負透鏡效應明顯，相比而言He氣的保護效果好一些。

(4)保護氣體流量。一定范圍內增加氣體流量，可以吹散熔池上方的等離子云，從而減小等離子體的負透鏡效應。

(5)被焊材料。當被焊材料熔點低又易電離時，等離子體中的電子數密度增加，導致負透鏡效應顯著增加。2．等離子體對不銹鋼激光焊接機的散射與吸收

等離子體對不銹鋼激光焊接機散射的機理比較復雜，散射損失的定量分析目前尚難做到。有關文獻已證實[20]，散射是由于等離子體形成時金屬蒸氣原子凝聚后形成的超細微粒子(ultra fine particles, UFP)所致o UFP的尺寸與氣體壓力有關，其平均大小可達80nm，遠遠低于入射不銹鋼激光焊接機的波長。由UFP導致的瑞利散射，其散射強度由下列方程決定

！盛一27l V2 e-蘭Q 2（1+ cos2拳）    (4-31)

10    T2A4eo式中，J鼢為散射光強度，I0為入射光強度，V為粒子體積，，．為粒子之間距離，聲為散射角，e為粒子介電常數，￡o為真空介電常數，又為入射不銹鋼激光焊接機的波長。

空間隨機分布的多個粒子引起的瑞利散射損失，折算成吸收損失時的等效吸收系數可表示為

8X3NV2．(鼬2    (4-32)

asca -一’3叉4    ￡o式中，N為UFP的總粒子數密度?？梢?，敬射損失反比例于波長的4次方，對于同樣尺寸的切叩，不銹鋼激光焊接機波長越短，越易被散射o YAG不銹鋼激光焊接機波長較短，焊接時不易形成等離子體，不銹鋼激光焊接機能量的吸收損失較少，但UFP所致的散射損失不可忽略。

不銹鋼激光焊接機焊接過程中位于工件上方和匙孔內部的等離子體都會吸收入射不銹鋼激光焊接機的能量，等離子體是通過多重機制吸收不銹鋼激光焊接機能量，使溫度升高、電離度增大。吸收機制可分為正常吸收與反常吸收兩大類【18~剮。

正常吸收就是通常所說的逆軔致吸收（inverse bremsstrahlung, IB），是指處在不銹鋼激光焊接機電場中的電子被激勵發生高頻振蕩，并且以一定概率與粒子（主要為離子）相互碰撞，把能量交給比較重的粒子（離子、原子），從而使等離子體升溫的過程。逆軔致吸收又分為線性（電子速度分布為麥克斯韋分布）和非線性（電子速度分布函數與電場有關）兩類，非線性情況發生在極高不銹鋼激光焊接機電場場合。

反常吸收是指通過多重非碰撞機制，使不銹鋼激光焊接機能量轉化為等離子體波能的過程。這些波所攜帶的能量，通過各種耗散機制轉化為等離子熱能。反常吸收分為共振吸收和多重非線性參量不穩定性吸收兩類。

等離子體主要通過逆軔致輻射吸收不銹鋼激光焊接機能量，逆軔致吸收是由電子一離子碰撞引起的，簡言之，就是在不銹鋼激光焊接機高頻電場申振蕩的電子由于和離子碰撞失去規則的

運動，其速度可達每秒幾千米至上百千米，等離子體溫度為lOeV至幾十電子伏。

發生不銹鋼激光焊接機維持燃燒波或不銹鋼激光焊接機維持爆發波現象，與不銹鋼激光焊接機功率密度范圍相對應。材料表面汽化較強時，金屬蒸氣部分電離、加熱，進而通過熱輻射使前方冷空，C也發生加熱和電離，形成不銹鋼激光焊接機維持燃燒波，這時仍有部分不銹鋼激光焊接機通過等離子體區入射到工件表面，工件附近等離子體的輻射有助十增強不銹鋼激光焊接機與材料的熱耦合，隨著等離子體逆著光束方向離去，這種耦合受到削弱，逐漸形成對材料的屏蔽。光強繼續增大，不銹鋼激光焊接機維持燃燒波吸收區運動加快，吸收加強，直至與前方沖擊波匯合，形成不銹鋼激光焊接機維持爆發波，構成對入射不銹鋼激光焊接機的完全吸收。選擇適當的環境氣體及光束聚焦透鏡，可以縮短不銹鋼激光焊接機維持爆發波的壽命，提高不銹鋼激光焊接機與材料之間的耦合效率。．．．．．．-I等離子體在能量傳輸中的作用

