負(fù)透鏡效應(yīng)明顯，相比而言He氣的保護(hù)效果好一些。

(4)保護(hù)氣體流量。一定范圍內(nèi)增加氣體流量，可以吹散熔池上方的等離子云，從而減小等離子體的負(fù)透鏡效應(yīng)。

(5)被焊材料。當(dāng)被焊材料熔點(diǎn)低又易電離時(shí)，等離子體中的電子數(shù)密度增加，導(dǎo)致負(fù)透鏡效應(yīng)顯著增加。2．等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)的散射與吸收

等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)散射的機(jī)理比較復(fù)雜，散射損失的定量分析目前尚難做到。有關(guān)文獻(xiàn)已證實(shí)[20]，散射是由于等離子體形成時(shí)金屬蒸氣原子凝聚后形成的**細(xì)微粒子(ultra fine particles, UFP)所致o UFP的尺寸與氣體壓力有關(guān)，其平均大小可達(dá)80nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于入射不銹鋼激光焊接機(jī)的波長(zhǎng)。由UFP導(dǎo)致的瑞利散射，其散射強(qiáng)度由下列方程決定

！盛一27l V2 e-蘭Q 2（1+ cos2拳）    (4-31)

10    T2A4eo式中，J鼢為散射光強(qiáng)度，I0為入射光強(qiáng)度，V為粒子體積，，．為粒子之間距離，聲為散射角，e為粒子介電常數(shù)，￡o為真空介電常數(shù)，又為入射不銹鋼激光焊接機(jī)的波長(zhǎng)。

空間隨機(jī)分布的多個(gè)粒子引起的瑞利散射損失，折算成吸收損失時(shí)的等效吸收系數(shù)可表示為

8X3NV2．(鼬2    (4-32)

asca -一’3叉4    ￡o式中，N為UFP的總粒子數(shù)密度。可見，敬射損失反比例于波長(zhǎng)的4次方，對(duì)于同樣尺寸的切叩，不銹鋼激光焊接機(jī)波長(zhǎng)越短，越易被散射o YAG不銹鋼激光焊接機(jī)波長(zhǎng)較短，焊接時(shí)不易形成等離子體，不銹鋼激光焊接機(jī)能量的吸收損失較少，但UFP所致的散射損失不可忽略。

不銹鋼激光焊接機(jī)焊接過程中位于工件上方和匙孔內(nèi)部的等離子體都會(huì)吸收入射不銹鋼激光焊接機(jī)的能量，等離子體是通過多重機(jī)制吸收不銹鋼激光焊接機(jī)能量，使溫度升高、電離度增大。吸收機(jī)制可分為正常吸收與反常吸收兩大類【18~剮。

正常吸收就是通常所說的逆軔致吸收（inverse bremsstrahlung, IB），是指處在不銹鋼激光焊接機(jī)電場(chǎng)中的電子被激勵(lì)發(fā)生高頻振蕩，并且以一定概率與粒子（主要為離子）相互碰撞，把能量交給比較重的粒子（離子、原子），從而使等離子體升溫的過程。逆軔致吸收又分為線性（電子速度分布為麥克斯韋分布）和非線性（電子速度分布函數(shù)與電場(chǎng)有關(guān)）兩類，非線性情況發(fā)生在較高不銹鋼激光焊接機(jī)電場(chǎng)場(chǎng)合。

反常吸收是指通過多重非碰撞機(jī)制，使不銹鋼激光焊接機(jī)能量轉(zhuǎn)化為等離子體波能的過程。這些波所攜帶的能量，通過各種耗散機(jī)制轉(zhuǎn)化為等離子熱能。反常吸收分為共振吸收和多重非線性參量不穩(wěn)定性吸收兩類。

等離子體主要通過逆軔致輻射吸收不銹鋼激光焊接機(jī)能量，逆軔致吸收是由電子一離子碰撞引起的，簡(jiǎn)言之，就是在不銹鋼激光焊接機(jī)高頻電場(chǎng)申振蕩的電子由于和離子碰撞失去規(guī)則的

