高功率激光光束特性对激光加工的影响.pdf

第32卷第6期2006年11月光学技术OPTICAL TECHNIQUEVol.32 No.6Nov.2006文章编号:100221582(2006)0620834204高功率激光光束特性对激光加工的影响陈虹,吴世凯,张正伟,陈铠,肖荣诗,左铁钏(北京工业大学 激光工程研究院,北京 100022)摘 要:决定光与物质相互作用的激光束的波长、入射角、偏振特性以及时间和空间特性是激光材料加工的主要光束特性。激光束的光束质量是其空间特性的量化反映。通过对两种不同激光加工系统输出激光光束质量进行测量和计算,根据多模激光束的聚焦理论,以及对激光深熔焊接实验结果的分析,研究了光束质量对深熔焊接焊缝成形的影响。结果表明,光束质量对聚焦光束的焦斑、聚焦角和焦深的影响不仅体现了激光源的可聚焦性,而且也标志了激光源的可加工能力,这是聚焦系统和焦点位置在选择过程中应该考虑的重要因素。关键词:激光加工;光束特性;光束质量;深熔焊接;聚焦系统;离焦量中图分类号:TN248 文献标识码:AThe effect of laser beam characteristics on laser processingCHEN Hong,WU Shi-kai,ZHANG Zheng-wei,CHEN Kai,XIAO Rong-shi,ZUO Tie-chuan(College of Laser Engineering,Beijing Univeristy of Technology,Beijing100022,China)Abstract:Laser beam wavelength,incidence angle,polarization and its time and space behavior are the main factors con2cerned with laser manufacturing.Laser beam quality quantifies the space behavior.The effect of beam quality on laser penetra2tion welding based on the focusing theory of multimode beam is studied through the measurement and calculation the beamquali2ty of two different high power laser processing systems and the analysis the resultsof laser penetration welding experiments.Theresults show that due to the effect of laser beam quality on focal beam waist radius,focal angle and focal length,laser beamquality decides the beam focusing ability and the processing capacity of laser system.Furthermore,beam quality should be takeinto account when selecting the focusing system and the position of focal point.Key words:laser processing;beam characteristics;beam quality;laser welding;focus system;defocus1 引 言光与物质的相互作用同激光技术的实际应用密切相关。大多数的激光应用都要通过光与物质的相互作用这座桥梁才能实现。激光的波长、入射角、偏振特性、时间特性以及空间特性都是决定光与物质相互耦合效率的重要因素。其中光束的波长、入射角、偏振特性主要决定了材料对激光的吸收率,时间特性表明了光与物质相互作用的方式,空间特性决定了激光束的可聚焦性、材料加工所能获得的激光束的功率密度以及最终获得的加工质量。