科学激光的时间和光谱轮廓对钛焊接质量的影响( 三 ) 纳米

▲图4峰值功率为1kW、脉冲持续时间为1.5ms的Nd:YAG、IPG1064、IPG1070和IPG1083激光器产生的羽流发射高速图像的时间演变【科学|激光的时间和光谱轮廓对钛焊接质量的影响】
▲图5由IPG1064激光器在1.5ms记录的羽流的彩色图像。不同的羽流特征用1-6标记。 1：源区， 2：热羽流轴， 3：原始羽流头部的源材料， 4：冷却的源材料， 5：加热和夹带环境， 6：含有热源材料的羽流头部3.2穿透深度以IPG1064和IPG1070激光器为代表，对钛板上激光光斑的穿透深度分布进行了比较研究。图6显示了IPG1064和IPG1070激光器的激光峰值功率约为1kW时激光光斑的横截面光学显微镜图像。发现IPG1064和IPG1070激光器的穿透深度大致相同，分别为120和122μm 。穿透剖面的纵横比(深度/宽度)也几乎相同，这表明IPG1064和IPG1070激光器之间的6nm波长差异不影响穿透剖面。由于宽度远大于深度，本研究中激光与钛板的相互作用对应于传导模式焊接。为了获得进一步的证据，分析了图7中IPG1064和IPG1070激光器的穿透深度随激光峰值功率的变化。在这两种情况下，渗透深度都增加了，这与根据热平衡方程每个脉冲蒸发的材料的厚度(Δxt)与(EL-Eth)成线性比例相一致，其中EL和Eth分别是入射激光能量和阈值激光能量。在1.4kW以上观察到的饱和行为可能是由于能量蒸发物质对激光脉冲的屏蔽增加。此外， IPG1064和IPG1070激光器的穿透深度随着激光峰值功率的增加而以相同的速率变化。换句话说，每个激光功率下的穿透深度几乎相同，这与钛在1064和1070nm处的吸收系数大致相同。 IPG1064和IPG1070激光器在穿透深度和吸收系数上的微小差异表明，尽管羽流大小不同，但两种情况下的蒸发材料量大致相同。因此，研究了所有激光器的时间分布，以了解图4中观察到的羽流的不同大小和动力学的原因。
▲图6IPG1064和IPG1070激光器在钛板上激光光斑的横截面光学显微镜图像
▲图7IPG1064和IPG1070激光器的穿透深度随激光峰值功率的变化3.3激光时间分布的影响图8显示了通过将激光束分别与光电二极管耦合并用示波器记录相应的电子信号而获得的激光器的时间分布图。 Nd:YAG激光器的时间分布显示出调制，峰间的振幅约为300mV ，频率约为20kHz 。类似地， IPG1064激光器具有显示调制的时间分布图，其峰间振幅约为80mV ，频率约为175kHz 。另一方面， IPG1070和IPG1083激光器具有调制时间分布，峰间振幅非常小，频率非常大。激光器时间分布的不同调制行为可能与图4中观察到的不同羽流动力学有关。 Nd:YAG激光器具有较大峰间振幅(300mV)和较小频率(20kHz)的时间分布调制激光可能与更大的羽流尺寸、更早的出现和更快的羽流膨胀相关，最终阻止表面上颗粒的再沉积。对于IPG1064激光器，与图4(a)相比，相对较小的峰间振幅(80mV)和较大的时间分布调制频率(175kHz)可导致图4(b)中较小的羽流尺寸和膨胀。类似地，与IPG1064相比， IPG1070和IPG1083激光器的时间分布的可忽略的小峰间振幅和无限大的调制频率可能导致更小的羽流尺寸和膨胀，并增加激光光斑周围的暗度。为了了解激光时间分布的调制行为对羽流动力学和激光光斑周围黑暗的影响， IPG1070和IPG1083激光器的时间分布被手动调制为具有不同的峰间振幅、频率和形状。在具有不同峰间振幅和频率的许多不同形状中，图9所示的IPG1083激光器的一种时间分布形状，其调制激光功率高达0.75ms ，峰间振幅为635mV ，频率为9kHz ，是基于其消除激光光斑周围黑暗的有效性而最终确定的。人工调制IPG1083激光器时间分布的峰间振幅(635mV)大于Nd:YAG激光器(300mV) 。此外， IPG1083激光器时间分布的手动调制频率(9kHz)小于Nd：YAG激光器(20kHz) 。这表明激光时间分布的较高峰间振幅和较低调制频率可有效阻止纳米颗粒沉积到表面上。预配置的时间分布设计形状由细红线表示，使用光电二极管和示波器测量的有效时间分布如图9中的黑色曲线所示。在IPG1083激光器时间分布的这种调制配置中，激光光斑周围的暗度(图10(a))与图10(c)相比显著减少，图10(c)显示了由IPG1083激光器产生的未调制时间分布的光斑的光学显微镜图像。换句话说，如果IPG1083激光器的时间分布按照图9所示的形状进行调制，则气相形成的纳米颗粒在钛表面上的沉积将被消除。这表明激光脉冲的初始部分对羽流动力学和激光光斑周围表面的暗外观有显著影响。图10(b)显示了IPG1083激光器产生的羽流的时间演变，具有图9所示的调制时间分布。图10(b)中的羽流大小和膨胀相对图10(d)更大，显示了由IPG1083激光器在不调制其时间分布的情况下产生的羽流高速图像的时间演变。然而，图10(b)中的羽流尺寸和膨胀小于图4(a) ，图4(a)中钛板上激光光斑周围表面是很干净的。另一方面，即使在手动调制具有不同峰间振幅、频率和形状的时间分布后，激光光斑周围的黑暗仍然强烈，类似于图2(c)中的IPG1070激光器。换句话说，与IPG1083相比，手动调制时间分布对IPG1070无效。通过表征激光的光谱分布并探索它们对羽流动力学和激光光斑周围暗度的影响，进行了进一步的研究。

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