高功率激光光束特性对激光加工的影响VIP专享VIP免费

第32卷第6期2006年11月光学技术OPTICALTECHNIQUEVol.32No.6Nov.2006文章编号:100221582(2006)0620834204高功率激光光束特性对激光加工的影响Ξ陈虹,吴世凯,张正伟,陈铠,肖荣诗,左铁钏(北京工业大学激光工程研究院,北京100022)摘要:决定光与物质相互作用的激光束的波长、入射角、偏振特性以及时间和空间特性是激光材料加工的主要光束特性。激光束的光束质量是其空间特性的量化反映。通过对两种不同激光加工系统输出激光光束质量进行测量和计算,根据多模激光束的聚焦理论,以及对激光深熔焊接实验结果的分析,研究了光束质量对深熔焊接焊缝成形的影响。结果表明,光束质量对聚焦光束的焦斑、聚焦角和焦深的影响不仅体现了激光源的可聚焦性,而且也标志了激光源的可加工能力,这是聚焦系统和焦点位置在选择过程中应该考虑的重要因素。关键词:激光加工;光束特性;光束质量;深熔焊接;聚焦系统;离焦量中图分类号:TN248文献标识码:ATheeffectoflaserbeamcharacteristicsonlaserprocessingCHENHong,WUShi-kai,ZHANGZheng-wei,CHENKai,XIAORong-shi,ZUOTie-chuan(CollegeofLaserEngineering,BeijingUniveristyofTechnology,Beijing100022,China)Abstract:Laserbeamwavelength,incidenceangle,polarizationandit’stimeandspacebehaviorarethemainfactorscon2cernedwithlasermanufacturing.Laserbeamqualityquantifiesthespacebehavior.Theeffectofbeamqualityonlaserpenetra2tionweldingbasedonthefocusingtheoryofmultimodebeamisstudiedthroughthemeasurementandcalculationthebeamquali2tyoftwodifferenthighpowerlaserprocessingsystemsandtheanalysistheresultsoflaserpenetrationweldingexperiments.Theresultsshowthatduetotheeffectoflaserbeamqualityonfocalbeamwaistradius,focalangleandfocallength,laserbeamqualitydecidesthebeamfocusingabilityandtheprocessingcapacityoflasersystem.Furthermore,beamqualityshouldbetakeintoaccountwhenselectingthefocusingsystemandthepositionoffocalpoint.Keywords:laserprocessing;beamcharacteristics;beamquality;laserwelding;focussystem;defocus1引言光与物质的相互作用同激光技术的实际应用密切相关。大多数的激光应用都要通过光与物质的相互作用这座桥梁才能实现。激光的波长、入射角、偏振特性、时间特性以及空间特性都是决定光与物质相互耦合效率的重要因素。其中光束的波长、入射角、偏振特性主要决定了材料对激光的吸收率,时间特性表明了光与物质相互作用的方式,空间特性决定了激光束的可聚焦性、材料加工所能获得的激光束的功率密度以及最终获得的加工质量。2光束特性(1)波长。对金属及其合金而言,激光束的波长越短,吸收率越高。由于YAG激光的波长是CO2激光波长的1/10,所以一般材料对YAG激光的吸收率均高于对CO2激光的吸收率。但这种吸收率的差异只在初始激光作用的瞬间起决定作用,这时“小孔”并没有形成,不存在激光在小孔壁上多次反射导致的吸收率的增强。事实上,当“小孔”出现后,无论是YAG激光,还是CO2激光,材料对激光束的吸收率都可达到90%以上,波长对吸收率的影响可以忽略。因此YAG激光主要局限于薄壳结构的连接,CO2激光还是焊接厚板的主要手段。激光的波长除了影响材料对激光的吸收率以外,它还影响到激光深熔焊接过程的等离子体的形成。由于金属蒸气对激光的吸收率与激光波长的平方成正比,所以YAG激光诱导金属蒸气击穿形成等离子体的临界功率密度比CO2激光高两个数量级。当采用CO2激光焊接时,光致等离子体的阈值功率密度约为106W/cm2;当采用YAG激光焊接时,其值约为108W/cm2。所以在YAG激光深熔焊接过程中几乎不产生等离子体[1]。(2)入射角。激光束的入射角对吸收率的影响是不能忽视的,入射光的轴线方向与工件表面法线方向的夹角为激光束的入射角。在实际应用中,通常采取激光束垂直入射到工件表面的方式(入射角为0°),这种入射方式虽然给不规则曲面的激光加438Ξ收稿日期:2006202214E2mail:yangwellhong@emails.bjut.edu.cn作者简介:陈虹(1977-),女,北京工业大学激光工程研究院博士研究生,主要从事激光应用方面的研究。工...