自动不锈钢激光焊接机械设备

负透镜效应明显，相比而言He气的保护效果好一些。

(4)保护气体流量。一定范围内增加气体流量，可以吹散熔池上方的等离子云，从而减小等离子体的负透镜效应。

(5)被焊材料。当被焊材料熔点低又易电离时，等离子体中的电子数密度增加，导致负透镜效应显着增加。2．等离子体对不锈钢激光焊接机的散射与吸收

等离子体对不锈钢激光焊接机散射的机理比较复杂，散射损失的定量分析目前尚难做到。有关文献已证实[20]，散射是由于等离子体形成时金属蒸气原子凝聚后形成的超细微粒子(ultra fine particles, UFP)所致o UFP的尺寸与气体压力有关，其平均大小可达80nm，远远低于入射不锈钢激光焊接机的波长。由UFP导致的瑞利散射，其散射强度由下列方程决定

！盛一27l V2 e-兰Q 2（1+ cos2拳）    (4-31)

10    T2A4eo式中，J鼢为散射光强度，I0为入射光强度，V为粒子体积，，．为粒子之间距离，声为散射角，e为粒子介电常数，￡o为真空介电常数，又为入射不锈钢激光焊接机的波长。

空间随机分布的多个粒子引起的瑞利散射损失，折算成吸收损失时的等效吸收系数可表示为

8X3NV2．(鼬2    (4-32)

asca -一’3叉4    ￡o式中，N为UFP的总粒子数密度。可见，敬射损失反比例于波长的4次方，对于同样尺寸的切叩，不锈钢激光焊接机波长越短，越易被散射o YAG不锈钢激光焊接机波长较短，焊接时不易形成等离子体，不锈钢激光焊接机能量的吸收损失较少，但UFP所致的散射损失不可忽略。

不锈钢激光焊接机焊接过程中位于工件上方和匙孔内部的等离子体都会吸收入射不锈钢激光焊接机的能量，等离子体是通过多重机制吸收不锈钢激光焊接机能量，使温度升高、电离度增大。吸收机制可分为正常吸收与反常吸收两大类【18~剐。

正常吸收就是通常所说的逆轫致吸收（inverse bremsstrahlung, IB），是指处在不锈钢激光焊接机电场中的电子被激励发生高频振荡，并且以一定概率与粒子（主要为离子）相互碰撞，把能量交给比较重的粒子（离子、原子），从而使等离子体升温的过程。逆轫致吸收又分为线性（电子速度分布为麦克斯韦分布）和非线性（电子速度分布函数与电场有关）两类，非线性情况发生在极高不锈钢激光焊接机电场场合。

反常吸收是指通过多重非碰撞机制，使不锈钢激光焊接机能量转化为等离子体波能的过程。这些波所携带的能量，通过各种耗散机制转化为等离子热能。反常吸收分为共振吸收和多重非线性参量不稳定性吸收两类。

等离子体主要通过逆轫致辐射吸收不锈钢激光焊接机能量，逆轫致吸收是由电子一离子碰撞引起的，简言之，就是在不锈钢激光焊接机高频电场申振荡的电子由于和离子碰撞失去规则的

运动，其速度可达每秒几千米至上百千米，等离子体温度为lOeV至几十电子伏。

发生不锈钢激光焊接机维持燃烧波或不锈钢激光焊接机维持爆发波现象，与不锈钢激光焊接机功率密度范围相对应。材料表面汽化较强时，金属蒸气部分电离、加热，进而通过热辐射使前方冷空，C也发生加热和电离，形成不锈钢激光焊接机维持燃烧波，这时仍有部分不锈钢激光焊接机通过等离子体区入射到工件表面，工件附近等离子体的辐射有助十增强不锈钢激光焊接机与材料的热耦合，随着等离子体逆着光束方向离去，这种耦合受到削弱，逐渐形成对材料的屏蔽。光强继续增大，不锈钢激光焊接机维持燃烧波吸收区运动加快，吸收加强，直至与前方冲击波汇合，形成不锈钢激光焊接机维持爆发波，构成对入射不锈钢激光焊接机的完全吸收。选择适当的环境气体及光束聚焦透镜，可以缩短不锈钢激光焊接机维持爆发波的寿命，提高不锈钢激光焊接机与材料之间的耦合效率。．．．．．．-I等离子体在能量传输中的作用

