1.激光焊焊接过程中的等离子体

在高功率密度条件下进行激光加工时会出现等离子体。物质在接收外界能量而温度升高时，原子或分子受能量（光能、热能、电场能等）的激发会产生电离，形成由自由电子、带电的离子和中性原子组成的等离子体，等离子体整体对外保持电中性状态。

激光焊时，形成等离子体的前提是材料被加热至汽化。在10⁷W/cm²的功率密度下，金属被激光加热汽化后，在焊接熔池上方形成高温金属蒸气。金属蒸气中有一定的自由电子，处在激光辐射区的自由电子通过逆韧致辐射吸收能量而被加速，直至其有足够的能量来碰撞、电离金属蒸气和周围气体，电子密度雪崩式地增加，形成等离子体。逆韧致辐射是等离子体吸收激光能量的重要机制，是由于电子和离子之间的碰撞所引起的。简单地说就是：在激光场中，高频率振荡的电子在和离子碰撞时，会将其相应的振动能变成无规则运动能，结果激光能量变成等离子体热运动的能量，激光能量被等离子体吸收。

激光加工过程的等离子体主要为金属蒸气的等离子体，这是因为金属材料的电离能低于保护气体的电离能，金属蒸气较周围气体易于电离。如果激光功率密度很高，而周围气体流动不充分时，也可能使周围气体离解而形成等离子体。

激光深熔焊时位于熔池上方的等离子体，会引起光的吸收和散射，改变焦点位置，降低激光功率和热源的集中程度，从而影响焊接过程。等离子体对激光的吸收率与电子密度和蒸气密度成正比，随激光功率密度和作用时间增长而增加，并与波长的平方成正比。同样的等离子体，对波长为10.6μm的CO₂激光的吸收率比对波长为1.06μm的YAG激光的吸收率高两个数量级。不同波长的激光产生等离子体所需的功率密度阈值不同。YAG激光产生等离子体的阈值功率密度比CO₂激光高出约两个数量级。因此，用CO₂激光进行加工时，易受等离子体的影响，而用YAG激光加工，等离子体的影响则较小。

激光通过等离子体时，改变了吸收和聚焦条件，有时会出现激光束的自聚焦现象。等离子体吸收的光能可以通过这个渠道传至工件。如果等离子体传至工件的能量大于等离子体吸收所造成工件接收光能的损失，则等离子体反而增强了工件对激光的吸收，这时等离子体也可看作是一个热源，形成的新热源通过热传导的方式加热工件，会造成焊缝形状的改变，出现所谓“钉子状”焊缝。

激光功率密度对于等离子体的形成和作用有着重要影响。根据激光功率密度不同，将其分为以下三个区间：

1）激光能量密度处于形成等离子体的阈值附近时，对于CO₂激光加工而言，相应的激光功率密度约为10⁶W/cm²。此时较稀薄的等离子体云集于工件表面，形成较稳定的等离子体层。其存在有助于加强工件对激光的吸收。由于等离子体的作用，工件对激光的总吸收率可由10%左右增至30%～50%。(www.daowen.com)

2）激光功率密度介于l0⁶～10⁷W/cm²，此时等离子体温度高，电子密度大，对激光的吸收率大，会出现等离子体的形成和消失的周期性振荡，影响焊接过程的稳定性，必须加以抑制。

3）当激光功率密度大于10⁷W/cm²时，除了金属蒸气外，周围的气体可能被击穿。气体击穿所形成的等离子体，其温度、压力、传播速度和对激光的吸收率都很大，形成所谓激光维持的爆发波，它完全、持续地阻断激光向工件的传播，应尽量避免。一般在采用连续CO₂激光进行加工时，其功率密度均应小于10⁷W/cm²。

2.壁聚焦效应

激光深熔焊时，当小孔形成以后，激光束将进入小孔，与小孔壁相互作用时，入射激光并不能全部被吸收，有一部分将由孔壁反射在小孔内某处重新会聚起来，这一现象称为壁聚焦效应。壁聚焦效应的产生，使激光在小孔内部维持较高的功率密度，进一步加热熔化材料。对于激光焊接过程，重要的是激光在小孔底部的剩余功率密度，它必须足够高，以维持孔底有足够高的温度，产生必要的汽化压力，维持一定深度的小孔。

小孔效应和壁聚焦效应的产生改变了激光与物质的相互作用过程，使能量的吸收率大大增加。

3.净化效应

净化效应是指CO₂激光焊时，焊缝金属中有害杂质元素减少和夹杂物减少的现象。净化效应的产生与不同物质对激光的吸收率不同密切相关。有害元素在钢中主要以两种形式存在：夹杂物或直接固溶在基体中。当这些元素以非金属夹杂物存在时，对于波长为10.6μm的CO₂激光，非金属夹杂物的激光吸收率远大于金属，非金属将吸收较多激光使其温度迅速上升而汽化。当元素固溶在金属基体中时，由于非金属元素的沸点低，蒸气压高，会从熔池中蒸发出来，使焊缝中的有害元素减少。这对焊缝金属的性能，特别是塑性和韧性，有很大好处。