(2) 模式

　　模式是激光的光場(chǎng)分布，對(duì)于用于材料加工的高功率CO2激光而言，通?？紤]激光的橫模，記為 TEMpl，TEM 表示橫向電磁場(chǎng)，p為橫模沿輻角方向的節(jié)線數(shù)目、l 為橫模沿徑向的節(jié)線數(shù)目，當(dāng) p=l=0 時(shí)，TEM00模光場(chǎng)呈高斯分布，稱為基模。對(duì)于圓形孔徑反射鏡諧振腔，模式花樣及其光場(chǎng)分布如圖 4 所示。

　　a、模式花樣                       b、光場(chǎng)分布

　　圖4   模式花樣及光場(chǎng)分布

　　表1   各種評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量參數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用領(lǐng)域

　　2.1能量特性對(duì)焊接的影響

　　激光束的能量特性包括光束的功率與功率密度、連續(xù)/脈沖輸出和激光束的偏振等。對(duì)于激光焊接，普遍認(rèn)為，焊接深度基本上與激光功率成線性關(guān)系。激光焊接中，起主要作用的是激光功率密度值，這是由于不同的材料都有一個(gè)臨界功率密度閾值，只有激光焦點(diǎn)的功率密度值超過這個(gè)閾值，才能形成“小孔效應(yīng)”，獲得深熔焊接，因?yàn)榻饘俨牧蠈?duì)于波長(zhǎng)10.6微米的CO2激光束是強(qiáng)烈反射的，只有形成了小孔效應(yīng)，材料對(duì)激光束的吸收機(jī)理才能由金屬表面吸收變?yōu)樾】孜?，提高材料?duì)激光束的吸收率。目前對(duì)激光焊接的計(jì)算主要集中于溫度場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)解析解，這種方法可以獲得溫度場(chǎng)分布的近似解，隨著數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，有限元在模擬激光焊接結(jié)果的應(yīng)用上也越來越廣泛。

　　文獻(xiàn)提供了激光焊接304不銹鋼時(shí)，焊接熔深與激光功率、焊接速度的理論關(guān)系，但有關(guān)焊接材料、焦距與光束質(zhì)量對(duì)熔深的影響考慮的不夠，限制了其應(yīng)用；另外，對(duì)小孔形成機(jī)理的研究越來越深人，有關(guān)小孔的形成機(jī)理主要有兩種理論，一種認(rèn)為小孔主要靠液體金屬的蒸發(fā)而形成的，另一種認(rèn)為小孔是由于金屬蒸汽的反沖壓力形成的。采用脈沖激光焊接，由于后一個(gè)脈沖形成的小孔有可能除去前一個(gè)脈沖形成的氣孔，在適當(dāng)?shù)拿}沖參數(shù)下可減少氣孔率，近年來，國(guó)內(nèi)外開展了脈沖激光焊消除氣孔的研究工作，但由于氣孔產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，目前還未取得滿意的結(jié)果。

　　2.2模式特性對(duì)焊接的影響

　　光束的模式特性包括光束質(zhì)量、光束模式以及光束的橫截面能量分布。光束模式?jīng)Q定了聚焦焦點(diǎn)的能量分布，對(duì)激光加工具有重要的影響。文獻(xiàn)研究了不同光束模式對(duì)焊接質(zhì)量的影響，如圖 5所示，激光束為基模時(shí)，可以獲得最大的焊縫深度與深寬比，光束模式的階次越高，激光束的能量分布越發(fā)散，焊接質(zhì)量越差。文獻(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)研究了具有不同焦點(diǎn)光束參數(shù)積（BPP）的激光束對(duì)激光焊接質(zhì)量的影響，如圖6所示，光束的BPP值越大，光束質(zhì)量就越差，焊縫的深寬比就越小。文獻(xiàn)指出材料形成“小孔效應(yīng)”的功率密度不僅與平均功率密度有關(guān)，而主要取決于最大功率密度，對(duì)于功率一定，半徑相同的聚焦焦點(diǎn)，橫截面能量分布不同，雖然平均功率密度相同，但最大功率密度不同，焊接質(zhì)量不同。

 

　　圖5   激光束模式對(duì)激光焊接的影響   圖6   BPP同熔深與熔寬的關(guān)系

　　2.3焦點(diǎn)特性對(duì)焊接的影響

　　光束的焦點(diǎn)特性包括焦點(diǎn)的位置、大小、焦深和發(fā)散角。激光加工中，焦點(diǎn)附近的光斑尺寸變化較大，不同的焦點(diǎn)位置將使作用在材料表面的激光功率密度變化很大，從而對(duì)焊縫質(zhì)量的影響很大。文獻(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)研究了不同焦點(diǎn)位置對(duì)不銹鋼焊接的焊縫形狀的影響，當(dāng)焦點(diǎn)為負(fù)離焦1～2mm時(shí)，焊接效果最好，負(fù)離焦比正離焦的焊接效果好。文獻(xiàn)采用不同焦距聚焦鏡進(jìn)行了激光焊接實(shí)驗(yàn)，如圖7所示，可見負(fù)離焦比正離焦更易獲得較大熔深，負(fù)離焦1mm左右熔深最大（圖中負(fù)值表示焦點(diǎn)在工件表面下方，稱為負(fù)離焦）。文獻(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果。Miyamoto和Arata等人通過研究發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)位置的變化將引起焊縫的突變現(xiàn)象，認(rèn)為焦點(diǎn)位置的突變是由于焦點(diǎn)位置變化到一定的位置，到達(dá)工件表面的光束尺寸變大，功率密度下降，小于閾值功率密度，不能使材料表面蒸發(fā)。同時(shí)在不銹鋼上進(jìn)行了工件距透鏡距離與透鏡焦距的比值對(duì)焊縫熔深、熔寬以及焊縫截面積的影響的研究，結(jié)果表明負(fù)離焦的焊接效果好于正離焦。