不銹鋼激光焊接機焊接產生的等離子體位于熔池上方的不銹鋼激光焊接機傳輸通道上，等離子體獨特的物理性質決定了它對不銹鋼激光焊接機會產生折射、散射以及吸收。致密的光致等離子體對入射不銹鋼激光焊接機具有顯著的J并蔽作用，一方面，斂密的光致等離子體通過吸收和散射入射光，x/口向了不銹鋼激光焊接機的能量傳輸效率，大大減少了到達工件的不銹鋼激光焊接機能量密度，導致熔深變淺；另一方面，由于等離子體對入射不銹鋼激光焊接機酌折射，使得不銹鋼激光焊接機通過等離子時波前發生畸變，改變了不銹鋼激光焊接機能量在工件上的作用區，影響焊縫成形，嚴重時，等離子體的屏蔽使得焊接無法進行。

多年來，人們通過測量等離子體溫度或者電子密度，對等離子體行為進行了大量的研3芒c8~15l o起初普遍認為這種屏蔽是由于深熔焊接中的光致等離子體吸收

不銹鋼激光焊接機能量致使工件表面能量密度小于深熔

不銹鋼激光焊接機束    焊閾值所致。后來研究發現，等離子體對激

光的吸收并不是屏蔽的主要原因，等離子體

-…帶“    對不銹鋼激光焊接機束的折射行為才是引起等離子體屏

蔽的主要原因【16—20]o

：

由于電子密度的不均勻性，等離子體具

有異常折射率性質，使得入射不銹鋼激光焊接機發散，導

工件敏實際聚焦位置比正常聚焦位置偏下，如

燃燃燧賦戳黼懋鯉潤黼黼麟幽    圖4-9所示。通過光譜分析和理論估算，得

出在不銹鋼激光焊接機深熔焊中，等離體對不銹鋼激光焊接機折射作用

圖4-9  等離子體對不銹鋼激光焊接機的折射作用

大大降低了耦合到工件表面能量的密度，因此，有人把等離子體形象地描述為一個負透鏡，而等離子體對不銹鋼激光焊接機的折射作用則被稱之為負透鏡效應。

1．等離子體對不銹鋼激光焊接機的折射

通過等離子體的振蕩特性與色散關系，可以近似求出等離子體對不銹鋼激光焊接機的折射率。

等離子體的基本構成是正離子、自由電子和中性原子，整體上呈電中性。等離子體振蕩是等離子體的較基本特點，其振蕩頻率為[21,22】

∞畔=（鬟）l／2    c㈣式中，Ne為等離子體中電子密度，eo為真空介電常數，me為電子質量，P為電子電量。等離子體主要有兩種振蕩形式，即等離子體的電子振蕩和離子振蕩，兩者僅由電子、離子的密度及其質量所決定。因為電子質量僅為離子的10-4倍，故電子振蕩頻率遠比離子高很多，通常只考慮前者。

當角頻率為∞的不銹鋼激光焊接機在等離子體中傳播時，光速和波長會發生變化，但其角頻率Ⅲ不變，頻率叫和波數走（k = 2兀／又）滿足色散關系

∞2=∞乙+ c2k2    (4- 20)式中，∞弘為等離子體頻率，∞為在等離子體中傳播的不銹鋼激光焊接機角頻率，足為波數，c為真空中的傳播速度(3．O×lOlOcm/s)o

式(4-19)和式(4-20)表明，當等離子體的電子密度增大時，等離子體振蕩頻率越來越大，而不銹鋼激光焊接機波數憊越來越小，不銹鋼激光焊接機波長則趨于無窮。當∞肚=叫時，不銹鋼激光焊接機波數足趨于零，不銹鋼激光焊接機不再向前傳播而發生反射，此時的等離子體電子密度稱為臨界電子密度。其定義為

Nec=魚衛生型2

e2    (4-21)

對于波長為又= 10.6tim的工業C()I不銹鋼激光焊接機，其角頻率為叫=1.78×1014Hz，臨界電子密度為

Nec=1.1×1021／又2=0.98×1019CT11—3

不銹鋼激光焊接機在等離子體中傳播的群速度口g和相速度口p分別表示為

accJc(1一∞冬／a)2)1／2vg=孑忌

∞    f／(1一∞乙／(02)1/2由式(4-22)和式(4-23)可以看出，當∞>CD pe時，秒p與口g均為實數，說明相應電磁波可以在等離子體中傳播；當∞<∞陣時，秒p與vg均為虛數，說明相應電磁波不能進入等離子體中傳播，這與臨界電子密度判據是一致的。實驗室及一般工業加工條件下，等離子體電子密度大致處于1018～1020 Cfll-3范圍，相應的∞pe數量級處于1010—1011Hz范圍，對于工業C02不銹鋼激光焊接機，通常不會出現不銹鋼激光焊接機被等離子體全部反射的情況。