2 光束特性(1)波长。对金属及其合金而言,激光束的波长越短,吸收率越高。由于YAG激光的波长是CO2激光波长的1/10,所以一般材料对YAG激光的吸收率均高于对CO2激光的吸收率。但这种吸收率的差异只在初始激光作用的瞬间起决定作用,这时“小孔”并没有形成,不存在激光在小孔壁上多次反射导致的吸收率的增强。事实上,当“小孔”出现后,无论是YAG激光,还是CO2激光,材料对激光束的吸收率都可达到90%以上,波长对吸收率的影响可以忽略。因此YAG激光主要局限于薄壳结构的连接,CO2激光还是焊接厚板的主要手段。激光的波长除了影响材料对激光的吸收率以外,它还影响到激光深熔焊接过程的等离子体的形成。由于金属蒸气对激光的吸收率与激光波长的平方成正比,所以YAG激光诱导金属蒸气击穿形成等离子体的临界功率密度比CO2激光高两个数量级。当采用CO2激光焊接时,光致等离子体的阈值功率密度约为106W/cm2;当采用YAG激光焊接时,其值约为108W/cm2。所以在YAG激光深熔焊接过程中几乎不产生等离子体1。(2)入射角。激光束的入射角对吸收率的影响是不能忽视的,入射光的轴线方向与工件表面法线方向的夹角为激光束的入射角。在实际应用中,通常采取激光束垂直入射到工件表面的方式(入射角为0),这种入射方式虽然给不规则曲面的激光加438收稿日期:2006202214E2mail:yangwellhong 作者简介:陈虹(1977-),女,北京工业大学激光工程研究院博士研究生,主要从事激光应用方面的研究。工带来了一定的困难,但保证了吸收率的稳定性。(3)偏振特性。激光束的偏振特性清楚的显示出了光的横波特性。振动方向与光束传播方向在一个平面内的偏振光称为线偏振光,两个相互垂直的线偏振光可以合成圆偏振光。在入射角较小的情况下,材料对激光的吸收率受光束偏振特性的影响很小,但如果入射角增大到一定程度,激光的偏振特性对激光加工过程有强烈的影响,必须对光束的偏振特性加以控制。(4)时间特性。现代光制造用的激光器大多输出连续激光,也有采用脉冲激光的。目前的高功率CO2激光器都兼顾了连续输出和高重复频率脉冲输出两种模式,能够灵活的适应各种不同的加工任务。(5)激光束的空间特性。激光束的光束质量是光制造过程中最为关键的因素。激光束的可聚焦性是其空间特性的一个反映,与激光束的横模特性有直接的关系。光束聚焦特征参数值Kf就是激光束可聚焦性的一个量化的标准,也可以说是激光束空间横模特性的量化评价。光束聚焦特征参数值Kf也称为光束参数积(Beam parameters product,BPP),国际标准化组织(ISO)将其定义为光束束腰直径与光束发散角全角的乘积的1/42:Kf=d0 0/4(1)它描述了光束的束宽和远场发散角的乘积不变原理,即光束经过无像差光学系统变换后,光束的束宽与远场发散角的乘积不变。式(1)还可以用光束束腰半径和远场发散角半角表示:Kf=w00=wff=const(2)图1 激光束的聚焦变换式中:0和f分别为激光束聚焦前后的光束发散半角;w0和wf分别为激光束聚焦前后的束腰半径。如图1所示。图1中:z和zi分别表示聚焦前后光束的束腰位置到聚焦镜的距离;D表示到达聚焦镜时光束的直径;f表示聚焦镜的焦距;zR表示瑞利长度。Kf值与光束传输因子M2和K值之间的关系可以表示为Kf=(/)M2(3)Kf=/(K)(4)Kf值在激光束为基模高斯光束时达到其最小值/(3.37mmmrad)。对于实际的激光束来说,Kf/。减小Kf值可提高激光源的可聚焦性,是加工用激光源不断发展的要求。3 理论计算根据激光光学可以得到如下基模高斯光束的聚焦变换公式3,4zRf=w2f/(5)f=/(wf)(6)wf=w0f/(z-f)2+z2R0(7)在实际应用中为了增大模体积,高功率激光源常常输出多模激光束。采用Kf值来描述多模光束聚焦特性的计算公式可以相应的表示为zRf=w2f/Kf(8)f=w(z)/f=Kf/wf(9)wf=2Kff/D(10)光束质量Kf、聚焦镜焦距f和到达聚焦镜时光束的直径D是决定光束聚焦特性的关键。