不锈钢激光焊接机焊接产生的等离子体位于熔池上方的不锈钢激光焊接机传输通道上，等离子体独特的物理性质决定了它对不锈钢激光焊接机会产生折射、散射以及吸收。致密的光致等离子体对入射不锈钢激光焊接机具有显着的J并蔽作用，一方面，敛密的光致等离子体通过吸收和散射入射光，x/口向了不锈钢激光焊接机的能量传输效率，大大减少了到达工件的不锈钢激光焊接机能量密度，导致熔深变浅；另一方面，由于等离子体对入射不锈钢激光焊接机酌折射，使得不锈钢激光焊接机通过等离子时波前发生畸变，改变了不锈钢激光焊接机能量在工件上的作用区，影响焊缝成形，严重时，等离子体的屏蔽使得焊接无法进行。

多年来，人们通过测量等离子体温度或者电子密度，对等离子体行为进行了大量的研3芒c8~15l o起初普遍认为这种屏蔽是由于深熔焊接中的光致等离子体吸收

不锈钢激光焊接机能量致使工件表面能量密度小于深熔

不锈钢激光焊接机束    焊阈值所致。后来研究发现，等离子体对激

光的吸收并不是屏蔽的主要原因，等离子体

-…带“    对不锈钢激光焊接机束的折射行为才是引起等离子体屏

蔽的主要原因【16—20]o

：

由于电子密度的不均匀性，等离子体具

有异常折射率性质，使得入射不锈钢激光焊接机发散，导

工件敏实际聚焦位置比正常聚焦位置偏下，如

燃燃燧赋戳黼懋鲤润黼黼麟幽    图4-9所示。通过光谱分析和理论估算，得

出在不锈钢激光焊接机深熔焊中，等离体对不锈钢激光焊接机折射作用

图4-9  等离子体对不锈钢激光焊接机的折射作用

大大降低了耦合到工件表面能量的密度，因此，有人把等离子体形象地描述为一个负透镜，而等离子体对不锈钢激光焊接机的折射作用则被称之为负透镜效应。

1．等离子体对不锈钢激光焊接机的折射

通过等离子体的振荡特性与色散关系，可以近似求出等离子体对不锈钢激光焊接机的折射率。

等离子体的基本构成是正离子、自由电子和中性原子，整体上呈电中性。等离子体振荡是等离子体的较基本特点，其振荡频率为[21,22】

∞畔=（鬟）l／2    c㈣式中，Ne为等离子体中电子密度，eo为真空介电常数，me为电子质量，P为电子电量。等离子体主要有两种振荡形式，即等离子体的电子振荡和离子振荡，两者仅由电子、离子的密度及其质量所决定。因为电子质量仅为离子的10-4倍，故电子振荡频率远比离子高很多，通常只考虑前者。

当角频率为∞的不锈钢激光焊接机在等离子体中传播时，光速和波长会发生变化，但其角频率Ⅲ不变，频率叫和波数走（k = 2兀／又）满足色散关系

∞2=∞乙+ c2k2    (4- 20)式中，∞弘为等离子体频率，∞为在等离子体中传播的不锈钢激光焊接机角频率，足为波数，c为真空中的传播速度(3．O×lOlOcm/s)o

式(4-19)和式(4-20)表明，当等离子体的电子密度增大时，等离子体振荡频率越来越大，而不锈钢激光焊接机波数惫越来越小，不锈钢激光焊接机波长则趋于无穷。当∞肚=叫时，不锈钢激光焊接机波数足趋于零，不锈钢激光焊接机不再向前传播而发生反射，此时的等离子体电子密度称为临界电子密度。其定义为

Nec=鱼卫生型2

e2    (4-21)

对于波长为又= 10.6tim的工业C()I不锈钢激光焊接机，其角频率为叫=1.78×1014Hz，临界电子密度为

Nec=1.1×1021／又2=0.98×1019CT11—3

不锈钢激光焊接机在等离子体中传播的群速度口g和相速度口p分别表示为

accJc(1一∞冬／a)2)1／2vg=孑忌

∞    f／(1一∞乙／(02)1/2由式(4-22)和式(4-23)可以看出，当∞>CD pe时，秒p与口g均为实数，说明相应电磁波可以在等离子体中传播；当∞<∞阵时，秒p与vg均为虚数，说明相应电磁波不能进入等离子体中传播，这与临界电子密度判据是一致的。实验室及一般工业加工条件下，等离子体电子密度大致处于1018～1020 Cfll-3范围，相应的∞pe数量级处于1010—1011Hz范围，对于工业C02不锈钢激光焊接机，通常不会出现不锈钢激光焊接机被等离子体全部反射的情况。

