2.5　激光、工件與保護(hù)氣體相互作用的研究

    激光、工件、保護(hù)氣體相互作用與離焦量關(guān)系密切，在一定離焦范圍內(nèi)為深熔焊接，產(chǎn)生顯著的等離子體，超過一定的離焦范圍，則為熱傳導(dǎo)焊接，等離子體的影響比較小。

    等離子體對入射激光具有折射、吸收、散焦以及屏蔽作用，這是激光焊接中的一個重要問題。

    法國A · Poueyo－Verwaerde等診斷了CO2激光焊接等離子體。熱電探測器用于記錄反射的激光，可見光光電管用于收集等離子體輻射；通過多通道光譜儀進(jìn)行光譜分析；用高速攝影機(jī)記錄等離子體的圖像。經(jīng)過分析，得到了電子溫度、電子密度與工件表面距離的關(guān)系以及反射率與等離子體亮度的關(guān)系。

    德國Stuttgart大學(xué)進(jìn)行了CO2激光深熔焊時激光焊接等離子體對激光聚焦性影響的研究。提出了焦平面上有效功率密度分布的概念，焦平面上功率密度減小是由于等離子體對激光吸收以及折射引起，等離子體折射情況取決于等離子體尺寸、位置和溫度；采用He-Ar混合氣比采用單一氣體可更有效地抑制等離子體的負(fù)面效應(yīng)。

    Helmut Schmalenstroth等人用1kW的Nd：YAG進(jìn)行激光焊接研究時，使用的氣體有Ar 、He 、N2 以及Ar + O2 、Ar + CO2 、Ar + CO2 +O2 ，適當(dāng)?shù)幕旌蠚饪稍黾尤凵詈秃杆?，降低成本，在激光焊接過程控制方面，有使用電容傳感系統(tǒng)測量和控制焦點(diǎn)位置報(bào)道，其機(jī)理是基于傳感器的振蕩頻率由于焦點(diǎn)變化擾動而不是常數(shù)。當(dāng)金屬蒸氣和保護(hù)氣的電離密度和程度變化時，噴嘴電極和工件之間介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化。德國的Hillerich博士指出，電離原子和電離分子對介電常數(shù)ε的影響可用Drudench公式表示。

     基于相同的原理，電容傳感系統(tǒng)也可用于焊接速度和焊接缺陷的檢測與控制。

     在CO2激光焊接焊縫質(zhì)量的磁流體力學(xué)控制方面，德國Stuttgart大學(xué)的М•Kern提出加磁激光焊接（MSLBW―Magnetically Supported Laser beam
Welding），見圖5。實(shí)驗(yàn)表明，這種方法可抑制焊道凸起,改善焊道頂部質(zhì)量和焊縫斷面形狀，減少飛濺，使熔池上方的等離子體更趨于穩(wěn)定，增加過程的穩(wěn)定性。這個方法的作用與磁場的方向有關(guān)，前提是有電流存在，研究表明，電流除了由母材和熔化金屬間的熱電壓引起外，同時還由凝固的焊縫和熔化金屬間的熱電壓引起。

    在激光焊接熔池動力學(xué)的研究方面，美國田納西大學(xué)的V·Semak等將低功率的氬離子激光聚焦在熔池上，通過窄帶干涉濾色鏡除去等離子體發(fā)射的光，再經(jīng)光電倍增管，用高速攝影記錄熔池的形貌。研究表明，熔池內(nèi)的反沖力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過表面張力和靜壓力，因而，圍繞小孔邊緣產(chǎn)生了高振幅的熔化金屬凸起。高的反沖力使熔化金屬組成的小孔壁離開激光束，而后，表面張力又將小孔壁向光束靠近，由于反沖力的脈動性導(dǎo)致了熔池內(nèi)，高振幅、低頻率的體積振蕩，同時也導(dǎo)致了熔池開口形狀的顯著變化，進(jìn)而影響蒸氣的運(yùn)動方向，產(chǎn)生高頻的聲信號。研究還表明；激光點(diǎn)焊時，在熔池凝固期間，熔池的振蕩頻率在增加。