激光加工与材料作用引起的物态变化





金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工,激光辐照材料表面时,在不同的功率密度下,材料表面区域将发生各种不同的变化。这些变化包括表面温度升高、熔化、汽化、形成匙孔以及产生光致等离子体等。而且,材料表面区域物理状态的变化极大的影响材料对激光的吸收。
激光功率密度较低、辐照时间较短时,金属吸收的激光能量只能引起材料由表及里温度升高,但维持固相不变。只要用于零件退火和相变硬化处理。
随着激光功率的提高和辐照时间的加长,材料表层逐渐熔化,随输入能量增加,液-固相分界逐渐向材料深部移动。这种物理过程主要用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接。
进一步提高功率密度和加长作用时间,材料表面不仅熔化,而且汽化,汽化吴聚集在材料表面附件并微弱的电离形成等离子体,这种稀薄等离子体有助于材料对激光的吸收。在汽化膨胀压力下,液态表面变形,形成凹坑。这一阶段可以用于激光焊接。

激光加工
再进一步提高功率密度和加长辐照时间,材料表面强烈汽化,形成较高电离度的等离子体,这种致密的等离子体可逆着光束入射方向传输,对激光有屏蔽作用,大大降低激光入射到材料内部的能量密度。在较大的蒸气反作用力下,熔化的金属内部形成小孔,通常称之为匙孔,匙孔的存在有利于材料对激光吸收。这一阶段可用于激光深熔焊接、切割和打孔、冲击硬化等。
不同条件下,不同波长激光照射不同金属材料,每一阶段的功率密度的具体数值会存在一定的差异。
就材料对激光的吸收而言,材料的汽化是一个分界线。当材料没有发生汽化时,不论处于固相还是液相,其对激光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化;而一旦材料出现汽化并形成等离子体和匙孔,材料对激光的吸收则会突然发生变化。
激光加工的物理基础是激光与物质的相互作用,这是一个极为广泛的概念,既包括复杂的围观量子过程,也包括激光作用与各种介质材料所发生的宏观现象,如激光的反射、吸收、折射、偏振、光电效应、气体击穿等。

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