激光焊接中的等离子体云

（1）等离子体云的危害

激光功率密度较低时，较稀薄的等离子体云聚集于工件表面，工件通过等离子体吸收能量。当材料汽化和形成的等离子体浓度间可形成稳定的平衡状态时，工件表面有一较稳定的等离子体层，它的存在有助于加强工件对激光的吸收，这种现象称之为“增强耦合”。采用CO₂激光加工钢材时，与上面所述的情况相应的激光功率密度为I≈1×10⁶W/cm²，由于增强耦合作用，工件对激光的总吸收率可由10％左右增至30％～50％。

激光功率密度较高时（I≈1×10⁷W/cm²），等离子体的温度高，电子浓度大，对激光吸收系数大；而且高温等离子体迅速膨胀，逆着激光入射方向传播，其速度可达100m/s数量级，形成所谓的激光维持的吸收波。由于等离子体对激光的吸收系数大，等离子体给工件的传热系数小。当传热系数减小以至降到零时，激光对工件表面的辐射完全被等离子体所截断；工件表面的汽化过程终止，等离子体逐渐减少以致消失。与此同时，逆着激光入射方向传播的等离子体扩散到激光功率密度较低的区域，温度和密度较低，等离子体云变得透明了，激光加热工件表面的过程重新开始。

激光入射孔壁，一部分被熔融金属所吸收；一部分反射。在等离子体中穿行的激光有一部分为等离子体所吸收（假定吸收系数为α），被等离子体吸收了能量的激光通过辐射、对流传入孔壁。如以I₀表示激光射入小孔前的光束功率，则经孔壁n次反射后，功率密度将降至：

式中    A──孔壁对激光的吸收率；

χ₁，χ₂…──相邻两次反射间激光在等离子体中的行程。

对于激光焊接过程，最重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度。这个功率密度必须足够高，以维持孔底有足够高的温度，产生必要的汽化压力，与小孔底部的静水压力、表面张力和液体流动阻力相抗衡，维持一定深度的小孔。而剩余功率密度的大小与等离子体是紧密相关的。

除了上述的影响，光致等离子体还改变了辐射照到工件表面的激光能量和扩大了激光能量在工件上的作用区。这是因为高温等离子体区折射率是变化的，激光穿过等离子体时波形发生畸变，工件上的光斑扩大。

（2）等离子体的控制

等离子体的控制方法可以归纳为两类。

第一类是从根本上抑制等离子体的形成。由于等离子体的形成是由金属蒸气电离所致，具有时间效应和电子密度效应，采用激光脉冲或激光摆动方法，使等离子体刚产生而来不及长大。采用真空激光焊接降低蒸气密度及电子密度，使等离子体得到抑制。这类方法的缺点是工艺太复杂，缺乏实用性。

第二类方法是气体控制法。这类方法包含多种实现方式：第一种是采用同轴吹气，它对于等离子体浓度不大的场合具有一定的控制作用；第二种方法是采用同轴侧吹，在同轴主吹的同时，外加一层带有一定锥度的同轴喷嘴，目的是将等离子体压缩并向四周吹散，其缺点是不能控制小孔内等离子体；第三种方法是采用单向侧吹辅助气体，其作用是将等离子体压缩并从小孔的后壁吹除，从而可以获得深穿透焊缝；第四种方法是横吹法，气体平行于工件表面吹过激光作用区，光致等离子体受到一定程度的抑制，得到深而窄的连续均匀焊缝；第五种方法是侧吸法，利用抽气机在小孔上方造成一个局部低压，侧吹角度对熔深影响不大，到目前只是在试验条件下获得。