科学激光的时间和光谱轮廓对钛焊接质量的影响( 五 ) 纳米

▲图14积分时间为1.5ms时IPG1083激光器的Ek和之间的Boltzmann图

▲图15IPG1064、IPG1070和IPG1083激光器在不同积分时间下的羽流温度
4.讨论钛激光加工过程中的羽流动力学受到激光时间和光谱分布的强烈影响，其中激光时间和光谱分布又影响着焊缝表面的颜色。预计激光时间分布中的调制会加速羽流膨胀。时间分布中的峰间振幅和调制频率会影响驱动球形涡流远离钛板表面的效率。尽管在IPG1070和IPG1083的羽流发射的高速图像中，球形涡旋不明显，但与Nd:YAG和IPG1064激光器相比，它仍然更靠近表面，因为羽流膨胀率和尺寸更小。由于所有激光器在钛板上激光光斑的穿透深度大致相同，因此蒸发材料的量相同，表明较小尺寸的羽流中钛物质的密度较高。由于过饱和度增加，较小羽流中较高密度的钛物质会导致气相中纳米粒子的形成增加。因此，激光光斑周围的暗度增加遵循羽流尺寸减小、纳米颗粒形成增加和再沉积增加的顺序；IPG1070激光器最高， IPG1083中等， IPG1064较低。手动调制IPG1083激光器的时间分布以获得与Nd:YAG激光器相似的羽流动力学和焊缝表面着色效果。对IPG1083激光器的时间分布进行手动调制，优化峰间振幅和频率，显著降低了激光光斑周围的暗度。另一方面，即使在手动调制具有不同形状、峰间振幅和频率的时间分布后， IPG1070激光器钛板表面激光点周围的暗度仍然很强烈。手动调制IPG1070激光器的时间分布在减少激光光斑周围的暗度方面无效，这需要进一步研究激光特性及其对羽流动力学的影响。激光的光谱分析表明， IPG1070和IPG1083的线轮廓与Ti I和/或Ti II跃迁一致，导致激光脉冲被羽流物质重吸收。具有较低能量值的Ti I跃迁可以主导再吸收过程，因为在较低能级中从激光器吸收光子的电子较多。 1069.1nm[3d2(3F)4s4p(3P0)z3G03→3d24s2a1G4
和1073.29nm [3d2(3F)4s4p(3P0)z5G03→3d3(4F)4sa5F3
的Ti I低能级跃迁能量分别为1.502和0.826 eV 。回想一下，这些跃迁与IPG1070激光器的光谱分布重叠，在激光光斑周围产生强烈的暗度。还应该注意的是，振荡器强度是一个无量纲的量，可以测量原子系统在较低和较高能级之间的跃迁中吸收电磁辐射的概率。 Ti I跃迁在1069.1nm和1073.29nm处的振荡器强度分别为6.67×10-05和1.9×10-04 。与1069.1nm的Ti I跃迁相比， 1073.29nm的Ti I跃迁的振荡器强度的较高值与较低能级的较小能量值一致。 IPG1070激光能量在对应于1069.1nmTi I跃迁的较低和较高能级之间的羽流中被Ti I物质重新吸收，可以在465.65、469.37、1005.99和1017.05nm处重新发射，对应于Ti I跃迁[3d2(3F))4s4p(3P0)z3G03→3d24s2a3F2
[3d2(3F)4s4p(3P0)z3G03→3d24s2a3F3
[3d2(3F)4s4p(3P0)z3G03→3d3(4F)4sb3F2
和[3d2(3F)4s4p(3P0)z3G03→3d3(4F)4sb3F3
，转换概率分别为2.29×10+06、8.5×10+04、7.8×10+04和6.00×10+03s?1 。图16显示了描述上述再吸收和再发射过程的能级图。由于再发射发生在可见光谱区域，即465.65和469.37nm处，跃迁概率分别为2.29×10+06和8.5×10+04 ，因此观察到羽流的明亮外观。对于与激光器光谱分布重叠的其他Ti I跃迁，也预计会出现类似的现象。羽流温度随着积分时间的增加而增加，表明脉冲的后期部分被羽流重新吸收，因此羽流亮度增加。此外，对于IPG1070和IPG1083激光器，具有高于3eV的低能级能量值的Ti I跃迁数量均为4 ，而低于3eV的Ti I跃迁数量分别为5和1 。回想一下，手动调制IPG1083激光器的时间分布，通过降低激光光斑周围的暗度改善了焊缝表面质量，而对IPG1070激光器几乎无效。 IPG1070和IPG1083激光器之间的一个显著差异在于，与IPG1070激光器的光谱分布重叠的具有低于3eV的较低能级能量值的Ti I跃迁数量是IPG1083激光器的约五倍。换句话说， IPG1070的重吸收过程比IPG1083激光器的重吸收过程要多。因此，可以推断，如果激光的光谱分布没有覆盖许多低能级能量值小于3eV的Ti I跃迁，那么激光时间分布中的人工调制可以部分减少激光点周围的黑暗。
▲图16 Ti I跃迁在465.65、469.37、1005.99、1017.05和1069.1nm处的能级图发现羽流物质对激光脉冲的再吸收是羽流膨胀速率和尺寸降低以及纳米颗粒沉积增加的主要原因。因此，钛板表面上激光光斑周围的暗度随着羽流成分对激光脉冲的重吸收速率而增加。为了避免激光脉冲的重吸收，使用了两种新的激光器(IPG光谱学) ，其定制的光谱分布不与Ti I跃迁重叠。新定制的激光器被命名为IPG1064c和IPG1071c ，其中心波长分别约为1064和1071nm 。图17显示了定制的IPG1064c和IPG1071c激光器的光谱分布(左Y轴) ，以及在1060和1075nm之间的光谱区域内Ti I(■)和Ti II(⊕)的跃迁(右Y轴) 。由定制的IPG1064c和IPG1071c激光器产生的羽流发射的高速图像的时间演变分别如图18(a)和19(a)所示。由定制的IPG1064c和IPG1071c激光器在钛板上产生的相应激光光斑的光学显微镜图像分别如图18(b)和19(b)所示。定制的IPG1064c和IPG1071c激光器的羽流膨胀率更高，而羽流中没有相应的最亮区域，这表明羽流成分没有对激光脉冲进行再吸收。此外，钛表面上激光光斑周围的暗色也不存在，这进一步促进定制的激光脉冲不会被羽流物质重新吸收。值得注意的是，尽管定制激光器的光谱分布与Ti I跃迁不重叠，但定制IPG1071c激光器的光谱分布与Ti II跃迁在1070.75nm处重叠。由于定制的IPG1071c激光光斑周围的表面看起来很干净，且羽流中的亮度并不突出，因此Ti II跃迁在1070.75nm处对激光脉冲的重吸收可以忽略不计，这可能是由于其较低能级的7.738eV较高能量值。

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