶表面,引发蒸汽继续吸收激光能量,使温度升高,最后在靶表面产生高温度密度的等离子体。这种等离子向外迅速膨胀,在膨胀过程中等离子继续吸收入射激光,无形之中等离子体阻止了激光达到靶面,切断了激光与靶的能量耦合。
等离子体屏蔽现象的研究是激光与材料相互作用过程研究的重要方面之一。
等离子体对激光的屏蔽机制有三种:
1)吸收:逆韧致辐射是等离子体吸收主要机制。
2)散射:等离子体对激光的散射是由蒸汽发原子的重聚形成的超细胞微粒的尺寸与气体压力有关,其平均大小可达80nm,远小于入射光的波长。超细胞微粒引起的瑞利散射是等离子体对激光屏蔽又一个原因。
3)光致等离子体空间分布的不均匀导致折射率变化,从而使激光穿过等离子体出现散焦现象,使光斑扩大,功率密度降低。


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