能量耦合係數對雷射加工過程的影響

雷射加工是利用雷射與物質相互作用的特性，將雷射束聚焦到細小的空間，利用高密度的雷射能量，對材料實施加工。因此，雷射加工工藝研究的基礎是雷射與物質相互作用研究。

在雷射加工中，非常關注輻照到工件上的雷射能量有多大份額被工件吸收，這個份額通常被稱為能量耦合係數。考慮到雷射切割和焊接的工件大部分是金屬，本文主要介紹金屬的能量耦合係數的相關概念、影響因素，最後討論雷射加工工藝中對能量耦合係數的利用。

一、金屬對雷射的能量耦合係數

當光從空氣正入射到固體表面時，反射率R（反射光強與入射光強之比）可以表示為：

 （1）

其中折射率n和消光係數χ分別對應該固體復折射率的實部和虛部。對於不透明材料，被吸收的雷射能量份額由η＝1－R決定，η通常稱為能量耦合係數或熱耦合係數。

由光學相關定律，對於金屬，在假設下，有，其中，是直流電導率，是真空介電常數，是入射光的圓頻率。這時表面反射率可近似為：

 （2）

能量耦合係數為：

 （3）

可見，金屬導電性能越好，即電導率越大，其耦合係數越小，甚至接近於0，即絕大部分光沒有被吸收，而是被反射回去了。

式（3）還給出了的關係，這是在假設下的關係。實際情況下耦合係數η隨波長λ的變化更複雜。銀、銅、鋁等材料的反射率隨雷射波長的變化曲線見圖1。

圖1 銀、銅、鋁、鎳、炭鋼的反射率隨波長的變化

由圖1可以看出：對一般的金屬而言，在0.3um～10um波段（雷射加工常用光源均位於這個波段），耦合係數總體而言是隨著波長的增大而減小。

二、工件特性對能量耦合係數的影響

前面討論材料對雷射的反射和吸收是基於非常理想的情形，然而實際情況有很大的差別。材料的溫度變化、表面狀況及表面出現的熔化、氣化等對能量耦合係數都會帶來較大的影響。

1、溫度的影響

（3）式表明，金屬材料對雷射的能量耦合係數η與其電導率so有著深刻的內在聯繫，so與溫度有關，從而導致能量耦合係數也與溫度有關。在室溫以上相當寬的溫度變化範圍內，金屬材料的電阻率（即電導率的倒數）隨溫度的增加線性增加，可表示為：

 （4）

這裡為室溫下的電阻率。據（3）式，對大多數金屬來說，反射率都隨溫度的升高而減小，即能量耦合係數隨溫度的升高而增大。低碳鋼、鐵等金屬對10.6 mm雷射的能量耦合係數隨溫度的變化曲線見圖2。

圖2 低碳鋼、鐵等金屬的能量耦合係數隨溫度的變化

2、表面狀況的影響

實際材料中通常含有雜質、缺陷，其表面也非理想表面，表面塗層、表面氧化層及表面粗糙度等因素對其能量耦合係數會有很大的影響。對金屬而言，光的反射與吸收只發生在一非常薄的表層內，表面層對其能量耦合係數的影響是很大的。

當金屬表面附有表面膜層時，雷射入射到膜層上，產生透射、反射，並會形成多次反射波的幹涉。當膜層厚度d與波長λ滿足一定條件時，將出現吸收峰。

能量耦合係數與材料表面的粗糙度也有很大關係。當表面粗糙度大於入射雷射波長時，光在峰—谷側壁產生多次反射，某些條件下會形成幹涉，導致強烈的吸收。當表面粗糙度小於入射雷射波長時，光線幾乎形成鏡面反射，吸收相對較小。表1給出了幾種金屬材料表面拋光前後反射率的變化。

表1 材料拋光處理前後反射率的變化

3、表面熔化和氣化的影響

在雷射與金屬表面相互作用的過程中，輻照處金屬的特性變化是很劇烈的。溫度從室溫升高到溶點、沸點，其電導率隨著溫度的變化而急劇地變化。所以，金屬表面的反射率也隨著發生急劇的變化。這種變化是很複雜的，目前從理論上尚未得出滿意的結論。只能用典型的實驗曲線作一些定性分析。

圖3是雷射能量密度為7.5×10³  J／cm²、峰值功率密度為6×10⁷  W／cm²的單脈衝雷射作用於銀表面時，相對反射率隨時間的變化。圖中虛線表示雷射脈衝的波形。在ab段，輻照處的溫度從室溫急劇升高，反射率快速下降。從理論上計算，b點的溫度約為900～1000 ℃，正好與銀的熔點相吻合。因此可認為曲線中的bc段反射率保持不變，對應於金屬表面達到熔點後，處於從固態變成液態的相變過程中。反射率曲線上的cd段，是反射率進一步急劇下降部分。這是由於金屬表面熔化後，表面溫度又從熔點繼續升高，並急劇地變化到沸點，所以，反射率繼續下降。由於金屬表面氣化，金屬蒸氣大量地吸收雷射輻射能。從而使反射率急劇地降低到極小而達到d。脈衝雷射峰值過後，由於金屬表面溫度逐漸降低，金屬反射率又重新緩慢地升高。

圖3 脈衝雷射輻照過程中銀的相對反射率隨時間的變化

三、雷射加工中對能量耦合係數的利用

基於對能量耦合係數的認識，雷射加工中有時會對光源或工件做某些選擇或改變，已期獲得更好的加工效能。例如：

（1）選擇單模光纖雷射器來加工高反射材料

根據圖1，對於銅鋁，當表面比較乾淨時，對1.0um附近雷射的反射非常強，即能量耦合係數很小。當雷射器總功率有限時，就需要使得輻照到工件表面的雷射能量足夠集中，即光束質量足夠好，才能融化輻照區域的材料，即俗語所謂「好鋼用在刀刃上」。

對於強的反射光，要用相應的技術手段去處理，否則會破壞光學器件。因此，適於加工高反材料的單模光纖雷射器的技術難度要遠大於同等功率的多模光纖雷射器。湖南大科雷射有限公司通過對相關物理瓶頸問題的深入研究，推出的千瓦級單模光纖雷射器在加工高反射材料方面性能尤其出色。

（2）選擇合適波長的雷射來加工

根據圖1，對於某些材料，綠光或紫外波段的能量耦合係數比1.0um處要高出好幾倍。這種情況下，可以考慮使用非線性變頻晶體，將1.0um的雷射變頻為短波雷射。雖然變頻效率有限，但考慮變頻後耦合係數的顯著提高，可能取得更好的加工效果。

（3）改變工件表面狀態以提高能量耦合係數

前文提到，表面塗層、表面氧化層及表面粗糙度等因素對工件能量耦合係數會有很大的影響。因此，對於反射很強的工件，可以通過塗黑漆塗層等方法改變表面狀態以提高能量耦合係數。

另外，加工某些金屬，例如雷射焊接鋁質工件的過程中，當融化發生時，耦合係數會有顯著的提高，工藝研究時要針對這種變化做相應處理，以取得良好的焊接效果。

（作者：江厚滿）