4 实验方法实验选用了两种不同光束质量的CO2激光器,分别为TRUMPF公司的TLF6000tCO2激光器和ROFIN SINAR公司的DC035 Slab CO2激光器。采用UFF100光束光斑质量检测仪对两种激光加工系统的光束质量进行了测量,分别为Kf1=8.67mmmrad,Kf2=3.78mmmrad。输出的激光束横截面的功率密度分布如图2所示。图2 两种激光源输出光束的横截面能量分布(a)TLF6000t CO2激光器;(b)Slab CO2激光器。采用旋转抛物面反射聚焦镜进行聚焦,为TLF6000t CO2激光器选择了焦距为150mm和200mm的聚焦镜,为Slab CO2激光器选择了焦距为200mm和300mm的聚焦镜。对聚焦后的光束特性进行了测量,之后对低碳钢进行了激光扫描焊接实验。所采用的激光焊接工艺参数是:功率为3000W,焊接速度为3m/min;双层保护气体,中心保护气体为He气,流量为15L/min,外层保护气体为Ar538第6期陈虹,等:高功率激光光束特性对激光加工的影响气,流量为6L/min。在离焦量分别为-4,-2,0,2,4的位置进行了焊接实验。5 实验结果分析图3所示为根据测量数据经过双曲线拟合出的图3 两种激光系统采用不同聚焦镜聚焦后的光束传输曲线聚焦光束的传输曲线。图4列出了对两种激光加工系统采用不同焦距的聚焦镜聚焦后光束的各项特性参数以及在焦点位置焊接得到的焊缝成形。图5所示为两种激光加工系统在不同离焦位置得到的焊缝形状,根据图4的结果,两种激光加工系统分别选择了焦距为150mm和300mm的聚焦镜。图4 两种激光加工系统经过不同焦距的聚焦镜聚焦后光束的特征参数以及在焦点位置得到的焊缝成形图5 两种激光加工系统在不同离焦位置得到的焊缝形状 对于激光深熔焊接来说,首先要保证的就是功率密度。只有获得足以突破材料蒸发形成“小孔”的功率密度,激光深熔焊接过程才能真正建立起来。当激光深熔焊接过程建立后,“小孔”内的激光束通常通过两种能量吸收机制被材料吸收:一是小孔壁上激光束的多次反射吸收(Fresnel吸收);二是等离子体的逆韧致辐射吸收。总的来说,CO2激光最主要的吸收机制是小孔壁上的菲涅尔吸收,尤其是前两次的反射吸收,而不是中间的热量交换过程5。这种吸收使得功率密度能够传输到“小孔”内部,越能在“小孔”深度保证足够高的功率密度,就越能获得深的焊缝。聚焦光斑半径和功率决定了激光束的功率密度,聚焦角则是决定小孔壁上前两次菲涅尔吸收的关键因素。聚焦角越大,被“小孔”边缘反射掉的激光功率越多,聚焦角越小,激光束越能够深入材料内部,与材料进行耦合,形成较深的焊缝。5.1 光束质量对焦斑半径的影响得到小聚焦光斑是保证激光深熔焊接功率密度的关键。减小聚斑半径和提高功率都可以提高功率密度。但在功率提高的同时不仅降低了激光源的光束质量,而且还极大的增加了制造成本。根据式(10),焦斑半径的减小可以通过三种方式实现,分别是使用短焦距聚焦镜、增加到达聚焦镜处光束的直径以及使用高光束质量的激光源。当聚焦镜焦距较短时,激光材料加工时产生的飞溅物极易污染聚焦镜,引起聚焦性能的变差降低聚焦镜的使用寿命。大多数激光器采用扩束系统来减小激光束的聚焦角,使激光束变换得更加准直,同时也可以增加到达聚焦镜处光束的直径。由于生产和技术方面的原因,聚焦镜焦距的减小和光束半径的增大都会受到限制,所以采用高光束质量的激光源是获得小焦斑半径的有效方法。激光束的光束质量越高,得到的焦斑半径越小。例如,光束质量很高的Slab CO2激光器,当用焦距为200mm的聚焦镜聚焦后,焦斑半径只有91m。即使使用焦距为300mm的长焦距聚焦镜,也可以获得比TLF6000t CO2激光器在用638光 学 技 术 第32卷焦距为150mm的聚焦镜时更小的焦斑半径和聚焦角(图3)。从图3还可以发现,光束质量好的激光器经过不同焦距的聚焦镜聚焦后,焦斑直径的变化的差值较小。这样聚焦镜焦距的选择范围就会更大一些,不会因为焦斑半径的迅速变化增加对焊接工艺的要求。另外,高光束质量激光器并不是聚焦镜的焦距越短就越可以得到深的焊缝的。当Slab CO2激光器采用焦距为200mm的聚焦镜焊接时,在相同的工艺条件下,得到的焊缝深度小于焦距为300mm时聚焦镜得到的值。