運(yùn)動(dòng)，其速度可達(dá)每秒幾千米至上百千米，等離子體溫度為lOeV至幾十電子伏。

發(fā)生不銹鋼激光焊接機(jī)維持燃燒波或不銹鋼激光焊接機(jī)維持爆發(fā)波現(xiàn)象，與不銹鋼激光焊接機(jī)功率密度范圍相對(duì)應(yīng)。材料表面汽化較強(qiáng)時(shí)，金屬蒸氣部分電離、加熱，進(jìn)而通過熱輻射使前方冷空，C也發(fā)生加熱和電離，形成不銹鋼激光焊接機(jī)維持燃燒波，這時(shí)仍有部分不銹鋼激光焊接機(jī)通過等離子體區(qū)入射到工件表面，工件附近等離子體的輻射有助十增強(qiáng)不銹鋼激光焊接機(jī)與材料的熱耦合，隨著等離子體逆著光束方向離去，這種耦合受到削弱，逐漸形成對(duì)材料的屏蔽。光強(qiáng)繼續(xù)增大，不銹鋼激光焊接機(jī)維持燃燒波吸收區(qū)運(yùn)動(dòng)加快，吸收加強(qiáng)，直至與前方?jīng)_擊波匯合，形成不銹鋼激光焊接機(jī)維持爆發(fā)波，構(gòu)成對(duì)入射不銹鋼激光焊接機(jī)的完全吸收。選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)境氣體及光束聚焦透鏡，可以縮短不銹鋼激光焊接機(jī)維持爆發(fā)波的壽命，提高不銹鋼激光焊接機(jī)與材料之間的耦合效率。．．．．．．-I等離子體在能量傳輸中的作用

不銹鋼激光焊接機(jī)焊接產(chǎn)生的等離子體位于熔池上方的不銹鋼激光焊接機(jī)傳輸通道上，等離子體*特的物理性質(zhì)決定了它對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)會(huì)產(chǎn)生折射、散射以及吸收。致密的光致等離子體對(duì)入射不銹鋼激光焊接機(jī)具有顯著的J并蔽作用，一方面，斂密的光致等離子體通過吸收和散射入射光，x/口向了不銹鋼激光焊接機(jī)的能量傳輸效率，大大減少了到達(dá)工件的不銹鋼激光焊接機(jī)能量密度，導(dǎo)致熔深變淺；另一方面，由于等離子體對(duì)入射不銹鋼激光焊接機(jī)酌折射，使得不銹鋼激光焊接機(jī)通過等離子時(shí)波前發(fā)生畸變，改變了不銹鋼激光焊接機(jī)能量在工件上的作用區(qū)，影響焊縫成形，嚴(yán)重時(shí)，等離子體的屏蔽使得焊接無(wú)法進(jìn)行。

多年來，人們通過測(cè)量等離子體溫度或者電子密度，對(duì)等離子體行為進(jìn)行了大量的研3芒c8~15l o起初普遍認(rèn)為這種屏蔽是由于深熔焊接中的光致等離子體吸收

不銹鋼激光焊接機(jī)能量致使工件表面能量密度小于深熔

不銹鋼激光焊接機(jī)束    焊閾值所致。后來研究發(fā)現(xiàn)，等離子體對(duì)激

光的吸收并不是屏蔽的主要原因，等離子體

-…帶“    對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)束的折射行為才是引起等離子體屏

蔽的主要原因【16—20]o

：

由于電子密度的不均勻性，等離子體具

有異常折射率性質(zhì)，使得入射不銹鋼激光焊接機(jī)發(fā)散，導(dǎo)

工件敏實(shí)際聚焦位置比正常聚焦位置偏下，如

燃燃燧賦戳黼懋鯉潤(rùn)黼黼麟幽    圖4-9所示。通過光譜分析和理論估算，得

出在不銹鋼激光焊接機(jī)深熔焊中，等離體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)折射作用

圖4-9  等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)的折射作用

大大降低了耦合到工件表面能量的密度，因此，有人把等離子體形象地描述為一個(gè)負(fù)透鏡，而等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)的折射作用則被稱之為負(fù)透鏡效應(yīng)。

1．等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)的折射

通過等離子體的振蕩特性與色散關(guān)系，可以近似求出等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)的折射率。

