高功率横流CO2激光光束特性及其对加工质量影响的研究

论文摘要

高功率CO2激光光束特性是决定激光加工质量的重要因素,本文利用横流CO2激光器及加工系统作为实验研究平台,系统地研究了高功率CO2激光束的能量特性、模式特性、焦点特性及其对材料深熔焊接、表面改性的影响规律。（1）研究了连续横流CO2激光器平-锥光学谐振腔的输出光场分布,建立了光束模式的理论分析模型。比较了平-凹腔与平-锥腔的输出光束特性,输出光束发散角分别为2.6mrad、2.1 mrad,当输出镜失调1.4′时,光斑缺失率分别为16%、8%,当反射镜失调1.4′时,光斑缺失率分别为20%、5%,因此平-锥腔具有较高的抗失调稳定性。提出了横流CO2激光束的“时间光束质量”概念以及三个评价参数:功率波动的频率与功率波动之比( fΔP/P ),光束直径变化的频率与光束直径波动之比( fΔD/D ),光束中心变化的频率与光束中心变化之比( fΔC/C ),研究表明:此三个参数越大,光束的时间特性越好,稳定性越高。（2）建立了积分聚焦镜焦点光场分布的理论模型,实验分析了焦点光场分布对表面改性质量的影响,通过改变积分镜中反射镜边长或入射光束质量,在焦点处可得到“凸”形、均匀和“凹”形分布光强,“凹”形光束的硬化区更宽、更均匀一致,底部近似平底状,更有利于表面改性处理。比较了平-凸透射聚焦镜、抛物面反射式聚焦镜对深熔焊接质量的影响规律,当光束垂直中心入射时,抛物面反射聚焦镜比平-凸透射聚焦镜的焊接熔深大15%,熔宽小10%;当入射光束的偏移增加到0.6mm时,抛物面反射聚焦镜的焊接熔深迅速下降到低于平-凸透射聚焦镜。（3）实验研究了高功率CO2激光光束特性对316L材料、Q235A材料、粉末冶金材料（PM）、三明治材料深熔焊接的影响,建立了激光功率P （Kw）、焊接速度（m/min）、光束质量因子M2、焦距f （mm）与焊接质量之间的关系,焊接熔深（mm） : ,焊接气孔率: ,焊缝强度（MPa）。三明治材料的激光焊接缺陷主要表现为焊缝中大量的焊接气孔和较多的铜,极大地降低了焊接强度,采用正面熔透1/2,反面完全熔透的焊接方式和提高焊接速度可以减少气孔缺陷。（4）实验研究了横流CO2激光器多模连续/脉冲激光对熔覆质量的影响规律,克服了航空发动机叶片K403材料的熔覆裂纹难题,与连续激光相比,脉冲激光熔覆硬度提高了5%,稀释率降低了20%,热影响区减少50%。分析了矩形、圆形、三角形光束对表面相变淬火质量的影响规律,结果表明:三角形光束可获得最大的表面硬度,矩形光束可获得最大的硬化区宽度,圆形光束可获得最大的硬化区深度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概述
• 1.1 激光加工光束特性参数及其评价指标
• 1.2 激光光束特性对激光加工质量的影响
• 2 激光传输和聚焦特性及其影响因素'>1.3 高功率CO₂激光传输和聚焦特性及其影响因素
• 2 激光器光腔技术'>1.4 横流CO₂激光器光腔技术
• 1.5 本文的研究内容
• 2 激光器实验系统'>2 横流CO₂激光器实验系统
• 2 激光器'>2.1 5000W 连续/脉冲横流CO₂激光器
• 2.2 激光传输聚焦系统
• 2.3 光束质量检测装置
• 2 激光器光学谐振腔及光束质量分析'>3 横流CO₂激光器光学谐振腔及光束质量分析
• 3.1 光腔分析模型及计算方法
• 3.2 N 型腔模场分析
• 3.3 直角内圆锥面反射镜激光谐振腔
• 3.4 本章小结
• 2 激光光束焦点特性研究'>4 横流CO₂激光光束焦点特性研究
• 4.1 平－凸透镜的聚焦特性分析
• 4.2 光束偏移对焦点性能的影响
• 4.3 积分镜聚焦特性分析
• 4.4 本章小结
• 2 激光束的动态特性及对加工过程的影响'>5 横流CO₂激光束的动态特性及对加工过程的影响
• 5.1 功率特性对激光加工的影响
• 5.2 光束模式的稳定性
• 5.3 光束的时间质量
• 5.4 本章小结
• 2 激光光束特性对深熔焊接的影响'>6 横流CO₂激光光束特性对深熔焊接的影响
• 6.1 光束特性对熔炼材料深熔焊接的影响
• 6.2 光束特性对粉末冶金材料激光焊接的影响
• 2 激光焊接三明治材料'>6.3 横流CO₂激光焊接三明治材料
• 6.4 本章小结
• 2 激光光束特性对表面改性的影响'>7 横流CO₂激光光束特性对表面改性的影响
• 7.1 连续/脉冲光束对激光熔覆质量的影响
• 7.2 异形光束对激光表面相变硬化处理的影响
• 7.3 本章小结
• 8 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 博士生期间的获奖及科研活动
• 附录3 本文有关符号的意义