不銹鋼激光焊接機在等離子體中傳播的色散關系可用下式來表示

式中，力即為等離子體折射率?？梢姡入x子體的折射率與等離子體的振蕩頻率有關，而等離子體的振蕩頻率是等離子體電子密度的函數。由式(4-24)可知，可以傳播不銹鋼激光焊接機的等離子體總滿足∞> 00熙，此時等離子體折射率小于1，這說明它是比真空還光疏的介質。所以不銹鋼激光焊接機束從空氣入射到等離子體中的過程，是從光密介質進入光疏介質的過程，折射結果使聚焦性變差，對光束起發散作用。不銹鋼激光焊接機從折射率大的區域向折射率小的區域傳播時，光束會發散，表現為負透鏡效應。

通常，部分電離的等離子體中包含有自由電子、離子和中性原子等，它的折射率符合疊加原理（Gladstone-Dale公式）f l8】

以一1=∑KiNi    (4-25)式中，行為混合等離子體折射率，Ki為單獨組分的Gladstone-Dale常數，Ni為單獨組分的密度。

按照統計力學觀點，等離子體平衡狀態是由其內部各種微觀過程。例如，粒子彈性碰撞、粒子激發和去激發、解離和去解離、電離和復合、粒子對光子吸收和輻射等確定。當電子碰撞效應成為這些過程的主導因素時，對各激發態和電離態存在一定的平衡關系，稱這種平衡狀態為局部熱力學平衡(LTE)o

不銹鋼激光焊接機等離子體的特性可以用局部熱力學平衡理論來措述，處于局部熱力學平衡的等離子體，其電離程度可根據薩哈( Saha)方程計算。根據等離子體的有關熱力學方程（準中性方程、分壓定律、壓力方程）和一次電離、二次電離的薩哈方程可以求解各組分的密度。

準中性方程

Ne=Ni+2N2    (4-26)

分壓定律

N．= Na+2N1+3N2    (4-27)壓力方程

N    一旦

Nt=足丁式中，N。為總密度，P為壓強，志為玻爾茲曼常量（1.38×10- 23J/K）．Ni為一次電離的離子密度，N2為二次電離的離子密度，Na為原子密度，Zo.Zi、22分別為原子、一次電離原子、二次電離原子的狀態和，Ei嘰l、E越分別為某元素發生一次、二次電離時的電離能，，|為普朗克常量(6.62×IO - 34J．S)o

如果按常壓處理，代入有關常數后，即可求出不同溫度時的Na、N1. Ne和N．等，代入式(4-25)中即可求出等離子體對不銹鋼激光焊接機的折射率。由此可以看出，等離子體對不銹鋼激光焊接機的折射是粒子密度和溫度的函數。

實際上，光致等離子體中的電子密度并非呈均勻分布，而是存在很大的電子密度梯度，等離子體邊緣部分電子密度小，折射率相對較高，隨著與工件距離的接近，等離子體的電子密度逐漸增大，折射率隨之減小。入射不銹鋼激光焊接機柬穿過等離子體時引起不銹鋼激光焊接機束傳播方向的改變，其偏轉角與等離子體的電子密度梯度和等離子體長度有關，幾千瓦至十幾千瓦OQ不銹鋼激光焊接機誘導的等離子體對不銹鋼激光焊接機束的偏轉角為10-2 rad數量級【16]o

根據分壓定律，壓力方程，準中性方程，薩哈方程以及Gladstone-Dale公式，計算出的幾種不同含量情況下的Fe-Ar、Fe-He混合等離子體折射率隨溫度的變化曲線見圖4-10、圖4-110由這兩個圖可以看出，混合等離子體的折射率均小于10 Fe蒸氣含量越多，混合等離子體的折射率越小，在成分比例相同的情況下，Fe-Ar混合等離子體的折射率比Fe-He的小。圖4-10 Fe-Ar混合等離子體折射率與

溫度的關系(1atm(D)圖4-11  Fe-He泥合等離子體折射率與

溫度的關系（latmcD）

從以上分析不難看出，下面幾個因素主要影響等離子體對不銹鋼激光焊接機的折射率和負透鏡效應：

(l)不銹鋼激光焊接機功率密度。功率密度越高，等離子體的溫度就越高，則等離子體中的電子密度越大，其折射率就越小，負透鏡效應增強。

(2)不銹鋼激光焊接機波長。波長與角頻率存在如下關系叫- 2兀c/A（c為光速，A為波長），不銹鋼激光焊接機波長越大，其角頻率越小，折射率越小，負透鏡效應明顯。

    (3)保護氣體種類。相同溫度下，心氣電離程度較大，電子密度較大，折射率CD latm = 1.01325 x 105Pao