光束质量对激光加工的影响

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，TEM 00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；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 激光束模式对激光焊接的影响

(3) 焦点特性对焊接的影响

光束的焦点特性包括焦点的位置、大小、焦深和发散角。激光加工中，

焦点附近的光斑尺寸变化较大，不同的焦点位置将使作用在材料表面的激光功率密度变化很大，从而对焊缝质量的影响很大。文献[25]通过实验研究了不同焦点位置对不锈钢焊接的焊缝形状的影响，当焦点为负离焦1～2mm时，焊接效果最好，负离焦比正离焦的焊接效果好。文献[26]采用不同焦距聚焦镜进行了激光焊接实验，如图1.6所示，可见负离焦比正离焦更易获得较大熔深，负离焦1mm左右熔深最大（图中负值表示焦点在工件表面下方，称为负离焦）。文献[27]通过实验也得到了类似的结果。Miyamoto和Arata等人通过研究发现焦点位置的变化将引起焊缝的突变现象[28]，认为焦点位置的突变是由于焦点位置变化到一定的位置，到达工件表面的光束尺寸变大，功率密度下降，小于阈值功率密度，不能使材料表面蒸发。同时在不锈钢上进行了工件距透镜距离与透镜焦距的比值对焊缝熔深、熔宽以及焊缝截面积的影响的研究[29]，结果表明负离焦的焊接效果好于正离焦。

焦斑大小和形状影响激光焊接的焊缝宽度，而焦深主要影响焊接所应选择的材料厚度。在进行激光加工时，对于某一加工深度有着一个最佳焦距fopt和最佳聚焦直径dopt[23]，如何匹配最佳的光束聚焦系统，是决定加工质量的好坏以及激光器是否处于最佳工作状态的重要因素，图1.7给出了在一定条件下，最佳聚焦角βopt为0.05rad。而

图1.8表明了BPP与βopt的关系，可见，当加工速度一定时，随着BPP值的减小，最佳聚焦角也减小，还可见，BPP一定时，随着聚焦角减小，熔深增大，因此可采用较长焦距的聚焦镜，使加工条件和质量得以改善。

总的来说，有关光束特性对激光焊接质量影响的研究已作了很多工作，但随着激光加工的发展，一些特殊材料的应用日益增多，有关光束特性对特殊材料焊接质量的影响以及光束质量与焊接质量之间的理论关系还有待于进一步研究。

不同加工方式对激光制造系统的激光功率和光束质量的要求

参考文献

钟如涛.高功率横流CO_2激光光束特性及其对加工质量影响的研究[D].