这是因为前者聚焦光束的功率密度达到了1.15107kW/cm2,产生了光致等离子体对激光的屏蔽,使焊接过程中断的缘故。5.2 光束质量对聚焦角的影响激光束的聚焦角是由激光光束质量和聚焦系统的特性决定的,不受其它光学或工艺参数的影响。聚焦角的公式可以表示为=Kf/w0(11)=D/2f(12)式(11)表明,聚焦光斑大小相同时,光束质量越好,聚焦角越小。式(12)表明,聚焦角还与到达聚焦镜时的光束直径和聚焦镜的焦距有关。要想得到小的聚焦角,就要使用长焦距聚焦镜聚焦,或者减小激光束到达聚焦镜处光束的直径。但由于激光制造系统通常都采用扩束系统来增加激光束的束宽,所以聚焦角的减小主要还是通过使用高光束质量激光束和长焦距聚焦镜来实现的。图4所示的最小聚焦角是Slab CO2激光器在焦距为300mm时聚焦镜聚焦后获得的。5.3 光束质量对焦深的影响焦深表示沿光束传播方向光束直径或半径增长为束腰直径或半径的2倍时到束腰位置的距离4,焦深越长,就意味着光束准直的范围越大。基模高斯光束的焦深如式(7)所示,多模激光束的焦深如式(8)所示。当聚焦光束的焦斑半径相同时,大功率多模激光束的焦深与Kf值成反比,Kf值越小,焦深越长。聚焦光束的焦深还因焦斑半径的不同而不同。而且焦深是与焦斑半径的平方成正比的,当焦斑半径稍有变化时,焦深的变化就很明显。焦深和聚焦角是相互依存的两个因素,焦深越短,意味着聚焦角越大,光束越发散,这时当激光束深入“小孔”后,虽然在焦点位置获得了高功率密度,但光束横截面面积很快变大,功率密度很快降低,不能获得很深的焊缝。如图4所示,正是由于高光束质量和长焦距聚焦镜,不仅获得了小焦斑半径,高功率密度,而且还得到了小聚焦角和长焦深,Slab CO2激光器经焦距为300mm的聚焦镜聚焦后焊接得到的焊缝深度最深,深宽比最大。5.4 离焦量对焊缝成形的影响离焦量(焦斑平面与工件表面的距离)对激光深熔焊接的影响自20世纪80年代以来就受到了人们的普遍关注。若规定焦点位置在工件表面以下为负离焦,在工件表面以上为正离焦,则通常认为当负离焦为12mm时,焊接效果最好,可获得最大的焊缝熔深69。因为在激光深熔焊接过程中的能量吸收主要是在小孔(Keyhole)中进行的,所以当激光束的功率密度足够大时,被焊接材料的微小加热部位开始熔化并蒸发,在高压蒸汽喷出的反作用力作用下在材料中形成小孔。当焦点位于工件表面以下时,材料内部的功率密度比工件表面高,能够形成更强烈的熔化和气化,使激光能量向材料的内部深入。由图5所示的实验结果表明,使用TLF6000t CO2激光器的焊接结果与传统的观点是相符合的,当负离焦为2mm时可以获得最大的焊缝熔深。但在采用Slab CO2激光器进行激光焊接时,却发现当正离焦为2mm时,获得了最大的焊缝熔深。文献10认为,光束横截面的能量分布会极大的影响激光焊接质量,“凹”形光束横截面能量分布由于其能量集中在光斑的边缘部分,焊接质量不如能量分布集中的“凸”形聚焦光斑焊接质量好。文献11研究了熔深焊接与等离子体电子密度的关系,认为在等离子体的温度和电子密度增大到一定程度后(1151016/cm3),就会屏蔽激光能量由Slab CO2激光器的高光束质量得到了很小的聚焦光斑,在实验采用的工艺条件下,功率密度达到了5.83106W/cm2,而且经长焦距聚焦镜聚焦后,聚焦光束的聚焦角很小,在很长的焦深范围内,光束都不会因明显的发散而降低功率密度。如果焦点位置在工件表面以下,那么在“小孔”内部的功率密度更高,在形成更强烈的熔化和气化的同时,也使得光致等离子体的电子密度和温度都很高,对激光束产生了一定的屏蔽作用,而当焦点位置位于工件表面以上时,激光束的功率密度并没有明显降低,但对“小孔”内部的能量吸收过程来说,无论是菲涅尔吸收,还是等离子体对激光的吸收,都会对激光束与材料的能量耦合产生积极的作用。这样一方面可以解释为什么高光束质量激光器在正离焦状态下可以获得更深的熔深,另一方面也可以解释为什么高光束质量激光器在使用短焦距聚焦镜焊接时的质量反而不如使用长焦距聚焦镜的焊接质量好。(下转第841页)738第6期陈虹,等:高功率激光光束特性对激光加工的影响液抛光的晶体表面无明显损伤。