激光与等离子体的相互作用

在激光束到达工件表面与工件相互作用前，它必须穿过工件表面的光致等离子体。当到达工件表面的能量较高时，特别是在匙孔焊接时，等离子体的影响不容忽视，即使在热导焊过程中也同样会存在少量的等离子体。等离子体中也存在吸收、散射、折射等现象，这些均与入射激光的波长有关，焊接速度、聚焦光束在自由空间的能量密度（无工件存在时获得的能量密度），以及等离子体中气态物质的组成和密度都会影响实际到达工件表面的激光能量密度大小，如图14.3所示。

图14.2 随脉冲持续时间与光束能量密度变化激光-材料的相互作用现象

（不包括超短脉冲）

图14.3 匙孔上方激光-等离子体相互作用示意图

等离子体对光束的吸收由逆韧致效应引起^[19]，存在于任何等离体中的电子都会被激光束的电场加速。激光束在等离子体中的吸收系数与电子密度和激光波长的平方成正比^[20]。CO₂激光焊接时产生的等离子体的温度高达10000K，此时等离子体主要通过吸收激光能量来增加自身的温度^[20]，因此，CO₂激光焊接时等离子体吸收作用的影响较为显著。由于等离子体的吸收屏蔽作用大大减少了激光到达工件表面的能量，因此，CO₂激光焊接时通常会把辅助气体（如He、Ar或N₂气）导向激光与等离子体的相互作用区域，冷却光致等离子体，从而降低电子密度。Nd∶YAG激光焊接时，等离子体的吸收作用要比CO₂激光低近100倍，因此，可以忽略等离子体的逆韧致效应。虽然Nd∶YAG激光器产生的等离子体温度会随着激光功率的增加而升高，但一般都在4000K以下。(www.xing528.com)

与吸收相比，等离子体散射对短波长激光的影响较大（原因与天空为什么是蓝色的一样）。这主要是由于瑞利散射特性的值与激光波长四次方的倒数成正比^[21]。Nd∶YAG激光焊接时产生的金属蒸气会凝聚成颗粒成为散色点，等离子体散射会造成大量的激光能量损失。采用Nd∶YAG和半导体激光进行焊接时，有时为了防止工件氧化，焊接过程需在一个手套箱里进行，从而导致等离子体金属蒸气中颗粒的数量和尺寸增加，此时散射现象非常明显。

激光微焊接时等离子体的折射影响通常被忽略，这是由于激光微焊接时等离子体高度非常小，由等离子体折射所致的光束散焦（有时也称热晕）对光斑尺寸的影响并不大，但单模光纤激光器产生的强聚焦光束除外^[22]。表14.1总结了各种微连接用激光的吸收、散射和折射的影响程度。

表14.1 激光焊接过程吸收、散射与折射的影响程度

注：0—小；1—中等；2—大。