不锈钢激光焊接机在等离子体中传播的色散关系可用下式来表示

式中，力即为等离子体折射率。可见，等离子体的折射率与等离子体的振荡频率有关，而等离子体的振荡频率是等离子体电子密度的函数。由式(4-24)可知，可以传播不锈钢激光焊接机的等离子体总满足∞> 00熙，此时等离子体折射率小于1，这说明它是比真空还光疏的介质。所以不锈钢激光焊接机束从空气入射到等离子体中的过程，是从光密介质进入光疏介质的过程，折射结果使聚焦性变差，对光束起发散作用。不锈钢激光焊接机从折射率大的区域向折射率小的区域传播时，光束会发散，表现为负透镜效应。

通常，部分电离的等离子体中包含有自由电子、离子和中性原子等，它的折射率符合叠加原理（Gladstone-Dale公式）f l8】

以一1=∑KiNi    (4-25)式中，行为混合等离子体折射率，Ki为单独组分的Gladstone-Dale常数，Ni为单独组分的密度。

按照统计力学观点，等离子体平衡状态是由其内部各种微观过程。例如，粒子弹性碰撞、粒子激发和去激发、解离和去解离、电离和复合、粒子对光子吸收和辐射等确定。当电子碰撞效应成为这些过程的主导因素时，对各激发态和电离态存在一定的平衡关系，称这种平衡状态为局部热力学平衡(LTE)o

不锈钢激光焊接机等离子体的特性可以用局部热力学平衡理论来措述，处于局部热力学平衡的等离子体，其电离程度可根据萨哈( Saha)方程计算。根据等离子体的有关热力学方程（准中性方程、分压定律、压力方程）和一次电离、二次电离的萨哈方程可以求解各组分的密度。

准中性方程

Ne=Ni+2N2    (4-26)

分压定律

N．= Na+2N1+3N2    (4-27)压力方程

N    一旦

Nt=足丁式中，N。为总密度，P为压强，志为玻尔兹曼常量（1.38×10- 23J/K）．Ni为一次电离的离子密度，N2为二次电离的离子密度，Na为原子密度，Zo.Zi、22分别为原子、一次电离原子、二次电离原子的状态和，Ei叽l、E越分别为某元素发生一次、二次电离时的电离能，，|为普朗克常量(6.62×IO - 34J．S)o

如果按常压处理，代入有关常数后，即可求出不同温度时的Na、N1. Ne和N．等，代入式(4-25)中即可求出等离子体对不锈钢激光焊接机的折射率。由此可以看出，等离子体对不锈钢激光焊接机的折射是粒子密度和温度的函数。

实际上，光致等离子体中的电子密度并非呈均匀分布，而是存在很大的电子密度梯度，等离子体边缘部分电子密度小，折射率相对较高，随着与工件距离的接近，等离子体的电子密度逐渐增大，折射率随之减小。入射不锈钢激光焊接机柬穿过等离子体时引起不锈钢激光焊接机束传播方向的改变，其偏转角与等离子体的电子密度梯度和等离子体长度有关，几千瓦至十几千瓦OQ不锈钢激光焊接机诱导的等离子体对不锈钢激光焊接机束的偏转角为10-2 rad数量级【16]o

根据分压定律，压力方程，准中性方程，萨哈方程以及Gladstone-Dale公式，计算出的几种不同含量情况下的Fe-Ar、Fe-He混合等离子体折射率随温度的变化曲线见图4-10、图4-110由这两个图可以看出，混合等离子体的折射率均小于10 Fe蒸气含量越多，混合等离子体的折射率越小，在成分比例相同的情况下，Fe-Ar混合等离子体的折射率比Fe-He的小。图4-10 Fe-Ar混合等离子体折射率与

温度的关系(1atm(D)图4-11  Fe-He泥合等离子体折射率与

温度的关系（latmcD）

从以上分析不难看出，下面几个因素主要影响等离子体对不锈钢激光焊接机的折射率和负透镜效应：

(l)不锈钢激光焊接机功率密度。功率密度越高，等离子体的温度就越高，则等离子体中的电子密度越大，其折射率就越小，负透镜效应增强。

(2)不锈钢激光焊接机波长。波长与角频率存在如下关系叫- 2兀c/A（c为光速，A为波长），不锈钢激光焊接机波长越大，其角频率越小，折射率越小，负透镜效应明显。

    (3)保护气体种类。相同温度下，心气电离程度较大，电子密度较大，折射率CD latm = 1.01325 x 105Pao