激光与靶材作用成孔研究现状

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关于激光与靶材作用成孔方面的研究，大致可以分为三种阶段：一是人们通过实验来观察小孔的形貌，但不能得到小孔中的能量吸收情况。二是人们对激光的加工过程还不够了解的情况下，人们建立起了诸多的热源模型来描述激光的热效应。三是在计算机和各种软件的高速发展背景下，人们通过建立模型来对小孔中的复杂过程进行分析计算。87514

第一阶段：实验是一种很好地理解激光深熔烧蚀成孔过程的方法。不过，在试验中，我们只能够观察激光加工过程中小孔的相关形貌，不能完整的了解小孔中的菲涅尔吸收的问题。

Gao[1]使用同轴相机能够测量小孔直径，Braun[2]实现相机在光学检测的过程中进行监控，结果值直径略大于入射电子束直径。不幸的是这些实验不能告诉任何关于小孔形状下表面的状况。另外还提出了一种“三明治”的理论[3]，使用薄金属板之间夹透明材料观察金属镶嵌的过程。问题是小孔孔的不同的行为和溶池由于改变了材料参数的影响，例如热传导，热应力等。还必须考虑到不同的材料参数对金属焊接过程的影响。Katayama[4]和Abt使用的方法显示锁孔形状但所需的精度没有达到。

为了改善激光深熔焊接过程中小孔的稳定性, W。Gref [5]等人研究了双光束焊接时两个光斑之间的距离分布对功率密度分布的影响，以及对焊缝熔融深度和焊缝质量的影响。研究表明采用双光束可以改善小孔的稳定性 , 促进激光能量与材料的耦合, 并减少气孔的出现。论文网

J。Milewski[6]等人开发了一个他们称之为超窄间隙变化的激光焊接过程。这个过程可以利用焊接接头与顶面差距开口为毫米量级或者更小从而产生高纵横比的小孔。在图2中我们可以看到一束入射光进入一个锥形小孔。它轰击在孔壁上，经过连续多次反射和传播，被吸收了一部分能量。我们注意到，当反射光线传播到V型槽时，它的频率变快了。还要注意入射角的深度变化对小孔质量的影响。入射角增加到一定值时,传播方向逆转,光线开始射出小孔。他们依靠一个简单的基于几何光学的计算机模型来描述这种影响并提供理解选择优化焊接进度开发的关键参数的值。这种技术的原理是依赖于小孔是作为一个光学元件来设计的,小孔的参数选择是基于激光的光学特性。小孔,是一种非图像的光学元件,有着显著的耦合效率和实现小孔几何。先前所有的工作引用了一个计算机模型用于流程优化工作。多次内部反射提高激光能量的吸收效率,提供多个能量吸收的机会可以产生高纵横比的小孔和增加小孔深度。

图2 一束聚焦在窄V型槽中的激光[6]

第二阶段：在激光与金属的相互作用过程中，金属表面的热耦合机制十分复杂，特别是在激光深熔焊接过程中。当高功率的激光束照射在一种金属上，金属靶材被加热融化，产生蒸发。然后由于蒸发的反冲力使得金属熔融层挤压，形成一个空腔或一个小孔。为了很好的对激光焊接的工艺特点进行解释，人们建立起假设的热源模型来描述激光的热效应。

解析热源模型：采用点热源或线热源等集中热源描述激光热流分布，包括静止线状热源、移动线状热源、移动点线热源。此类模型通常较为简单，易于计算，通常适于工程应用；但由于模型简化过多，假设太多，难以提供一个很符合实际情况的精确结果，因此主要用于工件离热源中心较远位置温度场计算。

体积热源模型：从宏观传热学出发，以焊缝横断面形貌为参照，基于熔合线准则建立，重点放在建立合适的体积热源分布模式，不涉及小孔的形成，激光热输入分布于假定的体积区域内，小孔热和力的影响体现在恰热源分布模式上。此类模型易于建立，计算也较为简单，适用于模拟熔池外温度场及应力、变形的计算，利于应用。包含各种双椭球体热源模型、三位椎体热源、柱状体积热源等。但该模型的热源分布参数需要人为设定，尤其是决定熔深的热源高度，增大了对计算结果的干扰性。文献综述