等離子體的基本構(gòu)成是正離子、自由電子和中性原子，整體上呈電中性。等離子體振蕩是等離子體的較基本特點(diǎn)，其振蕩頻率為[21,22】

∞畔=（鬟）l／2    c㈣式中，Ne為等離子體中電子密度，eo為真空介電常數(shù)，me為電子質(zhì)量，P為電子電量。等離子體主要有兩種振蕩形式，即等離子體的電子振蕩和離子振蕩，兩者僅由電子、離子的密度及其質(zhì)量所決定。因?yàn)殡娮淤|(zhì)量?jī)H為離子的10-4倍，故電子振蕩頻率遠(yuǎn)比離子高很多，通常只考慮前者。

當(dāng)角頻率為∞的不銹鋼激光焊接機(jī)在等離子體中傳播時(shí)，光速和波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，但其角頻率Ⅲ不變，頻率叫和波數(shù)走（k = 2兀／又）滿足色散關(guān)系

∞2=∞乙+ c2k2    (4- 20)式中，∞弘為等離子體頻率，∞為在等離子體中傳播的不銹鋼激光焊接機(jī)角頻率，足為波數(shù)，c為真空中的傳播速度(3．O×lOlOcm/s)o

式(4-19)和式(4-20)表明，當(dāng)?shù)入x子體的電子密度增大時(shí)，等離子體振蕩頻率越來越大，而不銹鋼激光焊接機(jī)波數(shù)憊越來越小，不銹鋼激光焊接機(jī)波長(zhǎng)則趨于無(wú)窮。當(dāng)∞肚=叫時(shí)，不銹鋼激光焊接機(jī)波數(shù)足趨于零，不銹鋼激光焊接機(jī)不再向前傳播而發(fā)生反射，此時(shí)的等離子體電子密度稱為臨界電子密度。其定義為

Nec=魚衛(wèi)生型2

e2    (4-21)

對(duì)于波長(zhǎng)為又= 10.6tim的工業(yè)C()I不銹鋼激光焊接機(jī)，其角頻率為叫=1.78×1014Hz，臨界電子密度為

Nec=1.1×1021／又2=0.98×1019CT11—3

不銹鋼激光焊接機(jī)在等離子體中傳播的群速度口g和相速度口p分別表示為

accJc(1一∞冬／a)2)1／2vg=孑忌

∞    f／(1一∞乙／(02)1/2由式(4-22)和式(4-23)可以看出，當(dāng)∞>CD pe時(shí)，秒p與口g均為實(shí)數(shù)，說明相應(yīng)電磁波可以在等離子體中傳播；當(dāng)∞<∞陣時(shí)，秒p與vg均為虛數(shù)，說明相應(yīng)電磁波不能進(jìn)入等離子體中傳播，這與臨界電子密度判據(jù)是一致的。實(shí)驗(yàn)室及一般工業(yè)加工條件下，等離子體電子密度大致處于1018～1020 Cfll-3范圍，相應(yīng)的∞pe數(shù)量級(jí)處于1010—1011Hz范圍，對(duì)于工業(yè)C02不銹鋼激光焊接機(jī)，通常不會(huì)出現(xiàn)不銹鋼激光焊接機(jī)被等離子體全部反射的情況。

不銹鋼激光焊接機(jī)在等離子體中傳播的色散關(guān)系可用下式來表示

式中，力即為等離子體折射率?？梢姡入x子體的折射率與等離子體的振蕩頻率有關(guān)，而等離子體的振蕩頻率是等離子體電子密度的函數(shù)。由式(4-24)可知，可以傳播不銹鋼激光焊接機(jī)的等離子體總滿足∞> 00熙，此時(shí)等離子體折射率小于1，這說明它是比真空還光疏的介質(zhì)。所以不銹鋼激光焊接機(jī)束從空氣入射到等離子體中的過程，是從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)的過程，折射結(jié)果使聚焦性變差，對(duì)光束起發(fā)散作用。不銹鋼激光焊接機(jī)從折射率大的區(qū)域向折射率小的區(qū)域傳播時(shí)，光束會(huì)發(fā)散，表現(xiàn)為負(fù)透鏡效應(yīng)。

通常，部分電離的等離子體中包含有自由電子、離子和中性原子等，它的折射率符合疊加原理（Gladstone-Dale公式）f l8】

以一1=∑KiNi    (4-25)式中，行為混合等離子體折射率，Ki為單獨(dú)組分的Gladstone-Dale常數(shù)，Ni為單獨(dú)組分的密度。

