激光誘導放電技術在金屬加工方面的應用探究

閆鵬宇 李昌立

摘? 要：隨著激光加工技術在激光燒蝕、打孔及焊接等領域的發展，針對激光加工效率，品質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放電技術，嘗試使用激光來誘導和控制放電產生的引燃熱源，從而達到對金屬材料的高效加工。文章旨在介紹激光放電技術的物理過程、特性分析，并簡要介紹該技術的應用研究。

關鍵詞：激光加工;放電技術;應用探究

中圖分類號：TN249? ? ? ? ?文獻標志碼：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用的重要物理基礎。金屬材料受到激光作用，吸收激光能量，引起溫度升高，可能產生加熱、熔融、氣化、噴濺甚至產生等離子體等現象。而隨著激光器的不斷發展，長脈沖、短脈沖和超短脈沖激光器的出現，也使得激光在焊接、切割、打孔和精細加工等領域也獲得了長足的發展。針對不同脈寬的激光器，其應用領域也有所差異。在激光焊接領域中，通常采用長脈沖或連續激光作為的熱源，利用其作用時間長、熱積累效果明顯等特點對材料實現熔融焊接;由于短脈沖激光高峰值功率特點可以有效實現小深孔燒蝕，因此常被用于實現激光切割、打孔等領域。同時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生的孔洞擴展等不良影響，極大地提高了激光加工質量和使用激光進行微細結構加工的能力。

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放電技術來提高激光加工的精度，性能及效率。

1 激光誘導放電過程

激光誘導放電主要應用于金屬加工過程中，如圖1所示入射激光經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。當高能激光入射到金屬靶材表面時，靶材中的自由電子受到光頻電磁波的作用產生受迫振動，通過電子與晶體點陣的碰撞將多余能量轉變為晶體點陣的振動，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，甚至產生等離子體羽流。當金屬蒸汽或等離子體團接觸到電極時，其電導率高于空氣或是保護氣體，在一定電壓作用下，導致電極與靶材間產生放電現象。放電產生的等離子體電弧釋放高溫電蝕作用對放電點處的金屬靶材進行加熱，實現激光與誘導放電等離子體對金屬靶材復合加工。

2 激光誘導放電特性分析

激光誘導放電加工的主要影響因素有：電極的位置、極性，電壓大小，電流強度，激光脈寬、能量等諸多因素。為實現不同的加工工藝，對激光放電加工的參數確定也不盡相同。而在激光誘導放電加工中普遍存在以下幾個優點：（1）激光誘導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。同時降低了對放電裝置性能的要求，更容易實現高頻的放電加工。（2）提高放電時由電能轉化為熱能的效率，減少能量損失，實現對靶材的高效加工。（3）激光輻照產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，實現對放電點的精準控制，同時提高放電狀態的穩定性。

對于激光誘導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，激光誘導的等離子體對激光能量的持續注入具有屏蔽作用，導致激光加工效率降低。而通過誘導放電產生的低溫等離子體同樣會對激光輻照產生一定的影響。激光誘導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一步的討論研究。

3 激光誘導放電應用探究

激光誘導放電技術需要加工工件具有一定的導電性能，因此其主要應用于金屬器件的加工制造領域。

在金屬表面強化領域，嘗試控制脈沖激光誘導放電的電流強度，段脈沖寬度以及電極位置，可以有效加深強化層的深度，抑制放電放電通道擴散，提高表面強化摩擦性能，提高強化點的疲勞壽命。

在激光焊接領域，傳統焊接過程通常使用激光焊接或電弧焊，通過激光誘導放電技術，獲得激光光源與放電電弧結合的復合熱源，導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。對比傳統焊接工藝，激光與電弧復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械性能。

在激光打孔領域，使用激光誘導放電打孔對能量利用的利用效率要高于傳統激光打孔，通過調節誘導放電脈寬可以實現對燒蝕孔的直徑進行調節，隨著放電脈寬的增加，激光打孔的入口和出口也隨之增大，兩者基本成線性關系。由于加工的孔徑直徑更依賴于放電參數的影響，在設計加工設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行誘導放電，實現高速打孔。

在短脈沖激光微加工領域，使用短激光脈沖與誘導放電相結合的混合加工工藝比單獨的工藝更具優勢。傳統短脈沖激光加工時，如需要良好的表面質量，加工效率就會相應降低。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。通過兩種工藝的結合，減少了加工靶材表面毛刺和重鑄現象。在保證加工精度的同時可以達到更高的材料燒蝕效率。

4 結束語

通過對激光誘導放電技術的探究，介紹了激光輻照金屬靶材相變蒸發進而誘導電極放電的物理過程，對激光誘導放電的特性進行并簡述了激光誘導放電技術在各種領域內的應用，使人們對激光誘導放電技術應用有了基本的了解。

參考文獻：

[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，石茂，等.YAG激光誘導放電表面離散強化形貌實驗研究[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.