由表2可知,胶体SiO2与培纶和聚氨酯盘可分别获得表面粗糙度的RMS为01458 nm和01249 nm。胶体SiO2是最适合LBO晶体的化学机械抛光的,所获得的无损伤表面粗糙度的RMS低于015 nm。在半导体材料抛光中,胶体SiO2是被世界广泛接受的标准抛光粉,采用胶体SiO2抛光硅片可产生近完美的抛光表面。胶体SiO2系统是指把微小SiO2颗粒散布在分散的介质中而形成的系统,颗粒的尺寸在几十纳米量级,颗粒比原子的尺度大很多,在常温下表现出布郎运动,不会在引力的作用下很快沉淀。用胶体SiO2抛光的表面大多是无损伤、无划痕、无污染的。当胶体SiO2抛光LBO晶体时,SiO2颗粒可能被晶化,在达到一定的硬度后在晶体表面可实现柔性分子级磨削。与此同时,摩擦在晶体表面产生热,促使碱性抛光液与基底发生化学反应。机械作用能很容易地、无损伤地去除所形成的过渡层和钝化层,可获得无损伤的超光滑LBO晶体表面。通过实验可以看出,使用胶体SiO2抛光粉进行化学机械抛光LBO晶体可获得最好的晶体表面。4 结 论LBO晶体可通过化学机械抛光的方法获得无损伤的超光滑晶体表面。选择的抛光粉硬度应接近于被抛光的晶体材料硬度,这样就可以减小或去除由机械作用引起的损伤。所选择的抛光盘应易于修整,应具有微孔结构,应能帮助抛光液流动以促进化学作用。实验中,通过使用聚氨酯抛光盘和胶体SiO2抛光粉获得了无损伤的LBO晶体表面,其表面粗糙度的RMS为0.249 nm。参考文献:1 Chen C T,Wu Y C,Jiang A,et al.New nonlinear-optical crystal:LiB3O5J.J Opt Sco Am,1989,B 6:616621.2 Dmitriev V G,Gurzadyan G G,Nikogosyan D N.Handbook ofnonlinear optical crystalsM.Springer,1999.3 Mclntosh R B,Paquin R A.Chemical-mechanical polishing of low-scatter optical surfaces J.Appl Opt,1980,19(14):23292331.4 Bennett J M,Shaffer J J,Shibano Y,et al.Float polishing of opti2cal materials J.Appl Opt,1987,26(4):696703.5 Leistner A J,Thwaite E G,Lesha F,et al.Polishing study usingTeflon and pitch laps to produce flat and supersmooth surfaces J.Appl Opt,1992,31(10):14721482.6 Jiang M,Wood N O,Komanduri R.On chemo-mechanical polish2ing(CMP)of silicon nitride(Si3N4)workmaterial with variousabrasives J.Wear,1998,220:5971.7 Chen C C A,Shu L S,Lee S R.Mechano-chemical polishing of sil2icon wafers J.J Mater Process Technol,2003,140:373378.8 YuanJ L,Zhao P,RuanJ,et al.Lapping and polishing processforobtain super-smooth surface of quartz crystal J.J Mater ProcessTechnol,2003,138:116119.9 Steigerwaid J M,Murarka S P,Gutmann R J.Chemical mechani2cal planarization of Microelectronic materials M.John Wiley&Sons,INC.:A