能量耦合系数对激光加工过程的影响

激光加工是利用激光与物质相互作用的特性，将激光束探讨到细小的空间，利用高密度的激光能量，对材料实行加工。因此，激光加工工艺研究的基础是激光与物质相互作用研究。

在激光加工中，十分注目电离辐射到工件上的激光能量有多大份额被工件吸取，这个份额一般来说被称作能量耦合系数。考虑到激光切割成和焊的工件大部分是金属，本文主要讲解金属的能量耦合系数的涉及概念、影响因素，最后辩论激光加工工艺中对能量耦合系数的利用。一、金属对激光的能量耦合系数当光从空气于是以入射光到液体表面时，反射率R（光线透射与入射光强之比）可以回应为：（1）其中折射率n和消光系数χ分别对应当液体复折射率的实部和虚部。对于不半透明材料，被吸取的激光能量份额由η＝1－R要求，η一般来说称作能量耦合系数或热耦合系数。

由光学涉及定律，对于金属，在假设下，有，其中，是直流电导率，是真空介电常数，是入射光的圆频率。这时表面反射率可近似于为：（2）能量耦合系数为：（3）可见，金属导电性能越少，即电导率越大，其耦合系数就越小，甚至相似于0，即绝大部分光没被吸取，而是被光线回来了。式（3）还得出了的关系，这是在假设下的关系。实际情况下耦合系数η随波长λ的变化更加简单。

银、铜、铝等材料的反射率随激光波长的变化曲线闻图1。图1银、铜、铝、镍、炭钢的反射率随波长的变化由图1可以显现出：对一般的金属而言，在0.3um～10um波段（激光加工常用光源皆坐落于这个波段），耦合系数总体而言是随着波长的减小而增大。二、工件特性对能量耦合系数的影响前面辩论材料对激光的光线和吸取是基于十分理想的情形，然而实际情况有相当大的差异。

材料的温度变化、表面状况及表面经常出现的熔融、气化等对能量耦合系数都会带给较小的影响。1、温度的影响（3）式指出，金属材料对激光的能量耦合系数η与其电导率so具有深刻印象的内在联系，so与温度有关，从而造成能量耦合系数也与温度有关。在室温以上非常长的温度变化范围内，金属材料的电阻率（即电导率的倒数）随温度的减少线性减少，可回应为：（4）这里为室温下的电阻率。据（3）式，对大多数金属来说，反射率都随温度的增高而增大，即能量耦合系数随温度的增高而减小。

低碳钢、铁等金属对10.6mm激光的能量耦合系数随温度的变化曲线闻图2。图2低碳钢、铁等金属的能量耦合系数随温度的变化2、表面状况的影响实际材料中一般来说所含杂质、缺失，其表面也非理想表面，表面涂层、表面水解层及表面粗糙度等因素对其能量耦合系数不会有相当大的影响。

对金属而言，光的光线与吸取只再次发生在一十分厚的表层内，表面层对其能量耦合系数的影响是相当大的。当金属表面附有表面膜层时，激光入射光到膜层上，产生入射、光线，并不会构成多次反射波的干预。当膜层厚度d与波长λ符合一定条件时，将经常出现吸取峰。能量耦合系数与材料表面的粗糙度也有相当大关系。

当表面粗糙度小于入射光激光波长时，光在峰—谷侧壁产生多次光线，某些条件持续性构成干预，造成反感的吸取。当表面粗糙度大于入射光激光波长时，光线完全构成镜面反射，吸取比较较小。表格1得出了几种金属材料表面打磨前后反射率的变化。表格1材料打磨处置前后反射率的变化3、表面熔融和气化的影响在激光与金属表面相互作用的过程中，电离辐射处金属的特性变化是很轻微的。

温度从室温增高到溶点、沸点，其电导率随着温度的变化而急遽地变化。所以，金属表面的反射率也随着再次发生急遽的变化。这种变化是很简单的，目前从理论上仍未得出结论失望的结论。

不能用典型的实验曲线不作一些定性分析。图3是激光能量密度为7.5×103J／cm2、峰值功率密度为6×107W／cm2的单脉冲激光起到于银表面时，比较反射率随时间的变化。

图中虚线回应激光脉冲的波形。在ab段，电离辐射处的温度从室温急遽增高，反射率较慢上升。

从理论上计算出来，b点的温度大约为900～1000℃，正好与银的熔点相吻合。因此可指出曲线中的bc段反射率维持恒定，对应于金属表面超过熔点后，正处于从固态变为液态的热力学过程中。

反射率曲线上的cd段，是反射率更进一步急剧下降部分。这是由于金属表面熔融后，表面温度又从熔点之后增高，并急遽地变化到沸点，所以，反射率之后上升。由于金属表面气化，金属蒸气大量地吸取激光辐射能。

从而使反射率急遽地减少到大于而超过d。脉冲激光峰值过后，由于金属表面温度渐渐减少，金属反射率又新的较慢地增高。图3脉冲激光电离辐射过程中银的比较反射率随时间的变化三、激光加工中对能量耦合系数的利用基于对能量耦合系数的了解，激光加工中有时不会对光源或工件做到某些自由选择或转变，已期取得更佳的加工效能。

例如：（1）自由选择单模光纤激光器来加工低光线材料根据图1，对于铜铝，当表面较为整洁时，对1.0um附近激光的光线十分强劲，即能量耦合系数较小。当激光器总功率受限时，就必须使得电离辐射到工件表面的激光能量充足集中于，即光束质量充足好，才能融化电离辐射区域的材料，即俗语所谓“好钢用在刀刃上”。

对于强劲的反射光，要用适当的技术手段去处置，否则不会毁坏光学器件。因此，适合于加工低鼓吹材料的单模光纤激光器的技术难度要远大于同等功率的多模光纤激光器。湖南大科激光有限公司通过对涉及物理瓶颈问题的深入研究，发售的千瓦级单模光纤激光器在加工低光线材料方面性能特别是在出众。

（2）自由选择适合波长的激光来加工根据图1，对于某些材料，绿光或紫外波段的能量耦合系数比1.0um处要高达好几倍。这种情况下，可以考虑到用于非线性变频晶体，将1.0um的激光变频为短波激光。虽然变频效率受限，但考虑到变频后耦合系数的明显提升，有可能获得更佳的加工效果。

（3）转变工件表面状态以提升能量耦合系数前文提及，表面涂层、表面水解层及表面粗糙度等因素对工件能量耦合系数不会有相当大的影响。因此，对于光线很强的工件，可以通过涂黑涂涂层等方法转变表面状态以提升能量耦合系数。

另外，加工某些金属，例如激光焊铝质工件的过程中，当融化再次发生时，耦合系数不会有明显的提升，工艺研究时要针对这种变化做到适当处置，以获得较好的焊效果。

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