激光与金属材料相互作用的物理过程分析

激光与金属材料的相互作用可根据激光辐照作用的强度和持续时间分为几个阶段：把激光辐照引向材料；吸收激光能量并把光能传给材料；光能转变为热能来加热材料，以达到快速加热、快速冷却、熔化材料，并且不引起材料表面破坏。切割效果取决于功率密度、扫描速度，以及被加工材料性能。材料加热的温度取决于激光的功率密度和作用时间，低功率密度（103～104W/cm2）只能加热材料，不能使材料熔化和蒸发。功率密度提高到106～107W/cm2时，材料开始熔化；提高到107W/cm2以上时，材料因蒸发而破坏。因此，激光辐照在材料内部引起相互作用的过程主要与激光的功率密度和作用时间有关，相应调节这两个工艺参数便可得到不同的能量条件。

激光与金属材料的相互作用主要有以下几个效应：①能量转换效应；②物态变化效应；③表面效应、内部效应等。

在激光热作用下，随着光吸收的增强，激光作用区材料的温度将不断升高。只要激光作用区光吸收的能量大于它输出的能量，激光作用区材料的温度上升势头就不会停滞，只有满足能量平衡条件，激光作用区的温度才能保持不变。激光加工时材料的温度取决于能量差和材料性质。随着激光波长、激光能量密度、激光作用时间及不同材料的各种匹配，致使材料的温度具有各种变化，使材料表面随之发生物态（固态、液态、气态或等离子体等不同的物态）的变化。当激光能量转换成热能的能量达到和超过溶解潜热时，物质处于液态；热量达到和超过汽化潜热时，物质处于气态；热量达到和超过升华潜热时，物质由固态直接转变为气态。(www.xing528.com)

在激光作用下，材料吸收激光的过程和随后往内部传递热能的过程也遵守热力学的基本定律。激光加热过程中热量扩散的微分方程如下：

式中：T 为温度，是坐标x、y、z 和时间t 的函数；η 为导温系数，η=k/cp，cp为容积热容系数；k为导热系数；A 为单位时间内单位体积所放出的热量，与坐标和时间有关。对于给定持续时间的脉冲激光，当功率密度一定时，只需把材料加热到组织转变所必需的温度或加热到熔化时的温度。而连续激光束与材料相互作用时的温度关系式则复杂得多。