閆鵬宇 李昌立

摘? 要：隨著激光加工技術(shù)在激光燒蝕、打孔及焊接等領(lǐng)域的發(fā)展，針對激光加工效率，品質(zhì)及工藝水平的要求也愈來愈高。因此，研究人員通過使用激光誘導(dǎo)放電技術(shù)，嘗試使用激光來誘導(dǎo)和控制放電產(chǎn)生的引燃熱源，從而達(dá)到對金屬材料的高效加工。文章旨在介紹激光放電技術(shù)的物理過程、特性分析，并簡要介紹該技術(shù)的應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：激光加工;放電技術(shù);應(yīng)用探究

中圖分類號：TN249? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0111-02

Abstract： With the development of laser processing technology in the fields of laser ablation， drilling and welding， the requirements for laser processing efficiency， quality and process level have become higher and higher. Therefore， by using laser-induced discharge technology， researchers have tried to use laser to induce and control the ignition heat source generated by the discharge， so as to achieve efficient processing of metal materials. The purpose of this paper is to introduce the physical process and characteristic analysis of laser discharge technology， and briefly introduce the application research of this technology.

Keywords： laser processing; discharge technology; application exploration

引言

激光與材料相互作用是激光應(yīng)用的重要物理基礎(chǔ)。金屬材料受到激光作用，吸收激光能量，引起溫度升高，可能產(chǎn)生加熱、熔融、氣化、噴濺甚至產(chǎn)生等離子體等現(xiàn)象。而隨著激光器的不斷發(fā)展，長脈沖、短脈沖和超短脈沖激光器的出現(xiàn)，也使得激光在焊接、切割、打孔和精細(xì)加工等領(lǐng)域也獲得了長足的發(fā)展。針對不同脈寬的激光器，其應(yīng)用領(lǐng)域也有所差異。在激光焊接領(lǐng)域中，通常采用長脈沖或連續(xù)激光作為的熱源，利用其作用時(shí)間長、熱積累效果明顯等特點(diǎn)對材料實(shí)現(xiàn)熔融焊接;由于短脈沖激光高峰值功率特點(diǎn)可以有效實(shí)現(xiàn)小深孔燒蝕，因此常被用于實(shí)現(xiàn)激光切割、打孔等領(lǐng)域。同時(shí)短脈沖激光在燒蝕加工中減少了材料燒蝕表面熔化物的形成，從而可以有效避免由于熱作用熔融所產(chǎn)生的孔洞擴(kuò)展等不良影響，極大地提高了激光加工質(zhì)量和使用激光進(jìn)行微細(xì)結(jié)構(gòu)加工的能力。

然而在激光焊接、切割或是打孔等加工過程中，激光與金屬相互作用中仍存在著許多問題，例如高反射金屬對激光吸收率很低，激光加工過程中容易產(chǎn)生氣孔、裂紋和重鑄層等缺陷。針對這些問題，研究人員提出使用激光誘導(dǎo)放電技術(shù)來提高激光加工的精度，性能及效率。

1 激光誘導(dǎo)放電過程

激光誘導(dǎo)放電主要應(yīng)用于金屬加工過程中，如圖1所示入射激光經(jīng)聚焦后作用于靶材表面，在距離靶材表面一定距離放置加工電極。當(dāng)高能激光入射到金屬靶材表面時(shí)，靶材中的自由電子受到光頻電磁波的作用產(chǎn)生受迫振動，通過電子與晶體點(diǎn)陣的碰撞將多余能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫w點(diǎn)陣的振動，引起溫升相變。由于輻照激光功率密度較高，靶材迅速氣化生成大量的金屬蒸汽，甚至產(chǎn)生等離子體羽流。當(dāng)金屬蒸汽或等離子體團(tuán)接觸到電極時(shí)，其電導(dǎo)率高于空氣或是保護(hù)氣體，在一定電壓作用下，導(dǎo)致電極與靶材間產(chǎn)生放電現(xiàn)象。放電產(chǎn)生的等離子體電弧釋放高溫電蝕作用對放電點(diǎn)處的金屬靶材進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)激光與誘導(dǎo)放電等離子體對金屬靶材復(fù)合加工。

2 激光誘導(dǎo)放電特性分析

激光誘導(dǎo)放電加工的主要影響因素有：電極的位置、極性，電壓大小，電流強(qiáng)度，激光脈寬、能量等諸多因素。為實(shí)現(xiàn)不同的加工工藝，對激光放電加工的參數(shù)確定也不盡相同。而在激光誘導(dǎo)放電加工中普遍存在以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）激光誘導(dǎo)放電有效降低放電裝置與加工金屬間擊穿電壓閾值，可使放電電極與金屬間距減小。同時(shí)降低了對放電裝置性能的要求，更容易實(shí)現(xiàn)高頻的放電加工。（2）提高放電時(shí)由電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，減少能量損失，實(shí)現(xiàn)對靶材的高效加工。（3）激光輻照產(chǎn)生的金屬蒸汽及等離子體，為放電過程提供良好通道，明確電弧放電位置，實(shí)現(xiàn)對放電點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，同時(shí)提高放電狀態(tài)的穩(wěn)定性。