按照統(tǒng)計(jì)力學(xué)觀點(diǎn)，等離子體平衡狀態(tài)是由其內(nèi)部各種微觀過程。例如，粒子彈性碰撞、粒子激發(fā)和去激發(fā)、解離和去解離、電離和復(fù)合、粒子對(duì)光子吸收和輻射等確定。當(dāng)電子碰撞效應(yīng)成為這些過程的主導(dǎo)因素時(shí)，對(duì)各激發(fā)態(tài)和電離態(tài)存在一定的平衡關(guān)系，稱這種平衡狀態(tài)為局部熱力學(xué)平衡(LTE)o

不銹鋼激光焊接機(jī)等離子體的特性可以用局部熱力學(xué)平衡理論來措述，處于局部熱力學(xué)平衡的等離子體，其電離程度可根據(jù)薩哈( Saha)方程計(jì)算。根據(jù)等離子體的有關(guān)熱力學(xué)方程（準(zhǔn)中性方程、分壓定律、壓力方程）和一次電離、二次電離的薩哈方程可以求解各組分的密度。

準(zhǔn)中性方程

Ne=Ni+2N2    (4-26)

分壓定律

N．= Na+2N1+3N2    (4-27)壓力方程

N    一旦

Nt=足丁式中，N。為總密度，P為壓強(qiáng)，志為玻爾茲曼常量（1.38×10- 23J/K）．Ni為一次電離的離子密度，N2為二次電離的離子密度，Na為原子密度，Zo.Zi、22分別為原子、一次電離原子、二次電離原子的狀態(tài)和，Ei嘰l、E越分別為某元素發(fā)生一次、二次電離時(shí)的電離能，，|為普朗克常量(6.62×IO - 34J．S)o

如果按常壓處理，代入有關(guān)常數(shù)后，即可求出不同溫度時(shí)的Na、N1. Ne和N．等，代入式(4-25)中即可求出等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)的折射率。由此可以看出，等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)的折射是粒子密度和溫度的函數(shù)。

實(shí)際上，光致等離子體中的電子密度并非呈均勻分布，而是存在很大的電子密度梯度，等離子體邊緣部分電子密度小，折射率相對(duì)較高，隨著與工件距離的接近，等離子體的電子密度逐漸增大，折射率隨之減小。入射不銹鋼激光焊接機(jī)柬穿過等離子體時(shí)引起不銹鋼激光焊接機(jī)束傳播方向的改變，其偏轉(zhuǎn)角與等離子體的電子密度梯度和等離子體長(zhǎng)度有關(guān)，幾千瓦至十幾千瓦OQ不銹鋼激光焊接機(jī)誘導(dǎo)的等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)束的偏轉(zhuǎn)角為10-2 rad數(shù)量級(jí)【16]o

根據(jù)分壓定律，壓力方程，準(zhǔn)中性方程，薩哈方程以及Gladstone-Dale公式，計(jì)算出的幾種不同含量情況下的Fe-Ar、Fe-He混合等離子體折射率隨溫度的變化曲線見圖4-10、圖4-110由這兩個(gè)圖可以看出，混合等離子體的折射率均小于10 Fe蒸氣含量越多，混合等離子體的折射率越小，在成分比例相同的情況下，F(xiàn)e-Ar混合等離子體的折射率比Fe-He的小。圖4-10 Fe-Ar混合等離子體折射率與

溫度的關(guān)系(1atm(D)圖4-11  Fe-He泥合等離子體折射率與

溫度的關(guān)系（latmcD）

從以上分析不難看出，下面幾個(gè)因素主要影響等離子體對(duì)不銹鋼激光焊接機(jī)的折射率和負(fù)透鏡效應(yīng)：

(l)不銹鋼激光焊接機(jī)功率密度。功率密度越高，等離子體的溫度就越高，則等離子體中的電子密度越大，其折射率就越小，負(fù)透鏡效應(yīng)增強(qiáng)。

(2)不銹鋼激光焊接機(jī)波長(zhǎng)。波長(zhǎng)與角頻率存在如下關(guān)系叫- 2兀c/A（c為光速，A為波長(zhǎng)），不銹鋼激光焊接機(jī)波長(zhǎng)越大，其角頻率越小，折射率越小，負(fù)透鏡效應(yīng)明顯。

    (3)保護(hù)氣體種類。相同溫度下，心氣電離程度較大，電子密度較大，折射率CD latm = 1.01325 x 105Pao