Wiley-Interscience Publication,1997.10 Hooper B J,Byrne G,Galligan S.Pad conditioning in chemicalmechanical polishing J.J Mater Process Technol,2002,123:107113.11 McGrath J,Davis C.Polishing pad surface charaterisation inchemical mechanical planarisation J.J Mater Process Technol,2004,153-154:666673.12 Komanduri R,Lucca D A,Tani Y.Technological advances in fineabrasive processes J.Annals of the CIRP,1997,46(2):545596.13 Prochnow E,Edwards D F.The precision hand polishing of BBOand LBO J.Appl Opt,1998,37(28)81308131.(上接第837页)6 结 论综上所述,激光光束特性是激光材料加工过程中应该首要关注的问题。通过本文的计算和实验研究,阐明了激光光束的特性,尤其是光束质量对激光加工过程的影响。采用高光束质量激光器,在长焦距聚焦镜聚焦时可获得小聚焦光斑、聚焦角以及长焦深。激光光束质量对聚焦光束的焦斑、聚焦角和焦深的影响不仅体现了激光源的可聚焦性,也标志了激光源的可加工能力。在实际工程应用中,首先要根据加工任务的要求选择合适光束质量的激光器,然后根据工位、加工工艺条件以及光束质量选择合适的聚焦系统。在加工过程中,还要选择正确的焦点位置。总之,对光束特性的充分了解有助于针对不同的应用需求选择合适的激光器、聚焦系统以及激光焊接工艺参数,只有这样才能得到理想的加工质量。参考文献:1肖荣诗.CO2激光深熔焊接光致等离子体的行为研究D.北京:北京工业大学,1997.2 ISO11145:2001,Optics and optical instrumentsLasers and laser2related equipmentvocabulary and symbolsS.3左铁钏.高强铝合金的激光加工 M.北京:国防工业出版社,2002.4吕百达.激光光学M.成都:四川大学出版社,1992.5 John Dowden,Phiroze Kepadia.A mathenaical investigation of thepenetration depth in keyhole welding with continuous CO2lasersJ.Appl Phys,1995,26:22522261.6王家淳,王希哲,惠松骁.HE130合金激光焊接线能量与焦点位置研究J.中国激光,2003,30(2):179184.7 Wilgoss R A,Medaw J H P C,Clark J N.Laser welding of steelsfor power plantJ.Optics and Laser Technology,1979(4):7381.8 Brandon E D.Characterization of focusing lensesfor CO2laser beamweldingJ.Welding Journal,1992,(6):5563.9 Arata Y.Development of ultra high energy density heat source andits application to heat processingA.Japan SocietyC.1986.10王智勇,陈铠,左铁钏.光束横截面能量分布的变化对激光焊接的影响J.焊接学报,2000,21(3):1719.11苏彦东.大功率激光焊接光致等离子体的光谱分析J.中国机械工程,2000,11(12):13891391.148第6期李军,等:无损伤超光滑LBO晶体表面抛光方法研究