汽化与光致等离子体的探究

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：随着材料汽化产生的蒸气粒子继续吸收激光能量，蒸气温度继续升高，最后将导致蒸气原子和分子电离，形成带电粒子，蒸气到达一种高温度高带电粒子密度的状态，这种高度电离的气体即称为等离子体。光致等离子体产生后对激光能量有强烈地吸收。逆韧致吸收是指等离子体中自由电子在强激光电场中获得能量，并通过与离子的碰撞将能量传递给离子。此外，光致等离子体对激光束有散射作用，导致激光在进入等离子体后发生折射。

当继续加热到材料表面温度达到汽化温度时，表面将发生汽化现象。高强度激光照射金属表面时，首先材料表面温度达到熔点时，形成一个熔融层；然后温度继续上升直到沸点，蒸发开始。一部分吸收的激光能变为蒸发的潜热、气化质量的动能和喷溅蒸气的热量，其余部分则传给基体材料。在激光功率密度不是很高的情况下，喷溅蒸气对激光不能形成强吸收，系统达到一个稳定状态。相比金属，非金属往往对激光具有很高的吸收率，在金属材料被激光熔化和汽化过程中，金属中含有的S、P、O等形成的夹杂物将强烈吸收激光能量而迅速温升、汽化，金属熔体的成分可以得到净化。

随着材料汽化产生的蒸气粒子继续吸收激光能量，蒸气温度继续升高，最后将导致蒸气原子和分子电离，形成带电粒子，蒸气到达一种高温度高带电粒子密度的状态，这种高度电离的气体即称为等离子体。因为它是激光作用下产生的，故也称为光致等离子体。等离子体具有电中性、高导电性、与磁场发生相互作用、粒子间存在集体相互作用等特征。

高功率激光辐照使金属蒸气产生电离的主要机制如下：

1）光电离：原子中的电子受到激光照射而吸收足够的光子能量，从而发生电离。

2）热电离：高温下高速热运动的原子相互碰撞，当其电子获得的能量超过电离势，原子发生电离。

3）碰撞电离：气体中的带电粒子在电场的作用下加速并与中性原子发生碰撞，能量产生交换后原子中的电子获得足够高的能量，而发生电离。

光致等离子体产生后对激光能量有强烈地吸收。吸收的机制有两种：逆韧致吸收和共振吸收。逆韧致吸收是指等离子体中自由电子在强激光电场中获得能量，并通过与离子的碰撞将能量传递给离子。逆韧致吸收是等离子体吸收激光能量的主要方式，其吸收系数与电子密度、离子密度和等离子体温度有关。共振吸收是一种异常吸收，激光等离子体存在大的密度梯度，电场矢量沿密度梯度方向存在分量，等离子体电荷分离，引起等离子体振荡；当振荡频率恰好是激光频率时，发生共振，吸收激光能量，产生超热电子。由于等离子体对激光的吸收，使激光直接辐射到基体材料的能量降低。

此外，光致等离子体对激光束有散射作用，导致激光在进入等离子体后发生折射。激光从空气进入等离子体，实际上是从光密介质进入光疏介质，光束的折射使激光的聚焦点位置下移，即等离子体表现出负透镜效应。

当等离子体足够强时，通过其对激光的吸收和折射作用，激光将被屏蔽，即激光能量无法达到材料表面。等离子体对激光的屏蔽作用使被加工材料因输入能量缺乏而温度下降，气化和熔化过程中止，没有后续金属蒸气补充的等离子体在大量吸收激光能量的情况下迅速膨胀并上升，当等离子体稀释、密度大幅下降后，激光束能够再次穿透等离子体而到达材料表面，熔化和汽化过程再次产生，因此等离子体对激光的屏蔽作用具有周期性。

等离子屏蔽对焊接质量有很大的影响。一方面，致密的光致等离子体通过吸收和散射入射光，影响了激光的能量传输效率，大大减少到达工件的激光能量密度，导致熔深减小。另一方面，等离子体改变了激光能量在工件上的作用区，影响了焊缝成形，严重时，等离子体的屏蔽使得焊接过程无法进行。

汽化与光致等离子体的探究

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