對于激光誘導(dǎo)放電過程也存在一些亟待研究的問題，在一般的激光輻照過程中，激光誘導(dǎo)的等離子體對激光能量的持續(xù)注入具有屏蔽作用，導(dǎo)致激光加工效率降低。而通過誘導(dǎo)放電產(chǎn)生的低溫等離子體同樣會對激光輻照產(chǎn)生一定的影響。激光誘導(dǎo)等離子體同樣也會與放電等離子體相互作用。這些問題仍需要研究人員進(jìn)一步的討論研究。

3 激光誘導(dǎo)放電應(yīng)用探究

激光誘導(dǎo)放電技術(shù)需要加工工件具有一定的導(dǎo)電性能，因此其主要應(yīng)用于金屬器件的加工制造領(lǐng)域。

在金屬表面強(qiáng)化領(lǐng)域，嘗試控制脈沖激光誘導(dǎo)放電的電流強(qiáng)度，段脈沖寬度以及電極位置，可以有效加深強(qiáng)化層的深度，抑制放電放電通道擴(kuò)散，提高表面強(qiáng)化摩擦性能，提高強(qiáng)化點(diǎn)的疲勞壽命。

在激光焊接領(lǐng)域，傳統(tǒng)焊接過程通常使用激光焊接或電弧焊，通過激光誘導(dǎo)放電技術(shù)，獲得激光光源與放電電弧結(jié)合的復(fù)合熱源，導(dǎo)致焊接過程中電弧收縮，增大電弧能量密度，提高能量的使用效率。對比傳統(tǒng)焊接工藝，激光與電弧復(fù)合焊接具有更高的焊接速度、更大的焊接熔深以及更好的機(jī)械性能。

在激光打孔領(lǐng)域，使用激光誘導(dǎo)放電打孔對能量利用的利用效率要高于傳統(tǒng)激光打孔，通過調(diào)節(jié)誘導(dǎo)放電脈寬可以實(shí)現(xiàn)對燒蝕孔的直徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，隨著放電脈寬的增加，激光打孔的入口和出口也隨之增大，兩者基本成線性關(guān)系。由于加工的孔徑直徑更依賴于放電參數(shù)的影響，在設(shè)計(jì)加工設(shè)備過程中可以減小對激光器性能的要求，降低成本。此外，為克服長脈沖激光打孔頻率較低的問題，可以選用小能量、高頻工作的窄脈沖激光進(jìn)行誘導(dǎo)放電，實(shí)現(xiàn)高速打孔。

在短脈沖激光微加工領(lǐng)域，使用短激光脈沖與誘導(dǎo)放電相結(jié)合的混合加工工藝比單獨(dú)的工藝更具優(yōu)勢。傳統(tǒng)短脈沖激光加工時(shí)，如需要良好的表面質(zhì)量，加工效率就會相應(yīng)降低。而使用電火花加工可以通過材料去除效率但損失了加工精度。通過兩種工藝的結(jié)合，減少了加工靶材表面毛刺和重鑄現(xiàn)象。在保證加工精度的同時(shí)可以達(dá)到更高的材料燒蝕效率。

4 結(jié)束語

通過對激光誘導(dǎo)放電技術(shù)的探究，介紹了激光輻照金屬靶材相變蒸發(fā)進(jìn)而誘導(dǎo)電極放電的物理過程，對激光誘導(dǎo)放電的特性進(jìn)行并簡述了激光誘導(dǎo)放電技術(shù)在各種領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，使人們對激光誘導(dǎo)放電技術(shù)應(yīng)用有了基本的了解。

參考文獻(xiàn)：

[1]Duley W W. Laser welding[M]. Canada： A Wiley-Inter Science Publication，1999：6.

[2]Steen W M. Laser material processing（third edition） [M]. London： Springer-Verlag London Limited，2003：157.

[3]王之桐，周終強(qiáng)，石茂，等.YAG激光誘導(dǎo)放電表面離散強(qiáng)化形貌實(shí)驗(yàn)研究[J].中國激光，2010，37（4）：1118-1121.

[4]Fleischer J， Schmidt J， Haupt S. Combination of electric discharge machining and laser ablation in microstructuring of hardened steels[J]. Microsystem Technologies， 2006，12（7）：697-701.

[5]Katayama S， Naito Y， Uchiumi S， etal. Laser-Arc Hybrid Welding[J]. Solid State Phenomena， 2007，127：295-300.

[6]Bechtold P， Eiselen S， Schmidt M， etal. Influence of electrostatic fields and laser-induced discharges on ultrashort laser pulse drilling of copper[J]. Physics Procedia， 2010：525-531.